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摘要：在山区高速公路的建设中，隧道及路基的弃土方量较大，受地形条件的限制，土石方的调配与弃土场位置选择均存在较大的困难，因此对弃土场的稳定性作出合理的评价尤为重要，可以有效的避免滑坡、泥石流等次生灾害，保证高速公路运行安全。文章以贵州某高速公路为例，采用适宜分析不连续介质大变形的离散元法对冷水村弃土场天然、暴雨工况下的稳定性进行评价，并与刚体极限平衡法、有限差分法的计算结果进行对比，结果表明：在暴雨工况下弃土场处于欠稳定状态，需加强监测与防护。

关键词： 山区高速;弃土场;离散元;稳定性评价

1 引言

在山区高速公路中，一般情况下路基挖方路段的比例要远大于填方路段，同时隧道的弃渣利用程度也有限，受地形的限制，土石方的调配较为困难[1]，弃土方量较大。弃土场的位置大多选择在河谷、沟谷中[2]，填筑高度较高，在大多数山区高速项目中弃土场的稳定性分析、防护设计较主体工程更为简单，在连续降雨或短时间强降雨等不利天气影响下易产生安全隐患。近年来，山区公路、铁路弃土场雨季频繁发生的滑坡、泥石流等次生灾害，对附近居民点和运营中的路基、桥梁安全造成了巨大的威胁。

通常情况下，采用刚体极限平衡法或有限元法对弃土场的稳定性进行分析评价[3～4]，以上两种计算方法均假设岩土体介质为连续的，而弃土场物质多为松散的碎石土、块石土，采用适用于不连续介质大变形的离散元法对弃土场进行稳定性评价是一个新的思路。文章通过离散元法对冷水村弃土场进行稳定性评价并与刚体极限平衡法、有限差分法进行对比，对冷水村弃土场的稳定性进行综合评价，也为类似工程提供借鉴。

2 研究区概况

2.1 工程简介

该高速位于贵州省贵阳市和黔南布依族苗族自治州龙里县境内。贵阳地处云贵高原东斜坡上，属高原溶盆区，岩溶地貌在线路区占主导地位，以溶蚀峰丛与溶丘洼地相间地貌，次为构造剥蚀低山地貌，海拔高程在1000～1400m之间，一般相对高差100～200m，在褶曲翼部，由于碳酸盐与碎屑岩相间分布。

冷水村弃土场分8级放坡，坡顶及坡面基本整平，渣顶种植树苗及爬藤植物，植被稀少。坡面植被恢复较差，局部裸露，渣体局部坡面有表层沉降变形，局部冲刷稍严重。弃土场坡脚拟设抗滑桩及挡板墙支护，四周有排水沟。冷水村弃土场典型剖面图见图1。

2.2 工程地质概况

沿线出露地层出露较为完全，自元古界寒武系至新生界第四系均有出露，以二叠系、三叠系碳酸盐岩类地层广泛分布。第四系以粘性土为主，局部土体具弱-中等膨胀性，以溶槽溶沟及洼地分布较为集中。

冷水村弃土场位于贵州省贵阳市白云区都拉布依族乡冷水村，地貌特征为低中山构造剥蚀地貌，地形为近南北向沟梁相间，冲沟深切，总体上三面高、南侧低;冲沟底部坡度较缓，两侧自然坡度10°～40°。沟底为荒地、旱地，植被稀少。表层第四系为红粘土，厚度0～4m，下伏基岩为薄层夹中厚层灰岩、硅质岩、泥页岩互层，偶夹煤线，岩质软硬不均，岩体风化较强烈。渣场不规则，占地面积9.58hm2，设计最大堆渣高度52m，堆渣量230万m3。

根据冷水村弃土场地质勘察资料，弃土场位于三面环山槽谷内，沟底自然坡度小于5°，地质构造为单斜构造单元，无不良地质。堆渣前对沟槽表土进行清除，局部进行换填或加固处理，渣体局部堆渣坡角较陡，地表泉水点已引出渣体外;渣体进行分级放坡，下方设抗滑桩板墙，两侧设排水沟。渣土物质成分以碎块石土为主，碎块石岩性为白云质灰岩、白云岩及泥质白云岩，块径不等。弃土场南侧设有一排抗滑桩（5根），直径2.5m×2.0m，桩内侧有混凝土挡板墙;东西两侧有混凝土排水沟。

2.3 岩土体物理力学参数

冷水村弃土场安全评价勘察采用坑槽探、现场取样、室内试验等方法。冷水村弃土物质成分大多数以碎块石土为主，采取现场大三轴试验确定相应的强度指标。在地质调查基础上，为获取工程设计所需参数需进行室内试验。堆渣体的土体物理力学性质采用室内试验，主要选取的细颗粒土体样品进行室内试验，其物理力学性质统如表1

根据弃土场室内试验成果，结合类似工程经验，冷水村弃土场的渣体物理力学参数的建议值如表2。

3 离散元法稳定性计算

3.1 离散元参数标定

在连续介质力学范畴内，变形、平衡和本构方程必须满足。而这也正好限制了其应用的范畴。对于颗粒离散元理论来说，并不需要满足变形协调方程，这就大大扩展了其应用的范围。在PFC中，主要通过墙体（wall）建立边界，在本次计算中墙体边界主要为基岩与粘性土界线及模型模型左右两侧的竖直边界[5]。

在PFC中，岩土体的宏观参数与细观参数之间并不遵循严格的一一对应关系，对于同一个宏观参数可能有多组细观参数解。细观参数的参数数量越多，模型参数的选取不确定性也就越高。考虑到模型参数的可控性，最终选取线性平行粘结模型进行模拟研究。模型最终生成的颗粒数为64143，颗粒的细观参数见表3。

表3为天然状态颗粒自然堆积下的参数，在暴雨状态下，渣体的粘结强度下降，摩擦系数也会随之下降同时容重增大。在暴雨工况进行计算时将颗粒摩擦系数与连接强度进行折减。

3.2 计算剖面与工况

渣场原地面已进行清表，因此假定原地基是稳定的，且强度指标高于堆渣体，故只需对原地面以上堆渣体进行稳定性分析，计算模型由冷水村弃土场剖面图建立，模型岩土体共分三层分别为灰岩、渣体、粘性土。为了减少颗粒数量提高计算效率，对计算模型进行简化，考虑到基岩产生破坏的可能性较小，在基岩范围内不生成颗粒，将基岩与黏土的界面作为计算模型的下边界。计算模型如图2所示。

规范规定弃土场稳定计算分为正常工况和非正常工况，正常工况是指弃土场在正常和持久的条件下运用，弃土场处于天然弃土状态;非正常工况包括在正常工况下连续降雨期或暴雨条件下。因此，弃土场稳定计算主要包括天然、暴雨两种工况。

3.3 计算结果及分析

3.3.1 天然工况计算结果及分析

在模型达到初始平衡状态后选择坡角处一颗粒的最大不平衡力进行监测作为判断计算是否收敛的判据。根据最大不平衡力的监测数据，在计算进行到0.35×106步后，最大不平衡力趋近于零，模型的计算收敛，体系达到平衡状态。天然工况下计算成果如图3所示。

根据最终渣体的堆积形态，天然工况下渣体在自重作用下产生变形，渣体中部向临空面方向的水平位移最大达到8m。因离散元法中岩土体为不连续介质，计算得到的位移远大于有限元法，但天然工况下变形主要由颗粒间的挤密产生，

抗滑桩未产生变形破坏，也没有发生整体失稳。由此判断，天然工况下冷水村处于基本稳定状态。

3.3.2 暴雨工况计算结果及分析

在暴雨工况进行计算时将颗粒摩擦系数与连接强度进行折减。具体取值为颗粒摩擦系数0.3，法向及切向连接强度均为2e6 Pa。根据最大不平衡力的监测数据，在计算进行到0.6×106步后，最大不平衡力趋近于零，模型的计算收敛，体系达到平衡状态。暴雨工况下计算成果4所示。

根据最终渣体的堆积形态，与天然工况不同，在暴雨工况下渣体产生整体变形，向临空面方向运移并致使抗滑桩产生倾倒，达到新的平衡状态时，颗粒的最大水平位移量接近30m，暴雨工况下冷水村弃土场应处于欠稳定状态。在距坡脚300m处存在一处居民点，暴雨工况下弃土场存在整体失稳的可能，并威胁到居民的生命财产安全。

4 刚体极限平衡法稳定性计算

考虑到渣场堆置因素及渣体不均匀性特点，堆渣体沿原地面滑动的稳定计算采用不计条块间作用力的瑞典圆弧滑动法。由于弃土场一般处于地下水位以上，且堆渣体孔隙率较高，只有降雨时可能形成暂时性地下水，但不易形成或赋存稳定连续的地下水，因此天然工况计算时不考虑地下水渗透压力。对于暴雨工况，在参数取值方面考虑岩土体结构因素和降雨因素，取堆渣体饱和容重及饱和强度参数进行分析[6]。

弃土场边坡稳定性计算成果如表4，稳定性计算参数如表2中对应弃土场的物理力学参数的建议值。

根据刚体极限平衡法的计算结果，冷水村弃土场在天然工况下稳定性系数为1.41，大于正常工况下的安全系数1.35，天然工况下冷水村弃土场处于基本稳定状态;暴雨工况下稳定性系数为1.07，小于非正常工况下的安全系数1.25，暴雨工况下冷水村弃土场处于欠稳定状态。

5 有限差分法稳定性计算

在有限差分软件Flac3D中稳定性系数通常采用强度折减法进行计算。计算模型根据工程地质剖面图等比例建立。本构模型选取的是摩尔-库伦理想弹塑性模型，对滑坡的天然、暴雨工况进行模拟。模型中的岩土体物理力学参数如表2所示，剪切模量、弹性模量、体积模量根据经验进行选取。数值模型底部采用固定约束边界条件，侧边界约束法向方向位移，即所有剖面采用平面应变模式进行分析。

天然、暴雨工况下的计算结果见图5.1、5.2。

计算得出的稳定性系数与刚体极限平衡法计基本吻合，其中，天然工况下稳定性系数为1.39，处于基本稳定状态，暴雨工况下稳定性系数为1.11，处于欠稳定状态，变形主要发生在位于滑坡前缘到中部。综上，冷水村弃土场在暴雨工况产生浅表层溜滑的可能性非常大，且有整体失稳的可能。

6 结论

通过离散元法对冷水村弃土场进行稳定性评价并与刚体极限平衡法、有限差分法进行对比，三种算法的结论基本一致，离散元法计算能够有效地分析弃土场大变形产生的位移与位移后土体的堆积形态，与其他算法进行综合分析，能够更好地对弃土场的稳定性进行分析评价。

计算结果表明，冷水村弃土场在天然工况下处于基本稳定状态，在暴雨工况下处于欠稳定状态。考虑到冷水村渣体堆渣量大，下游300m内有公路和居民点，一旦渣体失稳后影响严重，建议加强支护增加一排抗滑桩并在渣体上均匀布置永久监测墩，应加强暴雨后地表巡查及监测。考虑到渣体局部坡面出现表层沉降及冲刷形成的雨淋沟，建议对表层沉降坡面进行修复[7]，除此外，还需对弃土场按水土保持设计要求，做好弃土场的截排水措施和植被恢复工作。

参考文献：

[1] 谢振安. 山区高速公路弃土场稳定性分析[J]. 运输经理世界， 2021（11）：3.

[2] 任永强. 三峡库区公路建设弃土场选址规划及稳定性评价[D]. 中国地质大学， 2013.

[3] 郑鹤丹， 陈强， 王超，等. 基于Geo Studio弃土场稳定性评估[J]. 四川建筑， 2020， 40（3）：4.

[4] 沈明祥， 罗红明， 刘志鹏，等. 贵州省六盘水至威宁高速公路弃土场稳定性评估[C]// 2019：6.

[5] 刘涛. 公路弃方体稳定性研究与危险性评估[D]. 重庆交通大学， 2018.

[6] 洪振宇， 何玉琼， 李明，等. 不同降雨条件非饱和渗流作用下大型弃土场稳定性分析[J]. 矿业研究与开发， 2021， 41（5）：6.

[7] 钟安祺， 梁春. 一种弃土场整治方法：， CN107724402A[P].

作者简介：常峥（1995～），男，河南南阳人，硕士研究生，助理工程师，主要从事公路工程设计咨询方面工作。