某泥石流溝道棄渣場防護(hù)設(shè)計(jì)方案研究

李瑞鴻，李躍強(qiáng)

(中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

在水利水電工程施工過程中，受地形和施工條件的限制，有時(shí)不得不考慮將棄渣置于工程區(qū)附近的泥石流溝道內(nèi)，也因此埋下了一定的安全隱患。一方面，棄渣場渣體可能會受到泥石流活動(dòng)的影響，對棄渣場自身的安全穩(wěn)定性造成威脅；另一方面，棄渣場棄渣后將影響泥石流順暢通行，若棄渣場失穩(wěn)，很可能會成為泥石流主要物源，使得溝道內(nèi)物源總量和不穩(wěn)定物質(zhì)顯著增多，從而加重泥石流危害[1]。這就對泥石流溝道棄渣場的防護(hù)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，在設(shè)計(jì)過程中需充分考慮泥石流因素的影響，以確保棄渣場的安全穩(wěn)定性[2-8]。

1 棄渣場概況

棄渣場位于新疆某水電站工程引水發(fā)電洞施工支洞進(jìn)口的一處泥石流溝道內(nèi)，在施工支洞進(jìn)口附近選擇一處避開溝道主流方向且較為平坦的坡地作為棄渣地點(diǎn)，棄渣場類型為坡地型，堆渣量約5.5萬m3，最終堆渣頂高程2710.5m，占地面積1.10hm2，最大堆渣高度15.5m，設(shè)計(jì)堆渣坡比為1∶2.5，在擋渣墻后2695.5和2700.5、2705.5m高程分別設(shè)置一道寬度為2m的馬道。

1.1 棄渣場級別及防護(hù)工程級別

依據(jù)SL 575—2012《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》[9]，棄渣場級別為5級，對應(yīng)的攔渣工程(攔渣壩)級別為5級，排洪工程級別為5級。

1.2 防洪標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)SL 575—2012，該棄渣場防護(hù)工程防洪標(biāo)準(zhǔn)按10～20a一遇設(shè)計(jì)，20～30a一遇校核。考慮到該棄渣場若發(fā)生崩塌、滑坡，可能誘發(fā)泥石流，依據(jù)DZ/T 0239—2004《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，該棄渣場防治工程安全等級為3級，防洪標(biāo)準(zhǔn)按30a一遇設(shè)計(jì)，50a一遇校核。

結(jié)合該棄渣場實(shí)際情況，最終確定設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30a一遇，相應(yīng)洪峰流量為22.4m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，相應(yīng)洪峰流量為29.3m3/s。

1.3 地質(zhì)條件

1.3.1地形地貌

棄渣場所在泥石流溝道地勢北高南低，堆渣區(qū)域高程2695～2710m，是一個(gè)比較寬緩的斜坡，上游670m處為2條支溝交匯點(diǎn)，2條支溝溝底高程分別為2800～3030、2800～3165m，山包頂部高程為3554.7m。溝底平均坡降分別為252‰、434‰，溝域的匯水面積為4.15km2，落差較大，溝谷呈“V”字形峽谷地貌。由于基巖大多裸露，溝底有少量的洪積砂礫石，降雨或積雪融水很快匯入溝底，以地表徑流或潛流的形式匯入下游河道。

1.3.2地層巖性

攔渣壩壩址部位巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)見表1—2。

表1 壩基覆蓋層地質(zhì)參數(shù)建議值

表2 壩址巖體地質(zhì)參數(shù)建議值

1.3.3水文地質(zhì)

本區(qū)地處高寒干旱地區(qū)，年降水量少，蒸發(fā)量大，從水文地質(zhì)環(huán)境方面判斷，高山區(qū)地下水較貧乏，盆地、河谷地帶地下水豐富。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查推測，若發(fā)生50a一遇暴雨，其將會帶動(dòng)棄渣和溝內(nèi)活動(dòng)物源，從而發(fā)生稀性泥石流的概率較大。

1.3.4構(gòu)造與地震

根據(jù)該水電站所做的工程場地地震危險(xiǎn)性評估成果，50a超越概率10%水平向峰值加速度值為0.24～0.35g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。

根據(jù)DL 5073—2000《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]判別，工程區(qū)場地土類型屬Ⅱ類中硬場地土，最大凍土深度1.77m。

2 棄渣場防護(hù)設(shè)計(jì)方案

2.1 泥石流主要特征值計(jì)算

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及研究分析，棄渣場所在溝道泥石流為水石型稀性泥石流，屬于中低頻-水砂型-暴雨-溝道型泥石流，規(guī)模為中型。

參照DZ/T 0239—2004、DZ/T 0226—2006《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》[12]、《泥石流防治工程技術(shù)》[13]進(jìn)行計(jì)算。

泥石流洪峰流量:

Qc=(1+φ)·Qp·Dc

(1)

式中，Qc—50a一遇的泥石流洪峰值流量，m3/s；QD—50a一遇的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量，m3/s；(1+φ)—可查表確定；Dc—泥石流堵塞系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，泥石流洪峰流量為46.21m3/s。

一次泥石流過程總量：

Q=K·T·Qc

(2)

式中，K—系數(shù)；T—泥石流歷時(shí)；其余變量含義同前所述。

經(jīng)計(jì)算，一次泥石流過程總量為16800m3。

一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量：

QH=Q·(γc-γw)/(γH-γw)

(3)

式中，γc—泥石流重度；γw—清水重度；γH—泥石流中固體物質(zhì)比重。

經(jīng)計(jì)算，一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量為6109m3。

泥石流流速：

(4)

式中，n—清水河床糙率系數(shù)；R—水力半徑，一般可用平均水深H代替，m；I—泥石流水力坡度，一般可用河床縱坡代替，‰。經(jīng)計(jì)算，泥石流流速為7.18m/s。

泥石流沖擊力：

(5)

式中，δ—泥石流體整體沖擊壓力，kPa；α—建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角，(°)；λ—建筑物形狀系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，泥石流沖擊力為109.8kPa。

2.2 防護(hù)方案布設(shè)

在堆渣坡腳設(shè)置漿砌石擋渣墻，在棄渣場上游設(shè)置截(排)水溝，并按照穩(wěn)定坡比進(jìn)行棄渣堆置，堆渣外邊坡設(shè)置框格梁植草護(hù)坡，以確保棄渣場自身安全。在棄渣場下游溝道內(nèi)設(shè)置3道漿砌石重力式攔渣壩，第1道攔渣壩攔粗排細(xì)，第2道和第3道攔渣排水，攔截棄渣和泥石流固體物質(zhì)，消減潛在的泥石流流量，降低因棄渣場失穩(wěn)可能引發(fā)的泥石流危害。

2.2.1棄渣場防護(hù)方案

沿堆渣區(qū)域上游修建漿砌石截水溝，沿?fù)鯄敽笃脚_和2705.5m高程馬道分別設(shè)置一道馬道排水溝，將匯水平順引至溝道內(nèi)。截水溝為梯形斷面，采用漿砌石結(jié)構(gòu)，下設(shè)10cm碎石墊層，兩側(cè)邊坡系數(shù)均為0.5，凈斷面尺寸1.2m(寬)×1.0m(高)，壁厚0.4m；馬道排水溝為矩形斷面，采用漿砌石結(jié)構(gòu)，下設(shè)厚度為10cm的碎石墊層，凈斷面尺寸0.5m(寬)×0.5m(高)，壁厚0.4m，截(排)水溝材料均為M10水泥砂漿砌筑塊石，塊石強(qiáng)度等級不低于Mu30。

沿堆渣坡腳設(shè)置漿砌石擋渣墻，擋渣墻頂標(biāo)高2695.5m，高度2.3m，基礎(chǔ)深度1.8m，頂寬0.6m，底寬2.86m，面坡鉛直，背坡坡度為1∶0.7，下設(shè)100mm厚的碎石墊層，墻身設(shè)φ10cmPVC排水管，比降5%，向下游傾斜，排水管水平間距2m，排水管入口設(shè)置反濾包，擋渣墻及基礎(chǔ)材料均為M10水泥砂漿砌筑塊石，塊石強(qiáng)度等級不低于Mu30。墻身和截(排)水溝每隔10m設(shè)置一道伸縮縫，地質(zhì)變化及轉(zhuǎn)折處增設(shè)沉降縫，縫寬2cm，采用縫內(nèi)填充低發(fā)泡聚乙烯閉孔泡沫塑料接縫板。

對堆渣外坡面采取混凝土框格梁植草護(hù)坡，混凝土框格梁寬度0.5m，深度0.4m，框格采用菱形骨架，菱形骨架每個(gè)單元尺寸為2m×2m，框格內(nèi)覆土植草綠化，覆土厚度為10cm。

2.2.2防護(hù)工程(攔渣壩)

根據(jù)泥石流主要特征值計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合該溝道泥石流特點(diǎn)和地形條件，按照“多級攔擋，降低溝谷縱坡”的原則設(shè)置3道攔渣壩。棄渣場防護(hù)工程平面布置如圖1所示。

圖1 棄渣場平面布置(單位：m)

第一道攔渣壩采用多孔壩，下游面立視圖、溢流壩段和非溢流壩段典型剖面分別如圖2—4所示。

圖2 1#攔渣壩下游面立視圖(單位：m)

圖3 1#攔渣壩非溢流壩段典型剖面圖(單位：m)

圖4 1#攔渣壩溢流壩段典型剖面圖(單位：m)

第2道和第3道攔渣壩下游面立視圖、溢流壩段和非溢流壩段典型剖面圖分別如圖5—7所示。

圖5 2#和3#攔渣壩下游面立視圖

圖6 2#和3#攔渣壩非溢流壩段典型剖面圖(單位：m)

圖7 2#和3#攔渣壩溢流壩段典型剖面圖(單位：m)

2.3 穩(wěn)定性分析

2.3.1棄渣場穩(wěn)定性分析

依據(jù)SL 575—2012，采用簡化畢肖普法，對棄渣場進(jìn)行正常運(yùn)用工況和非常運(yùn)用工況(地震、連續(xù)降雨)下的對渣體邊坡及地基的抗滑穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

對擋渣墻進(jìn)行正常運(yùn)用工況和非常運(yùn)用工況(地震、連續(xù)降雨)下的抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定行、基底應(yīng)力及基底應(yīng)力不均勻性計(jì)算，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

2.3.2攔渣壩穩(wěn)定性分析

采用剛體極限平衡方法，對1#攔渣壩、2#攔渣壩和3#攔渣壩分別進(jìn)行空庫過流和滿庫過流2種工況下的抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定及基底應(yīng)力分析，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

本文泥石流溝道棄渣場采用棄渣場自身防護(hù)和下游泥石流排導(dǎo)方案相結(jié)合，形成綜合防護(hù)措施體系。其中，棄渣場自身防護(hù)為常規(guī)防護(hù)措施，在施工前進(jìn)行表土剝離，施工期間，對剝離表土采取臨時(shí)攔擋和苫蓋措施，沿棄渣場上游修建截水溝，在堆渣外坡面設(shè)置馬道排水溝，在堆渣坡腳布置漿砌石擋渣墻，堆渣結(jié)束后，對堆渣外邊坡設(shè)置框格梁植草護(hù)坡，最終渣頂面回填表土、喬灌草恢復(fù)植被。泥石流排導(dǎo)防治方案確定難度較大，需要結(jié)合溝道自身的泥石流特點(diǎn)、地形條件、現(xiàn)場調(diào)查和研究分析后最終確定，本工程根據(jù)泥石流主要特征值計(jì)算結(jié)果、泥石流特點(diǎn)和溝道地形條件，按照“多級攔擋，降低溝谷縱坡”的原則設(shè)置3道攔渣壩，起到了很好的災(zāi)害防治效果。