吳起縣薛岔水源地供水水廠周邊高邊坡治理工程設(shè)計(jì)

崔自力，陳前玲

(陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710018)

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吳起縣薛岔水源地供水水廠周邊高邊坡治理工程設(shè)計(jì)

崔自力，陳前玲

(陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710018)

在高邊坡治理設(shè)計(jì)中，如何進(jìn)行治理以達(dá)到邊坡穩(wěn)定，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全，通過(guò)調(diào)查分析和長(zhǎng)期的實(shí)踐總結(jié)，認(rèn)為從削坡卸載、坡面排水、防護(hù)加固及景觀綠化工程等方面對(duì)邊坡進(jìn)行了綜合性治理。利用坡率法對(duì)黃土地區(qū)高邊坡進(jìn)行削坡卸載以確保邊坡穩(wěn)定，坡面排水可防止地表徑流對(duì)坡面及坡腳產(chǎn)生沖刷危害，邊坡防護(hù)加固及景觀綠化工程可起到穩(wěn)定邊坡、防止滑坡、減少水土流失、豐富景觀及美化環(huán)境的目的。

坡率法；坡面排水；防護(hù)加固；景觀綠化

吳起縣位于陜西省延安市的西北部，該縣地處黃土高原黃河中游無(wú)定河和北洛河源頭地區(qū)、毛烏素沙漠南緣，西北鄰定邊縣，東南接志丹縣，東北邊靖邊縣，西南毗鄰甘肅華池縣。吳起縣薛岔水源地供水工程杏樹溝水廠位于吳起縣杏樹溝末端，由于供水工程對(duì)水廠廠址高程的要求，需對(duì)山體進(jìn)行削坡處理，從而形成高達(dá)25～50 m的邊坡。邊坡一旦失穩(wěn)，勢(shì)必影響水廠安全，危及水廠主要設(shè)施和工作人員安全。為了減輕邊坡失穩(wěn)對(duì)水廠的危害，提高薛岔供水工程的安全可靠性，需對(duì)水廠周邊邊坡進(jìn)行處理以達(dá)到安全要求。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

工程區(qū)屬黃土梁峁溝壑區(qū)，由于長(zhǎng)期的沖刷與侵蝕，地表形成了溝谷縱橫交錯(cuò)，梁峁相間分布的黃土地貌景觀，總的地勢(shì)是北高南低。工程區(qū)無(wú)地表水體，地下水類型主要賦存于白堊系下統(tǒng)砂巖裂隙中，水位埋深大于60 m，由于基巖近于水平層狀分布，砂巖、泥巖互層迭置，裂隙稀疏，補(bǔ)給條件差，因而基巖裂隙水難于富集，富水性差。水廠所在區(qū)域及附近100 m范圍未發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。坡體地層從上至下主要為頂部馬蘭黃土、離石黃土和下部新近系甘肅群泥巖。

2　邊坡治理設(shè)計(jì)方案

邊坡工程設(shè)計(jì)包括確定邊坡坡率(坡度)與形狀，以及排水工程、防護(hù)加固工程與景觀綠化工程等設(shè)計(jì)內(nèi)容。

2.1邊坡坡率坡形設(shè)計(jì)

在黃土邊坡治理設(shè)計(jì)中，當(dāng)周邊場(chǎng)地環(huán)境條件允許時(shí)，最常用且較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的工程措施為削坡卸載，其本質(zhì)是改變邊坡滑動(dòng)體滑面上的平衡條件，邊坡的削坡卸載是通過(guò)減少滑坡體的下滑力，從而提高邊坡的穩(wěn)定性，其原理見圖1。本著經(jīng)濟(jì)、施工方便的設(shè)計(jì)思路，邊坡設(shè)計(jì)采用削坡卸載的坡率法。坡率法是指控制邊坡高度和坡度，無(wú)需對(duì)邊坡整體進(jìn)行加固而自身穩(wěn)定的一種人工邊坡設(shè)計(jì)方法。

圖1　黃土邊坡治理原理

2.1.1邊坡坡率綜合坡率確定

根據(jù)工程區(qū)地質(zhì)、地形條件，結(jié)合當(dāng)?shù)匾呀ǔ傻倪吰鹿こ糖闆r，初步擬定綜合坡率1:1.2、1:1.5的兩種削坡方案進(jìn)行分析比較，見表1。

根據(jù)陜北吳起縣黃土區(qū)已有邊坡治理工程經(jīng)驗(yàn)，按工程類比的方法確定黃土每級(jí)邊坡開挖高度控制在10 m以內(nèi)，本次設(shè)計(jì)推薦綜合坡率1:1.2。

結(jié)合現(xiàn)狀廠區(qū)地形，按照少開挖的原則對(duì)坡腳線進(jìn)行平順布置。邊坡削坡工程應(yīng)自上而下有序施工，各級(jí)邊坡控制高度10 m。設(shè)計(jì)一級(jí)平臺(tái)寬5.0 m，一級(jí)邊坡削坡控制坡率1:0.95；二級(jí)平臺(tái)寬5.0 m，二級(jí)邊坡削坡控制坡率1:0.85；三級(jí)以上平臺(tái)寬5.0 m，三級(jí)及四級(jí)邊坡削坡控制坡率1:0.75，五級(jí)邊坡削坡控制坡率1:0.5。

2.1.2邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算

1)工程安全等級(jí)級(jí)安全系數(shù)的確定

水廠周邊邊坡目前主要威脅對(duì)象有：薛岔水源地供水工程杏樹溝水廠及其水廠工作人員(共34人)，邊坡一但整體失穩(wěn)或者部分高陡坎發(fā)生破壞將直接危及水廠及其工作人員生命財(cái)產(chǎn)安全，影響縣城供水安全。按照《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)，一般滑坡防治工程分級(jí)表，確定該邊坡防治工程級(jí)別為Ⅲ級(jí)。

根據(jù)場(chǎng)地重要性和邊坡可能破壞方式，確定本防治工程天然狀態(tài)下設(shè)計(jì)安全系數(shù)Ks≥1.15，連續(xù)強(qiáng)降雨?duì)顟B(tài)下設(shè)計(jì)安全系數(shù)Ks≥1.02。

表1　不同削坡方案工程量及投資比較表

2)穩(wěn)定計(jì)算方法

本次穩(wěn)定性計(jì)算采用SlopeEx1.4邊坡穩(wěn)定性分析軟件，穩(wěn)定計(jì)算采用簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算。

3)參數(shù)選定

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，本工程區(qū)內(nèi)邊坡土質(zhì)主要為：Q32eol黃土、Q2eol黃土狀土、Q11-1L粉質(zhì)粘土,計(jì)算參數(shù)見表1。本次依據(jù)地質(zhì)剖面和相應(yīng)的物理力學(xué)指標(biāo)，選取邊坡高度最高的斷面進(jìn)行了分析計(jì)算。根據(jù)陜北延安地區(qū)降雨特征，暴雨或連續(xù)降雨條件下，雨水對(duì)土質(zhì)斜坡不可能達(dá)到整體飽合狀態(tài)，連續(xù)降雨條件下，雨水對(duì)邊坡最大可能影響深度一般小于2 m，因此，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)按2 m飽和層考慮，2 m以下仍按天然條件下的抗剪強(qiáng)度和天然重度考慮，飽和層穩(wěn)定性計(jì)算巖土參數(shù)見表2。

表2　天然狀態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)表

4)計(jì)算工況

工況1：天然狀態(tài)，取天然重度、天然抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

工況2：連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)下，按地表入滲2 m飽合層考慮，其下按天然狀態(tài)考慮。

5)計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)K，按照《規(guī)范》選取。典型斷面抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果詳見表4。

表3　飽和層穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

表4　典型斷面邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果表

由計(jì)算結(jié)果可以看出，兩種計(jì)算工況邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)K均大于《規(guī)范》允許值，滿足穩(wěn)定要求。

圖2　天然狀態(tài)

圖3　連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)

2.2坡面排水工程設(shè)計(jì)

由于降水產(chǎn)生的地表徑流可能沿坡流向坡腳方向，對(duì)坡腳產(chǎn)生沖刷、落石等危害，影響邊坡工程安全運(yùn)行。對(duì)于坡面降水，設(shè)計(jì)考慮在邊坡坡頂設(shè)置截水溝，各級(jí)平臺(tái)內(nèi)側(cè)均設(shè)置橫向排水溝，并通過(guò)坡面豎向排水溝排入坡腳的排水系統(tǒng)中。

1)排水流量的確定

參照二級(jí)公路路界內(nèi)坡面排水確定本次設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期為10 a，坎頂、馬道截水溝及坡腳排水溝設(shè)計(jì)排水流量按推理公式法[1]確定，計(jì)算公式為：

Q=16.67×C×I×FI=Cp×Ct×I5，10

經(jīng)計(jì)算，吳起水廠高邊坡排水溝排水設(shè)計(jì)流量成果見表5。

2)排水溝尺寸擬定

坡腳排水溝及坡頂截水溝均采用20 cm厚C20混凝土矩形結(jié)構(gòu)，糙率取0.014，本次設(shè)計(jì)坡腳采用坡降最小段i=0.3%；坡頂截水溝高程按照現(xiàn)狀地形布設(shè)，采用坡降最小段坡降i=1%，經(jīng)水力計(jì)算，本次坡腳排水溝尺寸擬定為寬1.0 m，深1.0 m；坡頂截水溝尺寸擬定為寬0.7 m，深0.7 m。

2.3防護(hù)加固工程及景觀綠化工程設(shè)計(jì)

邊坡治理工程設(shè)計(jì)中利用工程防護(hù)措施與生態(tài)防護(hù)措施相結(jié)合的方式對(duì)邊坡進(jìn)行加固及美化。邊坡防護(hù)加固及綠化美化主要起穩(wěn)定邊坡、防止滑坡、減少水土流失、美化環(huán)境、涵養(yǎng)水源，促進(jìn)有機(jī)污染物的降解，起到凈化空氣、調(diào)節(jié)小氣候和豐富景觀的作用[2]。

目前針對(duì)土質(zhì)邊坡的防護(hù)措施主要有：①鋪草皮、三維植被網(wǎng)護(hù)坡等植物防護(hù)；②骨架植草護(hù)坡(漿砌石骨架、現(xiàn)澆磚砌骨架)；③片石護(hù)坡(干砌石和漿砌石)、護(hù)面墻等圬工護(hù)坡形式。

本次邊坡治理在滿足邊坡穩(wěn)定的前提下，本著就地取材、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、生態(tài)美觀的原則，從施工難易程度、工程造價(jià)等方面考慮，采用拱形磚砌骨架植物護(hù)坡進(jìn)行坡面防護(hù)，此種防護(hù)形式亦為當(dāng)?shù)爻Ｓ玫倪吰轮卫碜o(hù)坡型式。

表5　吳起水廠高邊坡排水溝排水設(shè)計(jì)流量計(jì)算成果表

設(shè)計(jì)拱形骨架由主骨架(拱柱)和支骨架(拱骨架)組成，主骨架做成槽形，支骨架做成L型，用以分流排除地表水，主骨架與邊坡水平線垂直，骨架寬62 cm，厚31 cm，底鋪3 cm砂漿，兩側(cè)設(shè)置6 cm厚6 cm高擋水緣，主骨架凈距3.0 m；支骨架呈拱形,拱半徑1.5 m，骨架寬44 cm，厚31 cm，底鋪3 cm砂漿，內(nèi)插設(shè)置6 cm寬6 cm高擋水緣，拱間凈距3.0 m。骨架嵌入整平邊坡坡面以下30 cm，骨架內(nèi)挖窩植草籽。拱形骨架上部鑲邊石與馬道未防護(hù)面銜接處采用機(jī)磚封面封閉，防止水流滲入引起破壞。每三個(gè)拱形骨架設(shè)置伸縮縫一條，縫寬2 cm，縫內(nèi)填充聚乙烯低發(fā)泡沫板，表面涂2 cm厚聚硫密封膏封面。

根據(jù)吳起縣氣候特征，綠化工程擬選植物種類：

(1)護(hù)坡草坪植物，采用冷季型和暖季型草坪植物配合使用，具體可選擇的花草種有：狗牙根(暖季型)、結(jié)縷草(暖季型)、小冠花(冷季型)、白(紅)三葉(冷季型)、高羊茅(冷季型)、林地草熟禾(冷季型)等草種。

2)對(duì)于低灌木可選擇：(1)用于坡面圖案組合的有：紫葉小檗、紅葉石楠、金葉女貞、黃楊、十大功勞、錦雞兒、檸條、紫穗槐、迎春花等。(2)用于獨(dú)立成行孤植的有：木槿、夾竹桃、紫薇、紅柳等。

3　結(jié)語(yǔ)

邊坡治理工程措施可從削坡卸載、坡面排水工程、防護(hù)加固工程及景觀綠化工程等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文基于SlopeEx1.4邊坡穩(wěn)定性分析軟件，對(duì)天然狀態(tài)及連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)下按照坡率法進(jìn)行削坡處理的高邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定計(jì)算分析；坡面排水工程的設(shè)計(jì)可防止地表徑流對(duì)坡面及坡腳產(chǎn)生沖刷危害；邊坡防護(hù)加固及景觀綠化工程可起到穩(wěn)定邊坡、防止滑坡、減少水土流失、豐富景觀及美化環(huán)境的目的。通過(guò)上述工程設(shè)計(jì)，可提高整個(gè)薛岔供水工程的安全可靠性，減輕邊坡失穩(wěn)對(duì)水廠的危害，確保水廠工作人員生命財(cái)產(chǎn)安全及吳起縣人民正常飲用水。

[1]姚祖康.公路排水設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社.2001.

[2]鄭穎人，陳祖煜，王恭先，凌天清.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社.2010.

2016-03-14

崔自力(1985-)，男，陜西西安人，工程師，主要從事水利設(shè)計(jì)工作。

P641.2

A

1004-1184(2016)05-0166-03