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在三峡库区移民城镇建设和地质灾害治理过程中,经常会遇到需要大规模挖方或者削方工程,将会产生大量的弃碴弃土。通常大部分弃碴弃土未经任何处理而随意堆弃,这不仅占用了大量的土地,加剧了山区城市土地不足的状况,而且给城市生态环境带来了很大破坏,并可能造成新的地质灾害事故发生,因而迫切需要修建的专门弃碴场。但是堆积体往往是由一些粒径大小不一的碎块石堆积而成,结构相对比较松散,渗透性较强。弃碴场堆放弃碴弃土后堆积体一般处于欠稳定状态,若不采取有效的防护措施,可能造成新的地质灾害。
本文以库区移民城市巴东县城黄家大沟拟建弃碴堆积体为例,针对该场地的工程地质、水文地质条件和堆积体岩土特性,推测出弃碴堆积体可能的破坏模式,采用不平衡推力法,对回填后堆积体进行稳定性评价,但由于该堆积体处于冲沟环境中,本文还运用饱和-非饱和渗流分析方法,利用数值模拟技术,分析由于冲沟流水作用引起的地下水渗流场变化,求出该堆积体浸润线位置、等势线、渗透坡降等,进一步重点评价了该堆积体在地下水渗流作用下的渗透稳定性。
通过以上研究,得出了以下一些结论:
1.地下水的渗流作用,坡内水位的抬升,是引起堆积体稳定性降低的主要因素。
2.黄家大沟人工堆积体具有坡体结构松散,渗透性较强的特点,在冲沟流水作用下,堆积体后缘水位抬升,随着时间推移,堆积体整体和局部都将处于临界状态,可能发生失稳破坏。
3.运用饱和-非饱和渗流分析方法,采用固定网格法,建立了黄家大沟人工堆积体渗流场分析模型,并对不同工况下的堆积体渗流场进行了数值模拟,得出了堆积体内渗流场的变化规律:
(1)在较短的时间内(水位上升过程中),堆积体后缘的地下水浸润线上升明显较前缘快,堆积体后缘水位的变化对其中部及前缘的影响较小,地下水的渗流还没有完全“传递”到堆积体的前缘部分,具有一定的滞后效应,这主要是由该堆积体的几何尺寸和渗透性质决定的。
(2)水位上升到320m稳定一段时间以后(约30天),浸润线坡度趋于平缓,前缘坡面处水位抬升约1 0米左右,地下水渗流场趋于稳定状态。
(3)从堆积体渗流场总水头的变化看出,堆积体前缘部分水头变化较后缘明显,等水头线在靠近浸润线范围内明显向堆积体前缘凸起,说明靠近堆积体上缘处的渗流场受水位变化影响明显滞后,地下水的渗流场影响范围有限。随着时间推移,到第30天渗流场趋于稳定时,凸起最为明显,说明靠近堆积体上缘部分的地下水逐步渗出,孔隙水压力消散,总水头减小。
(4)后缘水位变化越快,后缘浸润线抬升更加明显,孔隙水压力等压线沿垂直方向上弯曲凸起更加明显,孔隙水压力升高也更快,影响深度增大。堆积体内总水头等值线凸起更为明显,说明水位上升较快时,孔隙水压力消散时间将更长,坡面总水头损失增大。
4.以堆积体的瞬态渗流场的模拟结果为基础,分析了渗流作用下堆积体可能不同滑面的稳定性变化规律:
(1)在较短的时间内,后缘水位的突变对堆积体前缘部分的稳定性影响不大,地下水难以形成稳定渗流,前缘部分的渗流场所受影响较小;水位变化越快,短时间内堆积体前缘渗流场受到的影响就越小,稳定系数下降的越慢。随着时间的推移,堆积体内部渗流场逐渐稳定,堆积体内部地下水浸润线逐步抬升,堆积体内部潜在滑面的稳定性下降明显。并且水位上升的越快,地下水渗流场稳定的时间就越长,浸润线抬升更加明显,稳定性系数降幅越大。
(2)在水位上升后较短的时间内,后缘水位的变化对堆积体整体的稳定性影响不明显。随着时间的推移,堆积体内部渗流场逐渐稳定,地下水浸润线逐步抬升,堆积体沿基岩分界面的整体稳定性下降十分明显,并可能处于不稳定状态。并且水位上升的越快,地下水渗流场稳定的时间就越长,浸润线抬升更加明显,稳定性系数降幅越大。