棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析及水土保持措施設(shè)計

彭 飛，袁 月

(河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450016)

在生產(chǎn)建設(shè)項目中，主體工程開挖土石方應(yīng)優(yōu)先考慮綜合利用[1]，要求土石方的處理做到挖填平衡或移挖作填以減少借方和棄渣[2]，但實際施工過程當中，考慮到土石方挖填要求、運輸條件、運距及運輸費用等因素，使得挖填土石方難以平衡，產(chǎn)生棄渣，棄渣應(yīng)棄置于專門場地即棄渣場進行堆放，棄渣場是生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失的重點區(qū)域，因此，合理選擇棄渣場棄渣，并進行棄渣場的邊坡穩(wěn)定性分析及水土保持措施設(shè)計是生產(chǎn)建設(shè)項目中水土保持工作的重點內(nèi)容[3-8]。

1 工程及項目區(qū)概況

南水北調(diào)中線鶴壁魚泉調(diào)蓄工程位于豫北地區(qū)鶴壁淇縣境內(nèi)，距離總干渠左岸9 km，總庫容5.27億m3，興利庫容5.01億m3，是一座以調(diào)節(jié)南水北調(diào)供水為主，兼顧抽水蓄能、新能源、水生態(tài)等多功能于一體的調(diào)蓄工程。

項目區(qū)氣候類型屬暖溫帶亞濕潤氣候，多年平均氣溫14.1℃；多年平均無霜期209天；多年平均凍土深度13.05 cm；多年平均大于或等于10℃積溫為4690.7℃；年平均降水量621.7 mm，年最大降雨量1164 mm，年最小降雨量為360.6 mm，降水主要集中在6月～8月，約占全年降水量的60%以上；多年平均水面蒸發(fā)量1583.1 mm；多年平均風(fēng)速為2.6 m/s，最大風(fēng)速10.3 m/s，多年平均大風(fēng)日數(shù)20天。地表土壤主要是褐土、潮土，耕作區(qū)表土厚度約50 cm，非耕作區(qū)地表坡降較大，表土厚度較薄，約為10 cm～30 cm。植被類型屬溫帶草甸，區(qū)域自然植被主要分布于山丘區(qū)，占區(qū)域總面積的40%，人工植被主要分布于平原區(qū)和丘陵區(qū)，占區(qū)域總面積的55%。

工程區(qū)域地震動峰值加速度為0.20 g，地震基本烈度為Ⅷ度，場區(qū)地基土層主要為第四系上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)，上更新統(tǒng)巖性以重粉質(zhì)壤土為主，局部為中粉質(zhì)壤土，中更新統(tǒng)巖性以重粉質(zhì)壤土、卵石、泥卵石為主，局部為粉質(zhì)粘土和中粉質(zhì)壤土。

2 棄渣場選址及堆置情況

本工程棄渣總量820.01萬m3，其中，土渣占比11%、卵石占比24%、石渣占比65%，布置2處棄渣場，分別為1#、2#棄渣場，總占地面積26.58 hm2。

1#棄渣場為平地型棄渣，棄渣量180.00萬m3，占地面積10.83 hm2，位于大壩左岸下游采石坑中，坑底平均高程204.0 m，堆放頂部高程為230.0 m，堆渣高度26 m，采石坑下游側(cè)產(chǎn)生邊坡，棄渣邊坡1∶3，邊坡分3級，第1級、第2級高度均為10 m，第3級高度為6 m，每層分級平臺寬度為3 m，按照堆渣量、堆渣最大高度、棄渣場失事對主體工程或環(huán)境造成危害程度確定1#棄渣場級別為3級。

2#棄渣場為平地型棄渣，棄渣量640.01萬m3，占地面積15.75 hm2，位于壩后，棄渣填于大壩、山體形成的坑內(nèi)，堆渣高度70 m，坑下游側(cè)產(chǎn)生邊坡，棄渣邊坡1∶3，邊坡分4級，第1級～第3級高度分別為20 m，第4級高度為10 m，每層分級平臺寬度為3 m，棄渣場頂面高程為250.0 m，按照堆渣量、堆渣最大高度、棄渣場失事對主體工程或環(huán)境造成危害程度確定2#棄渣場級別為2級。

3 棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析

因本工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，因此本工程棄渣場應(yīng)進行邊坡穩(wěn)定性計算以分析棄渣穩(wěn)定性，穩(wěn)定性計算分為正常運用工況和非常運用工況[1]。

1#、2#棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析采用瑞典圓弧法，按以下公式進行計算：

(1)

式中：b為條塊寬度，m；W為條塊重力，kN；Q、V分別為水平和垂直地震慣性力，kN；u為作用于土條底面的空隙壓力，kPa；α為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，°；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；c′、φ′為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強度指標，kPa；R為圓弧半徑，m。

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告，項目區(qū)勘探范圍內(nèi)共有3種土體單元，其物理力學(xué)性指標建議值見表1。

表1 各土體單元物理力學(xué)性指標建議值表

運用“理正巖土計算6.0”軟件進行棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析，軟件計算結(jié)果包絡(luò)圖見圖1～圖4。經(jīng)計算，正常運用工況、非常運用工況下，1#棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.525、1.399，大于《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》(SL 575-2012)(以下稱《技術(shù)規(guī)范》)規(guī)定的3級棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.20、1.05，因此該棄渣場邊坡抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；2#棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.297、1.194，大于《技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的2級棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.20、1.10，因此該棄渣場邊坡抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，但安全系數(shù)較低，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)措施進行邊坡安全防護。

圖1 1#棄渣場正常運用工況下抗滑穩(wěn)定包絡(luò)圖

圖2 1#棄渣場非常運用工況下抗滑穩(wěn)定包絡(luò)圖

圖3 2#棄渣場正常運用工況下抗滑穩(wěn)定包絡(luò)圖

圖4 2#棄渣場非常運用工況下抗滑穩(wěn)定包絡(luò)圖

4 棄渣場水土保持措施設(shè)計

在棄渣場渣體穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，結(jié)合棄渣場位置、類型、地形、周邊安全、后期利用方向、水文地質(zhì)條件等因素，按照工程措施、植物措施、臨時措施相結(jié)合的水土流失防治模式進行水土保持措施設(shè)計。

4.1 工程措施

4.1.1 表土回覆、土地平整

1#、2#棄渣場區(qū)無可剝離的表土，棄渣時要求將大塊石渣、卵石和垃圾土棄于下層，優(yōu)質(zhì)土棄于上層，棄渣結(jié)束后頂部由外部調(diào)運表土進行回覆，回覆厚度0.3 m，采用74 kW推土機配合人工進行平整。

4.1.2 混凝土擋墻

根據(jù)《技術(shù)規(guī)范》中棄渣場防護工程建筑物級別的規(guī)定，1#棄渣場擋墻級別為4級，邊坡底部采用重力式混凝土擋墻防護，擋墻采用C20混凝土，直墻高1.2 m，寬0.6 m，埋深0.4 m，墻身埋設(shè)Φ75PVC排水管，內(nèi)側(cè)設(shè)碎石反濾層，排水孔間距2 m。

2#棄渣場擋墻級別為3級，邊坡底部采用重力式混凝土擋墻防護，擋墻采用C20混凝土，直墻高1.5 m，寬0.8 m，埋深0.5 m，墻身埋設(shè)Φ75PVC排水管，內(nèi)側(cè)設(shè)碎石反濾層，排水孔間距2 m。

結(jié)合工程地質(zhì)勘查報告，運用“理正巖土計算6.0”軟件進行混凝土擋墻穩(wěn)定性分析，軟件主要物理參數(shù)、計算結(jié)果見圖5～圖10，計算結(jié)果表明正常運用工況、非常運用工況下，1#、2#棄渣場擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾覆安全系數(shù)皆滿足《技術(shù)規(guī)范》的要求。

圖5 1#棄渣場擋墻計算主要物理參數(shù)圖

圖6 2#棄渣場擋墻計算主要物理參數(shù)圖

4.1.3 混凝土截排水溝、擋水土埂

截排水溝設(shè)計流量可按照《技術(shù)規(guī)范》中公式計算，計算公式如下：

Qm=16.67φqF

(2)

式中：Qm為截排水溝設(shè)計流量，m3/s；φ為徑流系數(shù)；q為設(shè)計重現(xiàn)期和降雨歷時內(nèi)的平均降雨強度，mm/min；F為匯水面積，km2。

q=CpCtq5,10

(3)

式中：q5，10為5年重現(xiàn)期和10 min降雨歷時的標準降雨強度，mm/min；Cp為重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)；Ct為降雨歷時轉(zhuǎn)換系數(shù)。公式中的參數(shù)可參照《技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定取值。

結(jié)合水文氣象資料，并確定棄渣場匯水區(qū)域、匯流時間、設(shè)計重現(xiàn)期、降雨強度q5，10等數(shù)據(jù)，最終設(shè)計本工程棄渣場的截排水措施：坡面設(shè)縱橫向C20混凝土排水溝，排水溝開口0.4 m，深0.4 m，壁厚0.15 m；為防止棄渣場周圍山體雨水流入，沿棄渣場頂面及坡面四周設(shè)C20混凝土截水溝，截水溝內(nèi)側(cè)設(shè)擋水土埂及喇叭口，截水溝為梯形，底寬1.2 m，高1.2 m，邊坡1∶1，壁厚0.3 m，擋水土埂頂面寬0.5 m，高0.5 m，邊坡1∶1，人工夯實。

4.2 植物措施

1#、2#棄渣場頂面及邊坡栽植連翹、忍冬、紅楓和雪松，連翹和忍冬株高0.8 m～1.2 m，栽植密度2株/m2，紅楓胸徑3 cm～4 cm、株行距為2 m，雪松高2 m～3 m、株行距為3 m；林下直播種草，草種選用狗牙根，播種量80 kg/hm2。

4.3 臨時措施

對該區(qū)域臨時堆土坡腳處碼放3層裝土編織袋攔擋，單個編織袋裝土后長0.5 m、寬0.3 m、高0.2 m，施工結(jié)束后對裝土編織袋進行拆除，臨時堆土表面采用土工布苫蓋。

5 結(jié)論

針對鶴壁魚泉調(diào)蓄工程棄渣場的選址及堆置特點、區(qū)域自然環(huán)境特點，運用瑞典圓弧法并結(jié)合“理正巖土計算6.0”軟件進行棄渣場的邊坡穩(wěn)定計算，確定本工程棄渣場的穩(wěn)定性符合規(guī)范要求，并在渣體穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，設(shè)計表土回覆、土地平整、混凝土擋墻、混凝土截排水溝、擋水土埂、栽植灌木、栽植喬木、直播種草、裝土編織袋攔擋、土工布苫蓋等工程措施、植物措施、臨時措施相結(jié)合的水土保持措施，措施體系完善，能夠有效控制該工程棄渣場的水土流失，減輕對周邊生態(tài)環(huán)境的不利影響，也可為同類型棄渣場的邊坡穩(wěn)定性分析及水土保持措施設(shè)計提供參考。