姜楠 朱天平 赵继伟 张立强

摘 要：降雨入滲对弃渣场稳定性的不利影响具有普遍性，有关规范对连续降雨期弃渣场稳定计算的工况等未作具体规定，各设计、评估单位采用的计算方法不尽一致，为此，对降雨入渗情况下弃渣场稳定计算方法进行了探讨。通过对降雨特征进行分析，认为对季风气候区的弃渣场均应核算连续降雨期边坡的抗滑稳定性。在进行降雨入渗条件下的弃渣场稳定分析计算时，可首先基于水量平衡关系，采用水文分析法计算设计标准暴雨的降雨入渗量，然后将降雨入渗工况计算条件概化成弃渣场上层为连续降雨造成的饱和土、下部仍为自然状态，根据降雨入渗量计算饱和土层的厚度，最后按照地质勘察资料中的天然土、饱和土物理力学参数，采用摩根斯顿-普莱斯法计算降雨入渗条件下弃渣边坡的抗滑稳定安全系数。对南水北调中线一期工程鹤壁段某弃渣场进行实例分析计算，表明该方法具有较好的可操作性，可供类似工况条件下弃渣场稳定计算时参考。

关键词：季风气候区;降雨入渗;弃渣场;稳定计算;水土保持

中图分类号：S157.9 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.020

Discussion on Stability Calculation Method of Spoil Ground Under Rainfall Infiltration Conditions

JIANG Nan1 ， ZHU Tianping2， ZHAO Jiwei3， ZHANG Liqiang1

（1.Henan Water & Power Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450016， China;

2.Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China;

3.North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract：Generally， rainfall infiltration has adverse effect on the stability of spoil ground， however， there is a lack of relevant specifications for the specific working conditions of the stability calculation of spoil ground in the continuous rainfall period， the calculation methods adopted by various design institutes and evaluation units are inconsistent. Therefore， it is necessary to study the stability calculation method of spoil ground under the condition of rainfall infiltration. Based on the analysis of the rainfall characteristics， it was considered that the anti-sliding stability of the slope in the continuous rainfall period should be calculated for the spoil ground in the monsoon climate area. When analyzing and calculating the stability of spoil ground under the condition of rainfall infiltration， the rainfall infiltration amount of the rainstorm under the design standard could be calculated by the hydrological analysis method based on the water balance relationship， then the calculation condition of rainfall infiltration condition was generalized as the saturated soil caused by continuous rainfall in the upper layer of spoil ground， and the lower layer of spoil ground was still in natural state， the thickness of saturated soil layer was calculated according to the rainfall infiltration， finally， according to the physical and mechanical parameters of natural soil and saturated soil in the geological survey data， the Morgenston Price method was used to calculate the safety factor of anti-sliding stability of spoil ground under the condition of rainfall infiltration. Based on the analysis and calculation of the spoil ground in Hebi section of the first phase of the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project， it is shown that the method has good operability and can be used as a reference for the stability calculation of spoil ground under similar working conditions.

Key words： monsoon climate area; rainfall infiltration; spoil ground; stability calculation; soil and water conservation

随着经济社会的快速发展，各地基础设施建设投入不断加大，各类生产建设项目在施工过程中对原地貌造成剧烈扰动并产生大量弃渣，若防护不力，就会造成严重水土流失、破坏生态环境。2015年深圳市“12·20”特大滑坡事故发生后，国家更加重视弃渣场的稳定性评估工作，水利部水土保持司于2016年3月印发了《水土保持设施验收技术评估工作要点》[1]，对堆渣量超过50万m3或最大堆渣高度超过20 m的弃渣场，在水土保持设施验收技术评估时，要求项目建设单位提供相应弃渣场的稳定性评估报告。《水土保持工程设计规范》（GB 51018—2014）[2]规定：对多雨地区的弃渣场，除按正常运用、非常运用两种工况分析弃渣场抗滑稳定性外，还应核算连续降雨期边坡的抗滑稳定性。由于该规范未对“多雨地区”进行定义，因此在进行弃渣场稳定计算时，无法确定弃渣场是否位于多雨地区，是否应进行连续降雨期边坡的抗滑稳定计算，此外，该规范对连续降雨期弃渣场边坡抗滑稳定计算的工况也未作明确规定。为了探索降雨入渗情况下弃渣场稳定计算的工作过程和方法，本文尝试初步确定需要进行连续降雨期弃渣场边坡抗滑稳定计算的区域，进而对降雨入渗条件下的弃渣场稳定计算方法进行探讨，并结合南水北调中线一期工程鹤壁段某弃渣场进行实例分析，以期为类似工况条件下的弃渣场稳定计算提供参考。

1 应分析连续降雨期弃渣场边坡抗滑稳定性的区域

我国气候类型主要分为温带大陆性气候、高原山地气候和季风气候三大类[3]，西北地区（大兴安岭—阴山—贺兰山—祁连山—昆仑山一线以西、以北）属温带大陆性气候区，青藏高原地区（昆仑山—祁连山—横断山一线以南、以西，喜马拉雅山以北）属高原山地气候區，其他地区（大兴安岭—阴山—贺兰山—横断山一线以东、以南）属季风气候区。

季风气候区具有冬季低温干燥、夏季雨热同期的显著特点，降雨多集中在5—9月，即使在多年平均降水量小于800 mm的华北、东北地区，夏季也经常遭遇连续强降雨，如：2016年7月18—21日，华北、东北地区普遍出现连续强降雨，河南、河北两省部分地区降雨量超过500 mm;2018年8月17—20日，受台风“温比亚”影响，华北多地出现连续强降雨，部分地区降雨量超过500 mm，河南、山东、安徽、江苏4省共有15个地市日降雨量超过历史极值。连续强降雨易引发洪涝灾害，影响弃渣场边坡稳定。季风气候区覆盖了我国绝大部分经济社会快速发展地区，区域内城镇、村庄星罗棋布，人口稠密，各类生产建设项目弃渣场数量众多，弃渣场边坡一旦发生滑塌，将对周边环境和人民群众的生产生活产生较大影响，因此对季风气候区的弃渣场，均应核算其连续降雨期边坡的抗滑稳定性。

2 降雨入渗条件下弃渣场稳定计算方法

2.1 降雨对弃渣场稳定性的不利影响分析

降雨对弃渣场稳定性的不利影响包括3种情况：①造成地下水位抬高，地基土强度指标降低;②造成河（湖、水库）水位上升，临河（湖、水库）弃渣场场区部分土体浸水，土体强度指标降低;③降雨入渗导致一定深度范围内的土体含水量增加、强度指标降低。

针对上述第①②种情况，可根据地质勘察资料中的地下水位数据及水文计算（实测）的水位数据对弃渣场进行稳定计算，实现定量化计算的软件较多;针对上述第③种情况，由于降雨入渗量的确定较为困难，因此尚无明确且统一的计算方法。按照《水土保持工程设计规范》（GB 51018—2014）、《生产建设项目水土保持技术标准》（GB 50433—2018）[4]和《水利水电工程水土保持技术规范》（SL 575—2012）[5]的要求，大部分工程项目在弃渣场布设时已尽量避开了河道、湖泊管理范围和水库淹没区，因此在地下水位较低的广大地区，上述第③种情况即降雨入渗对弃渣场稳定性产生的不利影响具有普遍性，是连续降雨期弃渣场稳定计算的重点和难点。

2.2 弃渣场稳定计算方法研究现状

近年来，众多学者针对弃渣场稳定分析计算开展了研究[6-18]，其中：喻葭临等[11]推荐采用简化毕肖普法或摩根斯顿-普莱斯法，认为在滑裂面近似圆弧的情况下简化毕肖普法比瑞典圆弧滑动法具有更高的计算效率和精度，而摩根斯顿-普莱斯法则具有更完备的理论基础且适用于各种滑裂面;郭健等[12]在对某渣场边坡堆载过程中的稳定性进行研究时，根据室内试验和工程类比获取了暴雨状态下的渣土体、覆盖层和基岩的物理力学参数，这种方式选取的参数较为可靠，但获取难度较大，难以在弃渣场设计、稳定性评估等工作中普及。

陈伟等编著的《水工设计手册：征地移民、环境保护与水土保持》[19]列举了位于四川、广东、山西、河南、浙江等5省共10个弃渣场设计案例，其中仅对四川省某电站项目小坝沟弃渣场进行了连续降雨期弃渣场的稳定计算，工况条件为“排水不畅导致水深3 m”，未考虑降雨入渗影响。

2017年南水北调中线干线工程建设管理局组织多家大型勘察设计单位开展了南水北调中线一期工程陶岔渠首—古运河段沿线共计176个弃渣场的稳定性评估工作，针对降雨入渗条件下的弃渣场稳定计算，各评估单位所采用的计算条件、参数和方法不完全统一。在参数选取方面，有些评估单位采用渣土、地基土在饱和状态下的物理力学指标进行计算，虽然参数易获取，但过于保守，与弃渣场遭遇连续降雨时的实际状态有一定差异;有些评估单位根据经验设定折减系数，对渣土、地基土在自然状态下的物理力学指标修正后再进行计算，或根据经验直接设定连续降雨造成的弃渣场上层饱和土厚度，对下部土体仍视为自然状态，按复杂土层进行计算，但此两种算法对参数的经验设定均带有一定的主观性。在稳定计算方法选取方面，多数评估单位采用瑞典圆弧滑动法，个别评估单位采用简化毕肖普法或摩根斯顿-普莱斯法。

降雨入渗导致弃渣场上层土体含水量增加，会形成一定厚度强度指标较低的高含水率土层，使得渣土体为非均质状态，弃渣场边坡的潜在滑动面易呈非圆弧形，因此相比较而言，摩根斯顿-普莱斯法更适用于降雨入渗条件下的弃渣场稳定计算，采用该方法进行稳定计算的首要工作是确定弃渣场上层不同含水率土层的厚度。

2.3 降雨入渗条件下弃渣场稳定计算方法

2.3.1 推求降雨入渗量

影响降雨入渗量的因素主要有降雨（包括降雨量、历时、强度）、蒸发（蒸发量、速率）和下垫面（包括弃渣场表面坡降、平整度、植被覆盖度和土体渗透系数等），其中降雨历时、降雨强度、土体渗透系数与入渗量正相关，蒸发速率和弃渣场表面坡降、平整度、植被覆盖度与入渗量负相关，此外弃渣场表面的植被类型对降雨入渗量的影响也较大。由于影响降雨入渗量的因素较多，且与降雨入渗量难以建立准确的量化关系，因此拟根据水量平衡方程[20]，采用水文分析法推求降雨入渗量，从降雨开始历时为t的累计入渗量采用下式计算：

Ft=Pt-Rt-Et-St（1）

式中：Ft为降雨历时为t的累计入渗量，mm;Pt为降雨历时为t的累计降雨量，mm;Rt为降雨历时为t的累计径流深，mm;Et为降雨历时为t的累计蒸发量，mm;St为降雨历时为t的累计表层填洼量，mm。

降雨期间蒸发作用较弱、蒸发量较小，施工单位在弃渣完成后会按要求对场区进行平整，因此蒸发量和表层填洼量可忽略，式（1）可简化为

Ft=Pt-Rt（2）

对于弃渣场等面积较小的区域，降雨量可采用弃渣场所在区域点雨量。点雨量可根据给定的降雨历时和频率，利用各地区中小流域设计暴雨洪水图集，采用下式计算：

HtP=Ht均KP（3）

式中：HtP为历时为t、设计频率为P的点雨量，mm;Ht均为历时为t的面平均雨量，mm;KP为频率为P的模比系数。

求得弃渣场点雨量后，可根据弃渣场所在地区降雨径流关系曲线查得弃渣场径流量，进而根据式（2）计算弃渣场降雨入渗量。

2.3.2 概化计算条件

遭遇一定强度的连续降雨时，雨水入渗会导致弃渣场上层土体含水量增加，并形成一定厚度的饱和土层，饱和土层以下土体含水状况在一定深度范围内自上而下由饱和含水率逐渐降低至天然含水率，含水率渐变土层以下仍为天然含水率土层。为便于参数选取，将降雨入渗工况计算条件概化为弃渣场上层为连续降雨造成的饱和土、下部仍为自然状态（见图1）。

饱和土层厚度可根据降雨入渗量和地质勘察资料中的土体物理力学参数按下式计算[21]：

hsat=γwFt/（nγw-γdw天）（4）

n=e/（1+e）（5）

式中：hsat为连续降雨造成的弃渣场上层饱和土层厚度，mm;Ft为降雨入渗量，mm;γw为水的重度，kN/m3;γd为土的干重度，kN/m3;n为土体孔隙率;w天為土体天然含水率，%;e为土体孔隙比。

2.3.3 计算抗滑稳定安全系数

根据弃渣场上层饱和土厚度，依照《水土保持工程设计规范》（GB 51018—2014）的有关规定，采用摩根斯顿-普莱斯法计算降雨入渗条件下弃渣场边坡的抗滑稳定安全系数。

3 案例分析

以南水北调中线一期工程鹤壁段某弃渣场为例，进行正常运用工况和降雨入渗工况下的弃渣场边坡抗滑稳定计算。

（1）基本情况。弃渣场位于鹤壁市淇县高村镇，弃渣量约57.1万m3，占地面积约6.2 hm2，弃渣边坡高度约10 m，坡比1∶1.5，渣场顶面较为平整，局部复耕，局部自然恢复有草本植物。弃渣主要成分为中、重粉质壤土，夹有卵石、砾岩及泥灰岩，土质不均，局部含有混凝土块等建筑垃圾。揭露深度范围内地基土为重粉质壤土，黄褐色、棕褐色，可塑-硬塑状，含钙质结核。场区地下水类型为第四系松散岩类孔隙潜水，水位埋藏较深。渣土、地基土的物理力学参数值见表1。

（2）正常运用工况的弃渣边坡抗滑稳定计算。选取图2所示典型剖面（边坡高10 m，综合坡比1∶1.5），采用摩根斯顿-普莱斯法计算正常运用工况下的弃渣边坡抗滑稳定安全系数，结果为1.205。

（3）降雨入渗工况的弃渣边坡抗滑稳定计算。在相关规范中未查到连续降雨期弃渣场边坡抗滑稳定计算应采用的暴雨标准，本文暂参考《水土保持工程设计规范》（GB 51018—2014）中弃渣场拦挡工程的防洪标准，采用50 a一遇3 d暴雨参数，计算的降雨入渗工况的渣土体饱和土层厚度为1 496 mm，坡脚以外原状地面饱和土层厚度为806 mm，见表2。

选取图3所示典型剖面（边坡高10 m，综合坡比1∶1.5），采用摩根斯顿-普莱斯法计算降雨入渗工况的弃渣边坡抗滑稳定安全系数，结果为0.919。

（4）计算结果分析。正常运用工况下的弃渣场边坡抗滑稳定安全系数为1.205，大于规范规定的允许值1.20，说明在正常运用工况下，弃渣场边坡为稳定状态，不会发生滑塌。降雨入渗工况的弃渣场边坡抗滑稳定安全系数为0.919，小于规范规定的允许值1.05且小于1，说明在50 a一遇3 d暴雨的运行工况下，弃渣场边坡将发生失稳滑塌，应采取削坡或挡护措施，以确保弃渣场边坡稳定。

4 结 语

通过对降雨特征进行分析，认为对季风气候区的弃渣场，均应核算其连续降雨期边坡的抗滑稳定性。在进行降雨入渗条件下的弃渣场稳定分析计算时，可首先基于水量平衡关系，采用水文分析法计算设计标准暴雨的入渗量，然后将降雨入渗工况计算条件概化为弃渣场上层为连续降雨造成的饱和土、下部仍为自然状态，根据降雨入渗量计算饱和土层的厚度，最后按照地质勘察资料中的天然土、饱和土物理力学参数，采用摩根斯顿-普莱斯法计算降雨入渗工况的弃渣边坡抗滑稳定安全系数，并以此判断弃渣场边坡的稳定性。案例分析表明，上述方法具有较好的可操作性，可为类似工况条件下的弃渣场边坡稳定计算提供参考。

本文是对降雨入渗工况下弃渣场稳定计算的探讨，提出的方法仍有以下两个问题需进一步研究：①降雨入渗量计算方法，在暴雨过程过于集中、弃渣土体渗透性太强或太弱等情况下，其计算结果不够准确;②对降雨入渗工况计算条件的概化，与实际工况条件有所差异，会导致抗滑稳定安全系数的计算结果精确度不高。

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【责任编辑 张智民】