不同填筑方法对水库弃渣场边坡稳定性影响

肖建宇，王寿武，何玉琼，黄 犀

(1.昆明理工大学，云南昆明650504；2.柳州铁道职业技术学院，广西柳州545000)

0 引 言

弃渣场主要用于堆填土石方开挖后产生的不能利用的多余土石材料，其稳定性对附近道路、桥梁、房屋等建筑物的安全具有重要意义。近年来，研究人员对于弃渣场的关注与研究逐渐增多，基于弃渣场土体各向同性假定为理论前提，利用有限元方法对弃渣场的稳定、渗流、变形等开展研究。孙朝燚等[1]基于有限元强度折减法对影响弃渣场稳定性因素空间效应进行了探讨；王光辉[2]通过有限元软件模拟分析了降雨条件下弃渣场边坡稳定性；抗兴培等[3]基于土体材料各向同性假定及有限元网格思想，利用GEO-Studio软件研究了弃土场边坡在强降雨条件下的稳定性。有些学者认为弃渣场土体具有明显的分层特点，不同土层物理力学性质差异很大，基于弃渣场土体材料各向异性，利用离散元原理开展研究。罗浩等[4]着眼弃渣场渣土体粒径分级特点，基于离散元原理，利用PFC离散元软件研究了弃渣场边坡在考虑岩土体颗粒级配条件下降雨失稳；张小雪等[5]采用离散元颗粒流理论，认为土体是散体材料，用颗粒流方法模拟边坡滑动及破坏，相比基于材料连续介质假定的传统有限元分析法更具有优越性。

就目前研究发展而言，不少学者开始把目光转向基于离散元颗粒流理论的研究方法，对散体介质类型边坡进行研究[6-7]。针对弃渣场的土体颗粒粒径对弃渣场边坡稳定性的影响，相关学者进行了一些重要探索，但对弃渣场不同颗粒分层填筑方法对弃渣场边坡稳定性影响目前研究较少。为此，本文基于离散元颗粒流理论，利用PFC2D软件分析了弃渣场边坡稳定对不同渣土体颗粒分层填筑方式的响应机制，可为弃渣场建设以及后续研究提供参考。

1 工程概况

弃渣场位于云南省昆明市东川区某新修水库大坝下游300 m处、包谷山村脚即昆绥公路下方。渣场是为了堆放水库大坝枢纽工程和渠系工程土石方开挖产生的多余弃渣而建，主要堆放大坝基础开挖、溢洪道开挖、导流洞开挖、输水洞开挖、场内公路等开挖的土石方。弃渣渣场的实际弃渣量约为82万m3，分四级弃渣平台，从一级弃渣平台往上逐渐收口，弃渣前期采用自然倾倒形成水平颗粒分层，后期通过人为规划采用竖向分层填筑。弃渣场概况见图1。依据坝址地质勘探资料以及弃渣场渣体分布现场勘察情况，从地表往下为坡积土(厚度为2 m)，以下为泥岩，弃渣场坡脚设置挡土墙。

图1 弃渣场概况

表1 土体微观参数参考值

2 数值模型

2.1 原理与方法

在离散元软件PFC2D中，主要的计算单元由墙体wall、球ball两者构成。基于牛顿第二定律，通过颗粒间及颗粒与墙体间的运动关系来进行模拟各种力学现象，其基本的运动方程为

(1)

式中，m为颗粒的质量；x为位移；t为时间；c为黏性阻尼系数；k为刚度系数；f为单元受到的外荷载。

PFC中wall与ball、ball与ball之间的相互作用关系主要由接触来实现，其接触类型按作用对象可分为ball-facet、ball-ball这2种类型(其中wall由facet组成)。在PFC中要准确模拟材料的本构关系是通过选择合适的颗粒与颗粒间、颗粒与墙体间接触模型来实现的。根据前人研究成果[8-9]，本次模拟中坡积层颗粒与基岩(由wall进行模拟)间，以及渣土体颗粒间的接触模型均采用平行黏结模型。

2.2 细观参数标定

通过前期学者采用颗粒流理论分析边坡稳定性的研究方法[10-12]可以得出，不同于有限元分析，模型所需参数可以通过物理试验直接获取，颗粒流分析则需要通过一定量的试样数值模拟试验与实际室内试验进行比较，通过不断调整颗粒、颗粒间接触等微观参数，使试样的宏观参数与室内试验获得的岩土体宏观参数基本接近时，即表明数值模拟的细观参数标定完成。本次试样的细观参数标定采用双轴压缩试验方法，通过数值模拟与实际土体的宏观力学参数逼近，从而获取微观参数；根据前期有关学者的研究[8-9]，本文细观参数的标定主要通过调节颗粒的法向和切向刚度比(kratio)，以及调整平行黏结模型中有效模量来实现。土体的细观参数见表1。

2.3 模型建立

模型以弃渣场典型纵向断面作为PFC2D模拟断面，认为基岩层不产生滑动，采用wall几何体表示基岩层，坡积层以及弃渣层按照一定颗粒组成，用膨胀法生成颗粒，即用ball模拟岩土体颗粒。从现场坡积层的特征位置及弃渣层各台阶处取代表性土样，通过室内筛分及激光粒度分析试验，参考前人研究结论[13-15]，依据土体颗粒力学性能主要取决于粗颗粒，将土体粒径小于0.007 5 mm考虑为0.007 5 mm。弃渣层与坡积层土体颗粒粒径大于2 mm的占岩土体质量百分比为60%～80%，因此在模拟中颗粒取2 mm以上进行分组，2～10 mm为细颗粒组，10～20 mm为中颗粒组，20～40 mm为粗颗粒组。为加快计算速度，且为避免颗粒数过多造成计算机运算过慢，统一把颗粒粒径放大10倍。通过采用水平及竖向分层2种不同堆填方式，分析其对弃渣场边坡稳定性影响。模型生成后，施加约束条件。由于弃渣场后缘与山体填平，山体对土体有支挡作用，且弃渣场坡脚处有拦渣挡土墙支挡，栏渣挡土墙状况良好，没有出现裂缝及位移现象，因此模型左侧和右侧颗粒限制其x方向(平距方向为x向，高程方向为y向)位移及转动，作为模型边界进行控制。

2.4 模型计算分析

本次建模主要研究弃渣场土体基于不同颗粒分组条件下采用不同填筑方式，完成填筑后弃渣场边坡在重力作用下土体颗粒的位移情况，以此来评价采用何种填筑方式更有利于弃渣场边坡的稳定性。当模型计算的不平衡力值随着计算时步增加逐渐接近于0时，即认为到达力学计算平衡要求。

3 模拟结果分析

3.1 水平分层填筑

在水平分层模拟中，弃渣场每层弃渣台阶按照大致水平方向设置3个颗粒粒径分层。每级台阶分层为3层，最底下1层为粗颗粒组，粒径范围为0.2～0.4 m；第2层为中颗粒组，粒径范围为0.1～0.2 m；第3层是细颗粒组，颗粒粒径范围为0.02～0.1 m。弃渣场原位边坡松散坡积层土体颗粒按照室内试验获得的级配，基于软件内置命令来生成。二维边坡水平分层模型共生成颗粒59 515个，坡积层与基岩的分界面用wall进行模拟。水平分层填筑及位移见图2。

图2 水平分层填筑及位移

颗粒及边界条件设定后，分析岩土体在重力作用下的运动情况，重点对各台阶颗粒的位移情况进行分析。通过PFC2D自带编程的fish语言自编程，得到每个台阶分层中所有颗粒的位移值、颗粒数，求出每个土体颗粒分层的平均位移量，并利用其统计每个颗粒分层中的颗粒数与平均位移量列表进行分析(见表2)。通过表2数据(颗粒数与平均位移量)绘制核电子密度图(见图3)。从图3可知，土体颗粒的平均位移与颗粒个数没有直接联系，主要取决于颗粒粒径及填筑方式。整体来看，采用水平分层填筑法粗颗粒组的平均位移较小，但中颗粒组及细颗粒组的平均位移量大，甚至产生张拉裂缝，与现场情况实际情况(现场调研发现，弃渣场前期采用水平分层填筑形成的第3级弃渣体台阶外边缘侧出现1条长约20 m，宽为5～10 mm的水平向裂缝)基本吻合。

表2 水平分层填筑法颗粒位移

图3 水平分层填筑法核电子密度

3.2 竖向分层填筑

在竖向分层模拟中，弃渣场每层弃渣台阶按照大致垂直于水平的竖直方向设置3个颗粒粒径分层。每级台阶分层为3层，从左至右靠近坡积层的第1层为细颗粒组，粒径范围为0.02～0.1 m；第2层为中颗粒组，粒径范围为0.1～0.2 m；第3层是粗颗粒组，颗粒粒径范围为0.2～0.4 m。弃渣场原位边坡的松散坡积层颗粒生成，以原位边坡取样土体室内试验获得的级配曲线为依据。二维边坡竖向分层模型共生成颗粒60 763个，坡积层与基岩的分界面用wall进行模拟，并计算最终位移。竖向分层填筑及位移见图4。

图4 竖向分层填筑及位移

为更好地对比分析，同样通过PFC2D自带编程的fish语言自编程，计算得到每个台阶分层中所有颗粒的位移值，并统计各层的颗粒数，依次求出每个土体颗粒分层的平均位移量并列表分析，见表3。通过表3数据(颗粒数与平均位移量)进一步绘制核电子密度图(见图5)。从图5可知，土体颗粒的平均位移与颗粒个数没有直接联系，主要取决于颗粒粒径以及填筑方式。整体来看，采用竖向分层填筑法粗颗粒组的平均位移较大，但中颗粒组及细颗粒组的平均位移量有很大幅度的减小，对弃渣场边坡的稳定有重要意义。现场填筑见图6。

3.3 水平与竖向分层填筑对比

(1)采用水平分层填筑法，即粗颗粒层在每层台阶的最底层，从下往上依次为中颗粒组层、细颗粒组层，粗粒组位移平均值出现最大概率密度的对应值为0.105 m，中粒组为0.085～0.103 m，细粒组为0.247～0.291 m。可以说明，土体颗粒的位移与颗粒粒径有密切的关系。

表3 竖向分层填筑法颗粒位移

图5 竖向分层填筑法核电子密度

(2)采用竖向分层填筑法，即粗颗粒层从左至右分别为细颗粒组层、中颗粒组层及粗颗粒组层，粗粒组位移平均值出现最大概率密度的对应值为0.074～0.087 m，中粒组为0.076～0.102 m，细粒组为0.055～0.075 m。进一步说明，土体颗粒的位移与颗粒粒径有密切的关系，但与颗粒个数关系不大。

(3)采用水平分层填筑法弃渣场4个台阶均出现较大位移区域(位移值在0.2 m)，位移较大区域在台阶的坡脚和坡顶位置均出现，且在第4台阶处每个填筑层均出现位移较大区域，坡顶出现圆弧形大位移区域，对于边坡的稳定不利。

图6 竖向分层填筑

(4)采用竖向分层填筑法，即依据山体走向竖向分层堆填渣土，从最终的位移图可以发现，弃渣场4个弃渣平台仅第2台阶出现大位移区且区域面积很小，没有形成连片的位移区域，对于弃渣场边坡的稳定有积极作用。

4 结 语

本文基于离散元颗粒流PFC2D软件，对采用水平与竖向2种分层填筑方法水库弃渣场边坡进行研究，得出以下结论：

(1)采用水平分层填筑法，粗颗粒组平均位移值较小，但中颗粒与细颗粒组平均位移值较大，整个弃土场边坡的大位移区域面积大，对边坡稳定不利。

(2)采用竖向分层填筑法，粗颗粒组平均位移值较大，但中颗粒与细颗粒组平均位移值较小，整个弃土场边坡的大位移区域面积小，对边坡稳定有利。

(3)弃渣场边坡土体颗粒的位移主要与颗粒粒径以及颗粒的分层填筑方式相关，与颗粒的数量多少关系不明显。

(4)采用离散元模拟土体材料可以弥补有限单元及有限差分法中的一些不足，充分考虑材料的不均匀性、非连续性以及土体材料的颗粒差异。