深圳光明新区渣土场滑坡离心模型试验及机理分析

发布时间：2020-08-02 06:46

【摘要】：我国处于快速城镇化阶段,许多大型城市人地矛盾和交通拥堵问题突出,促使这些城市进行大规模地下空间开发和轨道交通建设,产生了大量的工程渣土。目前工程渣土的处置方式以堆填为主,每年数亿吨的渣土被运往渣土场进行堆填,占用了大量土地;同时,许多渣土场未经专业设计且运营过程不规范,导致渣土边坡存在失稳风险,易引发安全事故。2015年12月20日,深圳光明新区红坳渣土场发生滑坡事故,滑坡方量达2.51×106 m3,滑出的渣土覆盖面积达3.8×105m2,滑坡最远距离1100 m。滑坡导致下游工业园33栋建筑物被掩埋或不同程度损毁,73人死亡、4人失踪,直接经济损失达8.81亿元。类似的事故在我国呈多发态势,反映了我们对渣土安全堆填技术的认识不足,暴露出城市建设中的管理不规范。因此,深入认识渣土边坡失稳机理,提出渣土堆填稳定控制方法并规范渣土场设计运营过程,是解决当前问题的关键。本文通过现场勘察、室内单元体试验、超重力离心模型试验、数值和理论分析等方法,对深圳光明新区渣土场边坡滑坡前后的状态、渣土的物理力学性质、滑坡失稳模式和机理进行了系统地研究。通过数值计算分析了坡度、含水率、堆填速度和堆填方式对渣土边坡堆填高度和渣土场容量的影响规律。本文主要工作和相应的成果如下:(1)通过资料收集、现场勘查、室内试验、数值模拟以及理论分析等方法,对深圳光明新区渣土场滑坡失稳过程、设计和堆填过程、水文地质条件和工程地质条件进行了调查,对渣土场填料的基本物理力学性质进行了测试。调查结果表明:深圳光明新区渣土场22个月内共堆填了 580万方的渣土,形成了高度110米的“渣土山”。渣土的主要成分为细粒含量高、渗透系数低的花岗岩风化料。渣土堆填过程中压实不充分,干密度测试结果表明超过80%土样的相对密度小于67%。渣土场汇水面积达0.51km2,场区内缺乏有效的截排水措施,两年内约有53万方水量进入渣土场,导致近70%的渣土被饱和,边坡后方水位升至118米。每月5-7米的高速堆填在下部高含水率、低渗透性土层中产生了较大超孔压。现场多个钻孔中观测到了超孔隙水压力现象,最大超孔压水头接近20米;室内试验表明滑床土体的平均固结度为33%,间接证明了超孔压的存在。最终,渣土场边坡发生了大范围深层低倾角滑坡,滑动面最大深度达50多米。(2)采用渣土主要成分花岗岩风化料配置了不同初始含水率土样,开展了三轴不固结不排水、固结不排水试验,得到了花岗岩风化料不同排水条件下的强度指标。试验结果表明:不固结不排水条件下内摩擦角随着固结围压增加引起的饱和度增加而减小,在等向压缩完成后的饱和度大于0.7时,土样的内摩擦角显著降低至3.4-8.3°,这解释了深圳光明新区渣土场滑坡低倾角的特点。固结不排水条件下花岗岩风化料内摩擦角和粘聚力随初始含水率增加而减小。(3)根据深圳光明新区渣土场边坡滑坡前的状态设计和开展了两组离心模型试验,研究了高水位填土边坡快速堆填时超孔压产生情况和边坡稳定性,模拟了渣土场堆填过程,成功再现了深圳滑坡失稳模式。离心模型试验结果表明:高水位易诱发填土边坡发生坡脚局部失稳,并向上扩展,引发整体滑动;在高含水率填土上快速加载会产生超孔压,超孔压与上覆有效应力的比值为0.54-0.85,总孔压与上覆总土压的比值为0.78-0.91;在高含水率填土区域上部继续堆填导致高含水率填土产生超孔压、软化并向前流动、挤压前部低含水率填土,最终引起大范围深层低倾角滑动,高含水率填土区域在滑坡过程中起控制作用,离心模型失稳模式与原型基本相同。(4)通过对离心试验模型和滑坡原型进行极限平衡分析,反分析得到了离心模型填土的抗剪强度参数和原型失稳工况。抗剪强度反分析结果表明有效内摩察角φ'=22°-27°,与三轴试验结果基本相同。对原型反分析表明,高地下水位和在高含水率区上部快速堆载引起的超孔压共同导致了深圳光明新区渣土场边坡发生深层低倾角失稳。(5)最后,利用极限平衡法分析了花岗岩风化料填土边坡堆填高度和渣土场容量的影响因素,提出了渣土场容量最大化的设计流程和安全运营的控制方法。渣土场设计时应综合考虑填土的含水率、边坡坡度、堆填方式和堆填速度,在保证边坡稳定的情况下实现容量最大化。渣土场运营应重点做好渣土初始含水率控制、排水设施建设以及填速度控制,同时做好水位、位移以及超孔压的监测。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P642.22
【图文】：

渣土,新区,堆填,山脚

图２－１深圳光明新区渣土场滑坡俯视图，照片拍摄于２０１５年１２月２１日逡逑２．３渣土场设计及堆填过程逡逑渣土场位于大眼山山脚，渣土场运行前该处为废弃的采石场（图２－２ａ）。据卫星遥感逡逑影像显示，渣土场东、南、西三面环山封闭，北面狭窄，整体成南北展布的“凹槽”状，逡逑“凹槽”底部高程在４０？５０邋ｍ之间，“凹槽”入口高程约６０邋ｍ。根据２０１３年卫星图片和逡逑地形图估计，采石坑内积水约９ｘｌ０４ｍ３。２０１３年８月８日，绿威公司中标红坳渣土场运营逡逑服务项目。２０１４年２月２１日，光明新区城市管理局向绿威公司核发《临时受纳场地证》，逡逑红坳渣土场开始建设运营。逡逑１１逡逑

渣土,初步设计,堆填,方案

（ｃ）邋２０１５邋年邋１２邋月邋１８邋日，Ｐｌｅｉａｄｅｓ邋图像逡逑２．３．１初步设计方案逡逑渣土场初步设计方案如图２－３所示（参考《光明新区红坳余泥渣土受纳场水土保持方逡逑案报告书》），初步设计方案将渣土场堆填体划分为１０级平台，其中第一级平台高６５米，逡逑第十级平台高１５５米。渣土场渣土体堆放顺序为先北后南、由下往上堆填，每１０米形成逡逑１级平台。堆填体填埋采用１：２．５坡度（２１．８°邋），除第一级台阶平台宽５米，其他各级平逡逑台宽３米，总体边坡角度约２０°。采用分层堆放，每层填土厚度不得超过５０ｃｍ并及时碾逡逑压，碾压压实度要达到９０％以上。边坡及坡顶３０ｍ范围内回填的弃土必须选择土质较好、逡逑含水量较低的砂性山皮土或碎块石土进行回填，粘性土含量不超过３０％。边坡坡面复绿采逡逑用植草防护，表面覆盖无纺布以防止雨水冲刷。每级台阶上设有排水沟，９５ｍ和１２５ｍ高逡逑程处

过程图,渣土,堆填,填方

２．３．２．１堆填方董估算逡逑未经进一步的详细设计和安全论证，渣土场于２０１４年２月开始运营。根据渣土场城逡逑管台班记录不完全统计（图２－４），邋２０１４年９月到２０１４年１１月，进场车辆数２６０２４辆，逡逑以每车２６邋ｍ３计算（下同），填方量６．７７ｘｌ0５ｍ３。２０１４年１２月至２０１５年３月渣土场因水逡逑土保持和环评问题处于停工整改状态，因此没有台班记录。２０１５年４月到２０１５年９月，逡逑进场车辆数３１７８６辆，填方量８．２６ｘｌ0５邋ｍ３。２０１５年１０月到２０１５年１１月，进场车辆数逡逑１０８８２辆，填方量２．８３ｘｌ0５ｍ３。在这有记录的１１个月中，累计填方１．７８６ｘｌ0６ｍ３，每月填逡逑方邋１．６ｘｌ0５ｍ３。逡逑１６０逦逦—ｐｍ邋１00逡逑Ｍｏｎｔｈｌｙ邋ｎｕｍｔ＾ｏｒ逡逑１４０邋－逦Ｚ逡逑—逦＾邋Ｃｕｍｕｉａｔｉｖｅ邋ｎｕｍｂｅｒ逦／／逦￣邋８０逦＾逡逑Ｅ逦—？—邋Ｍａｘｉｍｕｍ邋ｅｌｅｖａｔｉｏｎ逦／逦▲逦？逡逑ｃ邋１２０逦－逦＾逦：逡逑１逦．邋ｙ＾逦／邋－６０邋｜逡逑！卜邋／邋一，逦－４0ｉ逡逑２邋６０邋；邋／邋／逦：２。逡逑４０邋逦ＩＩ邋＾邋＿邋Ｉ邋■■■■！邋0逡逑１１２Ｉ３Ｉ４Ｉ５Ｉ６Ｉ邋７ｌ８＇９ｈ0ｌｌ１ｌｌｄ邋ｌｌ２ｌ３Ｕｌ５ｌ６＜邋７Ｉ８Ｉ９Ｉ１０Ｈ１Ｉ１Ｉ逡逑２０１４逦Ｉ逦２０１５逡逑Ｄａｔｅ邋（ｍｏｎｔｈ）逡逑图２４渣土场进场车辆数不完全统计逡逑根据Ｇｏｏｇｌｅ地球影像资料，截至２０１４年１１月中旬，渣土场底部完成了邋１－４级台阶逡逑修筑，其中第四级台阶高度约为９５ｍ，中部堆体高程?

【参考文献】