高臺(tái)階排土場(chǎng)攔擋壩防治泥石流穩(wěn)定性計(jì)算分析

張建明

(甘肅鏡鐵山礦業(yè)有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引言

鏡鐵山黑溝礦開(kāi)采形式為露天開(kāi)采，排土場(chǎng)位于露天采場(chǎng)的南部，排土場(chǎng)所處地形山高坡陡，單臺(tái)階高差大，坡降大，屬典型的高臺(tái)階排土場(chǎng) 。隨著礦山持續(xù)剝采礦石，排土場(chǎng)的穩(wěn)定性下降，發(fā)生高速碎屑流的可能性加大，大量松散物質(zhì)堆積于南溝溝道，為大規(guī)模泥石流的形成提供了大量的松散物源。為防止大規(guī)模泥石流的發(fā)生，礦方?jīng)Q定立項(xiàng)建設(shè)攔擋壩等工程進(jìn)行綜合治理。以黑溝高臺(tái)階排土場(chǎng)建設(shè)攔擋壩為例，探討攔擋壩的剛性和柔性組合的結(jié)構(gòu)形式，分析壩體的受力特點(diǎn)，荷載組成及受力的變化，對(duì)攔擋壩的穩(wěn)定性進(jìn)行分類(lèi)計(jì)算，并通過(guò)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較取值，分析和討論，總結(jié)出一套穩(wěn)定可信的計(jì)算方法，確保高臺(tái)階攔擋壩在運(yùn)營(yíng)使用過(guò)程中的安全性和可靠性，為高臺(tái)階排土場(chǎng)泥石流治理提供科學(xué)可行的治理方案。泥石流的有效流域面積分析見(jiàn)示意見(jiàn)圖1。

圖1 泥石流的有效流域面積分析

1 攔擋壩的形式

隨著礦山開(kāi)采規(guī)模變大，為保證礦山安全持續(xù)生產(chǎn)，應(yīng)充分利用排土場(chǎng)坡腳溝道內(nèi)7道攔擋壩以及溝口排導(dǎo)槽。排土場(chǎng)發(fā)生遠(yuǎn)程碎屑流滑坡對(duì)下游的沖擊破壞很?chē)?yán)重，利用原有部分?jǐn)r擋壩(3#～6#)進(jìn)行碎屑流的部分消能，在原有壩體對(duì)泥石流的防治工程措施基礎(chǔ)上(主要功能是“消能”、“濾砂和排水”)，新建一大型混凝土+格賓石籠壩，不僅可滿(mǎn)足庫(kù)容的需求，同時(shí)也對(duì)高速碎屑流起到消能作用。對(duì)于新建壩體，其抗沖擊能力及穩(wěn)定性要求要提高，應(yīng)滿(mǎn)足對(duì)高速碎屑流的有效攔截及環(huán)境保護(hù)的要求。

2 攔擋壩的消能作用

泥石流的既有治理中，建設(shè)了多級(jí)攔擋壩防范泥石流災(zāi)害，原設(shè)計(jì)也校核了攔擋壩在運(yùn)營(yíng)期間的抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性。這表明既有攔擋壩穩(wěn)定性均滿(mǎn)足泥石流攔截過(guò)程中的相關(guān)要求。

通過(guò)排土場(chǎng)既有資料三維滑動(dòng)數(shù)值模擬，分析既有攔擋壩位置處，受到排土場(chǎng)災(zāi)變后的廢石流動(dòng)沖擊力和速度，認(rèn)為既有的多級(jí)攔擋壩可起到分級(jí)消能作用。

攔擋壩凸出在滑動(dòng)路徑上，剪切面(帶)巖橋效應(yīng)明顯，一方面，通過(guò)增大滑動(dòng)基底的摩阻力提高抗滑力；另一方面，消耗排土場(chǎng)滑坡碎屑體的高勢(shì)能轉(zhuǎn)化的動(dòng)能，減小滑動(dòng)距離。通過(guò)攔擋壩對(duì)碎屑流的(剎車(chē))減速作用，攔截了部分下滑的排土料，導(dǎo)致部分廢石顆粒的沉積，起到阻礙滑坡體的縱向自由(無(wú)障礙)擴(kuò)散。其結(jié)果是，減少了繼續(xù)下滑的廢石碎屑的速度和體量(規(guī)模)，從而控制災(zāi)害影響范圍(覆蓋面積和距離)。

然而，對(duì)路徑上的流動(dòng)物質(zhì)，攔截效應(yīng)迥異。對(duì)于滑坡產(chǎn)生的干性碎屑流，受流動(dòng)路徑上的凸出地面的壩高制約。滑坡體中，速度較快粒子(即廢石塊體)滑動(dòng)至攔擋壩前，被攔擋壩快速消能，堆積在攔擋壩前。由于滑坡體量較大，后續(xù)塊體先后越過(guò)壩前堆積體表面、攔擋壩頂，朝下游移動(dòng)，并被下一級(jí)攔擋壩消能。經(jīng)過(guò)多級(jí)消能，表層具有越壩能力的高速粒子變成低速粒子，堆積在下一級(jí)壩前。通過(guò)減速和部分顆粒沉積的過(guò)程，攔擋壩實(shí)現(xiàn)阻攔排土體的作用。

對(duì)于干性碎屑流，現(xiàn)有實(shí)例表明，流動(dòng)區(qū)層厚遠(yuǎn)大于泥石流，一般達(dá)到10～15m，這一點(diǎn)，無(wú)論是深圳滑坡，還是南芬鐵礦馮家東溝滑坡，基本類(lèi)似。因此，較小壩高，僅能攔截壩高范圍內(nèi)的“流體”，而流動(dòng)體的上層部分，則直接翻越壩頂，繼續(xù)無(wú)阻礙的“流動(dòng)”。其結(jié)果是，雖然在能量上可部分消耗，但體量上則效果不明顯。要控制災(zāi)變范圍，就必須同時(shí)滿(mǎn)足“體量攔截”和“能量消耗”，以壩體具有庫(kù)容和抗沖擊性為表征。

3 泥石流堆積規(guī)律

按照堆積規(guī)律，即碎屑流龍頭和流通段堆積角的不同，從流體動(dòng)力學(xué)角度，由于存在廢石碎屑對(duì)壩體的沖擊、爬升，進(jìn)而翻越導(dǎo)致漫頂?shù)膭?dòng)力過(guò)程，一般只考慮半庫(kù)運(yùn)行，這是攔擋壩區(qū)別于常規(guī)重力式擋墻只考慮靜力(主動(dòng)或被動(dòng)土壓力)的最大區(qū)別。

泥石流具有突發(fā)性，當(dāng)泥石流的3個(gè)條件同時(shí)具備，泥石流就會(huì)發(fā)生。以黑溝排土場(chǎng)為例，首先在排土場(chǎng)上部迅速下泄，運(yùn)動(dòng)速度在排土場(chǎng)上部達(dá)到最大，向?qū)γ嫔襟w沖擊，沖向?qū)γ嫔襟w是爬升階段。該階段堆積厚度加快，過(guò)程速度較快，爬升到最高處后減速向南溝下游流動(dòng)，向南溝下游，緩慢堆積, 達(dá)到最大值之后，逐步向下游推進(jìn), 呈現(xiàn)堆積緩坡，形成一定的坡降，坡降逐漸變緩，速度逐漸降低，在下游堆積區(qū)前沿，厚度變化加快變薄，呈現(xiàn)“沖積扇”的特征，沿主要流動(dòng)區(qū)坡降方向向下游推進(jìn)，最終由于攔擋壩的攔擋作用下停滯于攔擋壩上游。

根據(jù)泥石流的流動(dòng)特性，近似繪制出黑溝排土場(chǎng)發(fā)生高速碎屑泥石流的堆積特征，見(jiàn)圖2。

圖2 攔擋壩、碎屑堆積體、原始溝谷地面縱斷面

4 攔擋壩的穩(wěn)定性計(jì)算及結(jié)果

4.1 攔擋壩設(shè)計(jì)方案

——混凝土壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：1)壩體高度37.3m，頂寬2m，上游面坡比1:0.15，下游坡比1:0.30，上部采用C25混凝土，下部采用C25混凝土加片石；2)壩肩與山體采用樁基連接，樁基深入壩體2m，深入基巖4m；3)混凝土壩體壩肩兩側(cè)嵌入基巖2m，松散坡積物處嵌入5m，冰磧體等膠結(jié)較好的第四紀(jì)堆積物處視實(shí)際情況嵌入3～4m；4)基礎(chǔ)采用強(qiáng)度等級(jí)為C40混凝土澆筑。

——格賓壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：1)壩體高度36.7m，頂寬2m，上游面坡比1:0.5，下游與混凝土壩體和B2壩體用錨桿連接，格賓廢石壩與鋼筋混凝土過(guò)渡接觸面坡度為1:0.15，格賓壩體采用HRB400級(jí)直徑16mm鋼筋點(diǎn)焊，以保證整體性，格賓結(jié)構(gòu)將B2壩體覆蓋；2)采用錨固樁與山體完整基巖連接，錨固樁與格賓壩體采用焊接，錨固樁嵌入完整基巖3m，嵌入格賓壩體2m，錨桿與格賓焊接連接；3)格賓結(jié)構(gòu)壩體地基采用錨固樁固定連接。

——混凝土壩體采用邊長(zhǎng)1m鏤空結(jié)構(gòu)排水涵洞用于排水，B2壩體與混凝土壩體之間采用漿砌石排水設(shè)施。

——混凝土壩體采用HRB400級(jí)直徑25的鋼筋作為主筋。

——基礎(chǔ)采用樁基承臺(tái)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，主筋為HRB400級(jí)直徑為25的鋼筋，樁基長(zhǎng)12m。

——格賓壩體結(jié)構(gòu)填石可選用硬質(zhì)巖石或卵石。要求塊石強(qiáng)度高，不易水解、抗風(fēng)化。填充空隙率不大于30%，填石粒徑以250～300mm為宜。

攔擋壩設(shè)計(jì)方案平面布置及縱剖面見(jiàn)圖3、4，穩(wěn)定性計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

圖3 平面布置圖

圖4 縱剖面圖

圖5 攔擋壩穩(wěn)定性計(jì)算模型

4.2 參數(shù)取值

根據(jù)《IRSM-2016-黑溝露天礦排土場(chǎng)災(zāi)變控制技術(shù)研究報(bào)告》，排土料參數(shù)取值見(jiàn)表1。

土壓力計(jì)算(庫(kù)倫土壓力)為：

+2ηsinαcosφcos(α+β-φ-δ)

表1 排土場(chǎng)參數(shù)取值表

樁基抗拔力驗(yàn)算，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ-94-2008)，

抗拔系數(shù)：λi=0.5

樁側(cè)土抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值：

qsk=100 kPa

Tuk=∑λiqsikuili=0.5×100×π×1.5×12=2 827kN

nTgk=u∑λiqsikli=2×(31+28.5)×0.5×100×12=71 400 kN

群樁重GgP=20×[(31-8+1.5)×(28.5-8.5+1.5)×12]=126 420kN

非整體破壞時(shí)，樁的總抗拔承載力：

整體破壞時(shí)，樁的總抗拔承載力：

因此，樁基的總抗拔承載力為16 032 kN (非整體破壞)。

樁基水平承載力為：

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ-94-2008)，對(duì)于碎石土，m 取100～300MN/m4，此處取m=200 MN/m4；

d>1m，b0=0.9(d+1)=0.9×(1.5+1)=2.25m

EC=3.25×104N/mm2

樁身配筋率：0.6%

EI=0.85ECI0=0.85×3.25×104N/mm2×0.245=6.77×103N/mm2

樁身混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：ft=1 710kPa

αh=0.3669×12=4.4m>4.0，取αh=4.0

樁頂固接，樁身最大彎矩系數(shù)：νM=0.926

不考慮豎向壓力作用：

對(duì)應(yīng)單寬壩體的樁水平抗力為：491.6×11/31=174.44kN/m

壩體自重=斷面積×密度=829.4×23=19 076.2kN/m

基礎(chǔ)自重=斷面積×密度=82.6×25=2 065.0kN/m

4.3 攔擋壩所受沖擊力

新建攔擋壩位于B2壩體處，根據(jù)《IRSM-2016-黑溝露天礦排土場(chǎng)災(zāi)變控制技術(shù)研究報(bào)告》計(jì)算結(jié)果，可大概確定排土料的沖擊速度為：現(xiàn)狀-2.98m/s，終了-3.07m/s，本次計(jì)算取大值3.07m/s。根據(jù)《IRSM-2016-黑溝露天礦排土場(chǎng)災(zāi)變控制技術(shù)研究報(bào)告》計(jì)算過(guò)程，單寬的37米壩高所受沖擊力為：

FH=(k·γc·υc2/g)·H=(3.0×20×3.072/10)×37=2 092.3kN/m

4.4 各項(xiàng)力計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表2)

表2 計(jì)算總表/kN·m-1

4.5 穩(wěn)定性要求及計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表3)

表3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

5 泥石流攔擋壩的功能性分析

中國(guó)是世界上遭受泥石流災(zāi)害最為嚴(yán)重和頻繁的國(guó)家之一 ，特別是西部地區(qū)，泥石流造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。泥石流漿體的動(dòng)壓力及其所含塊石的撞擊力是危害防治工程構(gòu)筑物的直接因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泥石流中大塊石的沖擊理論研究表明，撞擊力提供荷載是導(dǎo)致攔擋結(jié)構(gòu)破壞的主要因素。所以，修建泥石流攔擋壩應(yīng)該考慮上游泥石流迎水面格賓結(jié)構(gòu)作為緩沖措施，提高泥石流攔擋結(jié)構(gòu)抗大塊石沖擊性能。從而保證和提高壩體的整體穩(wěn)定性，發(fā)揮其預(yù)定設(shè)計(jì)功能。

由于實(shí)際發(fā)生泥石流時(shí)，大塊石對(duì)泥石流攔擋壩的撞擊位置具有不確定性，因此為了使大塊石撞擊彈簧格構(gòu)壩時(shí)發(fā)揮較好的緩沖作用，上游面全部以格賓壩體為主，所以黑溝攔擋壩用混凝土壩+格賓石籠壩筑壩，其功能主要是以 “前壩消能，后壩承載，協(xié)同作用”的新理念為基礎(chǔ)。

混凝土壩+格賓石籠壩的復(fù)核結(jié)構(gòu)，解決災(zāi)害發(fā)生時(shí)攔擋壩容易被大塊石撞擊損毀的問(wèn)題。與普通重力式泥石流攔擋壩相比，提出的格賓石籠壩鋼架結(jié)構(gòu)，具有一定的彈性，具有一定的變形復(fù)位功能和吸能能力，壩體的變形、支反力、位移、加速度等方面適應(yīng)性較好。決定了復(fù)合式攔擋壩充分結(jié)合了混凝土壩的抗剪強(qiáng)度高和堆石壩的抗沖擊性能強(qiáng)，特別是，堆石的變形適應(yīng)性，堆石-混凝土二者之間的剛度匹配，使得傳遞到攔擋壩上的應(yīng)力分布均勻，避免了局部的強(qiáng)度集中導(dǎo)致開(kāi)裂問(wèn)題。兩側(cè)山體部位壩肩、(壩趾處)地基提供的嵌固反力協(xié)同作用，對(duì)承載力要求顯著降低。確保了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性能更好。

6 結(jié)語(yǔ)

泥石流堆積的數(shù)值模擬是泥石流研究的前沿領(lǐng)域，礦山排土場(chǎng)下游設(shè)置攔擋壩是礦山防災(zāi)減災(zāi)中重要組成部分。攔擋壩也是預(yù)防礦山排土場(chǎng)形成泥石流的重要措施，可減少泥石流對(duì)礦山的生產(chǎn)及下游工業(yè)民用建筑的沖擊。在以往工作成果基礎(chǔ)上，運(yùn)用規(guī)范中的公式計(jì)算泥石流堆積對(duì)攔擋壩的荷載作用，土的側(cè)壓力和泥石流的沖擊力對(duì)攔擋壩在空間上的分布。鏡鐵山黑溝礦這種單臺(tái)階、高差大的排土場(chǎng)對(duì)泥石流的抗沖擊能力及穩(wěn)定性的要求較高，如何準(zhǔn)確的計(jì)算穩(wěn)定性尤其重要，可進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同規(guī)模泥石流災(zāi)害對(duì)攔擋壩可能造成的沖擊力及堆積高度，從而提高礦山對(duì)泥石流災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)能力。