某尾礦庫庫尾臨時(shí)保通線工程對尾礦庫安全影響論證

曾霄祥，黃廣黎，劉 濤，曹其光，尹清海

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

G4211寧蕪高速皖蘇界至蕪湖樞紐段改擴(kuò)建項(xiàng)目是國家高速公路網(wǎng)的重要組成部分，是落實(shí)長三角一體化發(fā)展規(guī)劃綱要和長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃綱要的重點(diǎn)項(xiàng)目，同時(shí)該路段也是連接安徽省皖江地區(qū)與蘇南、上海等東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的重要通道，對完善區(qū)域交通路網(wǎng)、促進(jìn)沿線經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義。隨著區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交流的不斷增強(qiáng)，原有四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)已不滿足交通發(fā)展需求，迫切需要改善交通運(yùn)輸狀況，提高道路服務(wù)水平。根據(jù)《安徽省交通運(yùn)輸“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，寧蕪高速擴(kuò)容改造已列入“十三五”期間安徽省高速公路擴(kuò)容改建項(xiàng)目的序列中。G4211寧蕪高速皖蘇界至蕪湖樞紐段改擴(kuò)建工程全線采用雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)改擴(kuò)建，為保證施工期間不影響正常交通，局部路段設(shè)置了臨時(shí)保通線路。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，該臨時(shí)保通線從安徽省馬鞍山市某尾礦庫庫尾經(jīng)過，初定方案為在庫尾經(jīng)過路段進(jìn)行填方工程，為明確該應(yīng)急臨時(shí)保通線工程從某尾礦庫庫尾經(jīng)過對尾礦庫的安全影響，需開展臨時(shí)保通線工程對尾礦庫安全影響論證工作。

1 尾礦庫概況

臨時(shí)保通線路經(jīng)過尾礦庫是在廢棄的采礦坑基礎(chǔ)上建立的，占地面積約12畝，北、東、西三面為坡地，南側(cè)筑壩，東西寬約320m，南北寬約230m，該尾礦庫總庫容為8萬m3，最大總壩高5m，壩體內(nèi)外坡比均為1：2，屬五等尾礦庫。該庫西側(cè)坡地上方為居民區(qū)，北側(cè)坡地上方為干選廠，東側(cè)為馬蕪高速公路（大橋段），南側(cè)壩體下游主要為農(nóng)田。該尾礦庫于2006年底治理整治后直接進(jìn)行了閉庫，已閉庫約15年。尾礦庫庫區(qū)內(nèi)多為第四系地層覆蓋，自然植被覆蓋率約90%。庫區(qū)范圍地勢平坦，灘面植被長勢良好，庫區(qū)四周未見滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2 臨時(shí)保通線設(shè)計(jì)概況

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，臨時(shí)保通線庫尾施工采用勁性體樁基礎(chǔ)，填筑土方高約8.66m，路面寬23m，路基左右邊坡坡比為1:1.5。設(shè)計(jì)工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為30cm，該段設(shè)計(jì)工后沉降5cm，墊層厚度0.5m，布置2層正方形土工格柵。

預(yù)制混凝土勁性體采用樁徑0.4m，壁厚60mm，混凝土強(qiáng)度等級C60，抗?jié)B等級不應(yīng)低于S10，最外層的鋼筋混凝土凈保護(hù)層厚度不應(yīng)小于25mm。勁性體施工時(shí)先鋪30cm厚碎石墊層，樁體施工完成后，再施工開挖做樁帽，樁帽以上鋪設(shè)0.5m碎石墊層。設(shè)計(jì)圖見圖1和圖2。

圖1 勁性體橫斷面布置圖

圖2 勁性體平面示意圖

3 庫尾填筑路基段與尾礦庫位置關(guān)系

尾礦庫庫尾填筑路基設(shè)計(jì)位置距離尾礦庫西側(cè)壩體約300m，距離尾礦庫南側(cè)壩體最短距離約200m。尾礦庫與施工路段具體位置關(guān)系見圖3和4。

圖3 尾礦庫與施工路段具體位置關(guān)系示意圖

圖4 尾礦庫與施工路段位置平面示意圖

4 庫尾施工對尾礦庫壩體穩(wěn)定性影響分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，擬在尾礦庫庫尾填筑路基，路基處理具體為尾礦庫庫尾段土方填高約8.66m，路面寬23m，路基左右邊坡坡比為1:1.5，尾礦庫庫尾施工段占地最長段（道路最西側(cè)）約為100m。尾礦庫庫尾填方工程按最大值計(jì)算，共填方量約21217m3。

尾礦庫庫尾施工段路基基礎(chǔ)處理采用勁性體樁，預(yù)制混凝土勁性體采用樁徑0.4m，壁厚60mm，混凝土強(qiáng)度等級C60，抗?jié)B等級不應(yīng)低于S10，最外層的鋼筋混凝土凈保護(hù)層厚度不應(yīng)小于25mm。在尾礦庫庫尾段施工用勁性體樁樁長17m，樁底地層為強(qiáng)風(fēng)化安山巖。設(shè)計(jì)勁性體樁為正方形，布設(shè)間距2.8m，共布設(shè)勁性體樁70根。施工時(shí)先鋪30cm厚碎石墊層，樁體施工完成后，再施工開挖做樁帽，樁帽以上鋪設(shè)0.5m碎石墊層。

根據(jù)該尾礦庫庫尾填筑路基工程特點(diǎn)，填方工程會(huì)直接增加尾礦庫荷載，樁基礎(chǔ)施工會(huì)產(chǎn)生擠土效應(yīng)，因此需要論證荷載的施加及擠土效應(yīng)對尾礦庫的影響。

4.1 勁性體群樁產(chǎn)生的擠土效應(yīng)對尾礦庫安全影響分析

該工程樁基礎(chǔ)處理為群樁，關(guān)于群樁產(chǎn)生的擠土效應(yīng)影響范圍有通過單樁影響疊加計(jì)算得到，有通過群樁特點(diǎn)直接計(jì)算得到，本次論證分別采用兩種方法求勁性體群樁產(chǎn)生的擠土效應(yīng)對尾礦庫壩體影響。

（1）預(yù)制樁打入地基土中需排開相同體積的土體，在打入過程中樁與土體會(huì)產(chǎn)生劇烈的擠壓剪切作用，從而改變土體的應(yīng)力狀態(tài)，在地基土中產(chǎn)生土體位移[1]。通過查閱文獻(xiàn)，有學(xué)者[2]根據(jù)CSAGASETA匯--源理論[3]對單樁成樁引起的土體位移進(jìn)行理論求解，得到單樁成樁引起的土體徑向水平位移公式：

式中：d0為樁徑；L0為樁長；x為距樁軸線距離；z為埋深。

并且認(rèn)為群樁成樁引起的土體水平位移為每根單樁引起的該點(diǎn)位移的線性疊加。

根據(jù)公式可知，距離樁軸線越遠(yuǎn)，擠土效應(yīng)造成的土體水平位移越小。故取距離樁軸線最短距離200m處壩體計(jì)算對其產(chǎn)生的土體位移。計(jì)算壩體表面處水平位移，取z=0，計(jì)算得到壩體表面位移為0。壩高為5m，取z=5m，計(jì)算壩基處水平位移，疊加后得到s=0.59mm，數(shù)值較小，對尾礦庫壩體可忽略。

（2）通過查閱文獻(xiàn)，關(guān)于群樁產(chǎn)生的擠土效應(yīng)對周邊影響范圍的研究包括FLAC-3D數(shù)值模擬及基于項(xiàng)目的現(xiàn)場大規(guī)模試驗(yàn)，其中數(shù)值模擬結(jié)論為群樁施工對土體變形的影響最遠(yuǎn)距離約為35m[4]?；谑┕ろ?xiàng)目的現(xiàn)場大規(guī)模試驗(yàn)結(jié)論為：隨著成樁排數(shù)的增多，擠土擾動(dòng)影響范圍逐漸增大，并趨近于定值，橫向最大影響范圍約為樁徑的88倍，即影響距離x=88d。

該項(xiàng)目采用樁徑0.4m的預(yù)制混凝土勁性體，根據(jù)試驗(yàn)公式得到群樁產(chǎn)生的擠土效應(yīng)對周邊影響距離為35.2m。尾礦庫壩體距離庫尾施工段最短距離200m，大于根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)得到的影響距離公式計(jì)算的35.2m，也大于通過數(shù)值模擬得到的影響最遠(yuǎn)距離的35m，故此次尾礦庫填筑路基工程擠土效應(yīng)不會(huì)對壩體產(chǎn)生影響，對壩體安全性不產(chǎn)生影響。

4.2 填方工程施加荷載對尾礦庫安全影響分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，擬在尾礦庫庫尾填筑路基，施工完成后，尾礦庫庫尾段土方填高8.66m，路面寬23m，路基左右邊坡坡比為1:1.5，尾礦庫庫尾施工段占地最長段（道路最西側(cè)）約為100m。

尾礦庫庫尾填方工程按最大值計(jì)算，共填方量約21217m3。施工完成后，路基土重度取22KN/m3，假設(shè)填筑土方增加荷載全部施加到尾礦庫上，對尾礦庫施加荷載約190.52KN/m2。施加荷載后計(jì)算尾礦庫壩體穩(wěn)定性。

校核計(jì)算工況條件及校核標(biāo)準(zhǔn)：一般來說，壩體的穩(wěn)定性問題主要有三個(gè)方面，一是穿過整個(gè)壩體穩(wěn)定性問題；二是沿坡體和地基接觸面的抗滑穩(wěn)定性；三是穿過邊坡基底的深層抗滑穩(wěn)定性。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般不會(huì)形成第二、三種破壞模式。因此，本次分析尾礦庫壩體的抗滑穩(wěn)定性。

根據(jù)以往勘察資料和壩體現(xiàn)狀情況確定本次計(jì)算剖面，本次穩(wěn)定性分析計(jì)算采用類似工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行，有關(guān)物理力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)計(jì)值選用見下表：

表1 校核計(jì)算物理力學(xué)指標(biāo)

該尾礦庫為五等庫，根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50863-2013）第4.4.1條規(guī)定，利用瑞典圓弧法或簡化畢肖普法對尾礦壩進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。本次計(jì)算采用瑞典圓弧法計(jì)算，計(jì)算選取了一條典型剖面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算壩體的穩(wěn)定性時(shí)，其最小安全系數(shù)應(yīng)滿足規(guī)范要求。本區(qū)基本地震烈度為VI度，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，可不進(jìn)行抗震計(jì)算。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算的荷載，可根據(jù)不同運(yùn)行條件按表2進(jìn)行組合：

表2 尾礦壩穩(wěn)定計(jì)算的荷載組合

注：1荷載類別1系指運(yùn)行期正常庫水位時(shí)的穩(wěn)定滲透壓力。

2荷載類別2系指壩體自重。

3荷載類別3系指壩體及壩基中的孔隙水壓力。

4荷載類別4系指設(shè)計(jì)洪水位時(shí)有可能形成的穩(wěn)定滲透壓力。

5荷載類別5系指地震荷載。

按瑞典圓弧法計(jì)算壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)不應(yīng)小于表3規(guī)定的數(shù)值。

表3 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

施加荷載后，壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見圖5、圖6和表4所示：

圖5 壩體正常運(yùn)行工況計(jì)算結(jié)果簡圖

圖6 壩體洪水運(yùn)行工況計(jì)算結(jié)果簡圖

表4 填筑路基后尾礦庫壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

由穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表4可知，庫尾填筑土方增加荷載后，因荷載施加距尾礦庫壩體比較遠(yuǎn)，壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果沒有改變，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，且有一定的安全儲(chǔ)備。

5 結(jié)論

庫尾施工路段距離尾礦庫壩體最短距離有200m，距離較遠(yuǎn)，而樁基礎(chǔ)擠土效應(yīng)影響距離為35m左右，尾礦庫壩體在其影響范圍之外；通過數(shù)值計(jì)算，庫尾填方施加荷載對壩體穩(wěn)定性無影響。故無論是樁基礎(chǔ)的擠土效應(yīng)還是填方工程直接施加荷載作用均未對尾礦庫壩體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。