基于Massflow进行动力过程数值模拟弃渣场失稳影响预测分析

覃勇勇

【摘 要】一些建设项目弃渣场在堆填过程中未能按设计分层堆弃、摊铺并进行碾压，仅经过简单的场地平整后便完工移交，使得渣体各部位填土成分复杂、压实度差异较大、土体物理力学性质差，存在失稳风险。文章对某弃渣场采用Massflow软件进行动力过程数值模拟，预测其在极端情况下失稳后的影响。该方法可对用地比较紧张和敏感的建设项目弃渣场选址提供决策依据，对弃渣场可能引发的地质灾害进行预测，进而为防治提供依据。

【关键词】弃渣场;滑坡;数值模拟;Massflow;Arcgis

【中图分类号】P642.22 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）04-0060-04

1 弃渣场的基本情况

1.1 弃渣场概况

根据设计、施工、水保监测的相关资料，本文介绍的弃渣场是由高速公路土建工程施工过程中开挖山体产生的弃渣堆积形成。分析地形图可知，弃渣场在堆积之前，该渣场的场地范围为丘陵沟谷地。弃渣场从公路路基左侧山丘后方坡地上游侧开始填筑，往另一端山丘延伸，堆渣结束后渣场大致呈现为斜坡坡度为15°～26°的坡面体。堆渣后对堆积体顶部的台面采取了简单的平整措施，坡面植物恢复效果不佳，呈裸露状态;部分坡脚无拦挡建筑物。弃渣场的实际占地面积约3.32 hm2，实际弃渣量约42.86万m3，最大堆渣高度约47 m。在弃渣堆积过程中原坡面高程逐渐被抬高，通过地质调查，堆填区原坡面高程为280.0～327.0 m，现状堆渣体顶部平台高程为325.0～327.0 m。弃渣场坡脚处高程最低为280.0 m。弃渣场斜坡坡面坡度为15°～26°，前缘综合坡比为1∶2.63，局部较陡坡比为1∶1.82;后缘坡比为1∶2.0;弃渣场堆渣过程基本没有进行系统的碾压，局部在渣土车运输过程或者推土机平整场地过程中受到碾压，因此渣场各部位的密实程度不一。

1.2 地质条件

地形地貌：场地属溶蚀峰丛谷地地貌。弃渣场位于山间沟谷，现状地面高程为278.3～334.3 m。渣堆顶部较平整，边坡坡度较陡，为15°～40°。渣场北侧及西侧紧临农村道路，东北侧呈台阶状分布，坡度约15°，东南侧有一山体阻挡，弃渣堆积于山体山腰处，弃渣场南侧坡度较陡，为30°～40°，坡脚为乔木林地。

地层岩性：根据野外地质调绘，场地内覆盖层主要为第四系人工填土层（Q4ml）、残坡层（Q4e  l+d  l），下伏石炭系下统岩关阶（C1y）灰岩，具体叙述如下。

填土①（Q4ml）：褐黄色，主要成分为强、中风化砂岩、泥质粉砂岩的碎块石，粒径为0.5～25 cm，最大可以达到150 cm，垂向分布不均匀，呈松散～稍密状，局部中密状，回填时间≤5年，未完成自重固结，局部经过压实处理，均匀性较差，并且场地内均有分布，根据对比填筑前的高程，推测厚度为0.50～30 m。

黏土②（Q4el+dl）：灰黄色，稍湿，硬塑状，干强度、韧性较高，含有较多的砾碎石。场地内均有分布，根据钻探揭示和地质调查，厚度为2.0～5.0m。

石炭系下统岩关阶（C1y）中风化灰岩③：灰白色，隐晶质结构，中厚层状构造，节理裂隙发育，岩体较完整，岩芯多呈柱状，少量呈块状。属于较硬岩，岩体完整程度以较完整为主，岩体基本质量等级为Ⅲ类。

地质构造：根据区域地质资料，弃渣场西北侧约2 km为上红花至龙汗岭林场正断层。总体走向为52°～34°，延伸长度约14.50 km，切割石炭系下统岩关阶地层，断层倾角为70°。根据地质调绘结果，弃碴场附近山体岩层产状为336°∠18°，岩体节理裂隙发育，主要发育一组节理为162°∠83°。

水文地质：地下水类型主要为赋存于第四系地层中的孔隙水和碳酸盐岩裂隙溶洞水。孔隙水主要赋存于填土层中，主要接受大气降水补给，靠大气蒸发和向下渗透排泄;碳酸盐岩裂隙溶洞水主要赋存于石灰岩（C1y）溶蚀裂隙中，受大气降水和孔隙水补给，其水量随岩溶发育程度及地下岩溶管道的连通性而变化。在暴雨等工况条件下，雨水未能及时排泄，地表水向下渗流，导致边坡土层含水量增加或达到饱和状态，导致边坡土层的物理力学性能降低，同时地表水下渗产生下渗力，增加土体容重，从而容易引起边坡滑坡或崩塌。

2 影响分析方法与预测

本次弃渣场失稳影响预测主要采用Massflow软件进行动力过程模拟，模拟弃渣场失稳滑坡后滑体运动影响范围及厚度。Massflow是一款基于深度积分连续介质力学模型的地表灾害动力过程仿真软件，可模拟滑坡、碎屑流、雪崩、泥石流等地灾动力演化过程。

2.1 基本假设与方程

大多数滑坡现象在深度方向的速度相对滑体在滑动方向的速度可以忽略不计，同时其碎屑物质的主要粒径远小于垂向深度，故可假定滑坡灾害在运动中垂直于运动方向的物理量例如力、速度、压强等所产生的影响是可以忽略的，基于以上特点对不可压缩流体控制方程在深度方向进行积分操作[1]，将三维简化成二维。

通过Z方向物理量的影响可以忽略及流体密度不随时间演进而变化的假设后，可获得简化深度积分方程如下：

采用时间和空间上具有二阶精度的有限差分法对上述深度积分连续介质的控制方程进行数值求解，用于计算时间步的库朗数Cr定义如下：

2.2 数据前处理

地形数据可通过多种方式获取，尽可能地利用已有测量资料，对已有的测量资料进行复核后在一定误差范围内可以使用，若误差过大则应进行修正或重新测量。若无测量资料，则根据弃渣场规模选定地形图的精度，弃渣场规模较小时，选择精度较高的地形图，弃渣场规模较大时，可选择精度略低的地形图，可采取先粗后细的原则进行模拟预测。精度要求不高的地形图可通过地信系统网站下载30 M、12.5 M、5 M精度的DEM地形数据;当对地形精度有一定要求的评估预测，可采用无人机进行倾斜摄影采集评估测区地形数据，也可通过传统测量手段獲取测区地形数据。

本项目前期已通过传统测量手段进行现场测量，形成常规的dwg格式地形文件，该格式地形文件不能直接运用于软件进行模型创建，需进行一定的前处理后方能导入Massflow软件，从而建立分析模型。本项目利用Arcgis软件对已有的dwg地形文件进行栅格化处理，根据规模、模拟范围选择合适的栅格单元，栅格化处理后的地形为失稳滑前数据1。

结合该弃渣场的地形地貌特点，其上游无汇水，因此其滑动面采用极限平衡的圆弧滑动分析最小稳定安全系数圆弧滑面[2]。将此圆弧以上土体挖除后重新拟合地形，即滑后地形，对滑后地形进行栅格化处理，获得失稳滑后地形数据2。

在Arcgis中将两栅格数据进行相减，得到滑体的物源栅格数据3。将地形数据2和物源栅格数据3转换成ascll格式，此时便完成了渣场失稳影响分析的前处理。本项目弃渣场前处理的成果为栅格单元大小为3 m×3 m，共计47 959个栅格单元的地形和物源数据。

2.3 模型建立

本次预测，计算区块数量为1，计算维度按二维（准三维，X、Y两个方向均进行差分运算），初始流体高度按实际高度考虑;计算过程不考虑侵蚀、密度演化、惯性力;在模拟中不重新划分网格，按初始导入的网格分布进行计算。

X、Y方向的网格数量分别为241个、199个，X、Y方向网格大小均为3 m。将通过上述前处理得到的h、z文件导入并进行地形和流体几何分配，得到三维模型。

模型创建后，对滑体和摩擦面进行材料定义，碎屑流（泥石流、滑坡、雪崩等）有库伦、曼宁、Voellmy等多种物理模型，需根据碎屑流特点选用模型。考虑本项目的实际情况，在上游无汇水面积的前提下，将摩擦模型设定为库伦模型，分别确定黏聚力、基底摩擦系数、孔隙水压力系数、土压力的内摩擦角和基底摩擦角。

根据该弃渣场的规模和模拟范围，初步选定模拟时长为500 s，初始步长为0.05 s，库朗数为0.25。

2.4 计算结果

模型创建好后，软件会自动生成命令流，可通过调整命令流中的有关参数，重新运行即可得到不同参数的结果。按初始输入的参数得到的ascll格式流深（H）计算结果，将此结果导入gis后进行栅格化处理，形成可视化的云图（如图1所示）。

根据计算结果，渣场失稳后往下游呈扇形扩散，扩散至弃渣场下游的100 m左右，扩散后滑体厚度为1～8 m，最厚部位在坡脚下游40～50 m，厚度为8 m，按扩散后滑体厚度作为风险指标，该部位属于失稳风险最大区域;北侧村道亦在失稳影响范围内，村道受滑體影响厚度在1～4 m，受影响程度相对较小，渣场失稳后道路恢复工程量较小。

2.5 敏感性分析

本次敏感性分析，根据《工程地质手册》（第五版），主要基于泥石流与滑坡形成的机理[3]，将若干比较重要的影响因素作为变量（本项目中影响因素不一定有如此变化，仅将考虑此变化进行敏感分析和展示），模拟弃渣场失稳影响变化。结合渣场自身特点，将孔隙水压力系数、黏聚力、土压力内摩擦角作为变量，根据土体中含水量的变化，上述参数变化有一定关联性，因此本项目敏感性分析是基于以上若干参数作为复合变量进行分析，参数变量见成果图底部。

通过改变各组参数变量经软件分析得到500 s后滑体厚度和滑体扩散影响范围成果如图1所示。

2.6 结果分析

通过改变土体水压力系数、黏聚力、土压力、内摩擦角参数复合变量，其本质是改变渣场土体的物理力学参数和由含水量变化引起的孔隙水压力变化，从宏观上来说是改变滑体的流动特性。由上述计算成果可知，含水量增大、土体抗剪强度变低后，滑体扩散范围明显增大，受失稳影响范围将变大;本项目滑体有明显的核心堆积区，核心堆积区下游滑体厚度随距离的增大而减小。

参数1工况失稳扩散范围比初始参数工况大45 m左右，参数2工况为80 m左右;而堆积核心区位置区别不大，但参数1和参数2工况核心区面积明显比初始参数工况大;滑体扩散后最大厚度区别不大，为7～8 m。

3 结论与建议

3.1 结论

本弃渣场失稳分析是基于Massflow软件滑体扩散进行动力过程数值模拟，是对极限平衡理论确定的最危险滑体极端情况下失稳扩散的一个风险预测，预测其影响范围和影响范围内滑体厚度的分布情况。同时，通过敏感性分析可知，渣场失稳分析影响范围受土和水影响较大，土体本身抗剪强度在碎屑流运动扩散过程的摩阻作用，为其向下游发展起到负相关的作用;而水的参与改变了土体的有效抗剪强度性能，使土体具有流体的特点，为其向下游发展起到正向作用。

3.2 建议

根据以上结论，从渣场土体物理力学参数本身和今后运行维护的角度提出建议，达到减小发生失稳的可能性和极端情况下减小失稳的影响范围。

弃渣场在堆填的过程中，建议分层进行摊铺，分层厚度以0.3～0.5 m为宜，每一层进行适当碾压，提高渣体的压实度，从而提升岩土体本身的抗剪强度;有条件的选择较缓的坡度，有碾压工艺的可考虑在1∶1.75～1∶2.5的坡率，每一级边坡高度不高于15 m，没有碾压工艺的建议坡度不大于1∶2.5[4]。

完善弃渣场截、排水系统，建议沿堆渣体顶部边缘、弃渣场坡面边缘修建排水沟，及时将堆渣体周围山坡及渣体顶部汇水导排至沟道下游，排水沟的尺寸应满足暴雨工况条件下的排水要求，减少暴雨时汇水渗入堆渣体，降低渣场土体含水量和孔隙水压力，同时避免进一步地冲刷堆积体及渣场边坡。

裸露的堆积体受雨水的冲刷易在表面形成冲沟，冲沟可成为积水的场所和下渗通道，可通过种植根系较发达的乔木、灌木及草本等植物减少降雨下渗及冲刷，达到固坡稳土的效果，同时减少水土流失。

严格控制在堆渣体顶部修建建筑物或者增加堆渣体顶部荷载的人工活动;避免在堆渣体前缘开挖;定期对坡顶水平位移、垂直位移、地表裂缝等进行巡查，发现危险信号应及时排除[5]。

4 结束语

本文通过某建设项目弃渣场实例，对其利用Mass flow软件进行失稳影响预测的数值分析。这种利用数值分析软件对渣场的失稳影响分析具有多重积极意义：可为用地比较紧张和敏感的建设项目弃渣场选址提供决策依据;对弃渣场可能引发的地质灾害进行预测，进而为防治提供依据。这种影响预测需根据分析对象的重要性和特殊性，搜集合适的基础资料，当面对规模比较大的弃渣场、弃渣场下游有重要防护对象时，则需要大量的观测、检测和现场试验数据，为数值模拟提供率定基础，保证预测的准确性和可靠性。

参 考 文 献

[1]赵程，范宣梅，杨帆，等.金沙江白格滑坡运动过程分析及潜在不稳定岩体预测[J].科学技术与工程，2020，

20（10）：3860-3867.

[2]栾永平，高永强.滑坡稳定性分析方法简介[J].西部探矿工程，2007（9）：35-37.

[3]化建新，郑建国.工程地质手册[M].5版.北京：中国建筑工业出版社，2018：681-694.

[4]GB 50330—2013，建筑边坡工程技术规范[S].

[5]邓建辉，戴福初，文宝萍，等.青藏高原重大滑坡动力灾变与风险防控关键技术研究[J].工程科学与技术，2019，51（5）：1-8.

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