淺析東莊施工供水工程高位水池棄渣場(chǎng)穩(wěn)定分析方法

王 婷

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001）

為了貫徹落實(shí)水土保持法,避免工程建設(shè)中的水土流失,在溝道工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)論的基礎(chǔ)上,應(yīng)對(duì)棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)堆置狀態(tài)進(jìn)行安全穩(wěn)定計(jì)算分析,主要針對(duì)擋墻、邊坡等期抗滑、抗傾覆等要素進(jìn)行計(jì)算,明確棄渣場(chǎng)在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的安全穩(wěn)定性。

本次以東莊施工供水工程高位水池棄渣場(chǎng)為例,采用理正巖土軟件及STAB軟件兩種方法進(jìn)行穩(wěn)定分析。

1 工程概況

高位水池棄渣場(chǎng)的棄渣來(lái)源為高位水池修建過(guò)程中的邊坡及基礎(chǔ)土方量開(kāi)挖,選址位于叱干鎮(zhèn)馬鈴村的一處干溝的溝頭部位,距離高位水池約800 m,溝道走向?yàn)橛杀敝聊?溝內(nèi)無(wú)人群活動(dòng)。設(shè)計(jì)堆渣量3.0 萬(wàn)m3,設(shè)計(jì)占地0.55 hm2,為4 級(jí)溝道型渣場(chǎng)。棄渣場(chǎng)防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇,校核標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇,設(shè)計(jì)流量1.0 m3/s。

根據(jù)《東莊施工供水工程高位水池棄渣場(chǎng)地質(zhì)勘察報(bào)告》可知,棄渣場(chǎng)所在的溝道為一干溝的溝頭部位,方向?yàn)橛杀毕蚰?沖溝地形呈V字型,兩岸邊坡高陡,自然坡度57 °~78 °,兩岸植被茂盛,地貌單元主要為黃土塬及沖溝,沖溝發(fā)育方向近似于垂直主溝,攔渣擋墻上游延伸長(zhǎng)度10m～20m,下游最長(zhǎng)約40 m,兩岸塬頂高程1115.2 m~1129 m,溝底高程1077 m~1118 m,相對(duì)高差11.0 m~38.2 m,溝谷底寬4.0 m~12.0 m。

墻基（肩）的地層巖性主要為黃土狀壤土及古土壤,地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,層位穩(wěn)定,無(wú)軟弱夾層,不會(huì)沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動(dòng)。兩岸擋渣墻肩黃土邊坡自然坡度61 °~75 °,大于岸坡的穩(wěn)定坡腳50 °~55 °,邊坡穩(wěn)定性差。

左墻肩段,地貌單元為黃土斜坡,地層由⑤-1 黃土狀壤土夾⑤-2 古土壤組成。⑤-1 黃土狀壤土干密度pd=1.40 g/cm3,承載力fak=130 kPa；⑤-2 古土壤干密度pd=1.42 g/cm3,承載力fak=140 kPa。墻肩場(chǎng)地的濕陷類(lèi)型屬非自重濕陷性場(chǎng)地,濕陷等級(jí)Ⅰ級(jí)（輕微）,濕陷下限深度5.5 m。樁號(hào)0+8.0 m~0 +11.7 m,長(zhǎng)度3.7 m,地貌單元屬黃土斜坡。上部為⑤-1層黃土狀壤土夾⑤-2層古土壤組成,⑤-1黃土狀壤土干密度pd=1.40 g/cm3,承載力fak=130 kPa,基床摩擦系數(shù)f=0.35；⑤-2古土壤干密度pd=1.42 g/cm3,承載力fak=140 kPa。

右墻肩段,地貌單元為黃土斜坡,上部地層由⑤-1黃土狀壤土夾⑤-2古土壤組成,⑤-1黃土狀壤土干密度pd=1.40 g/cm3,承載力fak=130 kPa；⑤-2古土壤干密度pd=1.42 g/cm3,承載力fak=140 kPa。墻肩場(chǎng)地的濕陷類(lèi)型屬非自重濕陷性場(chǎng)地,濕陷等級(jí)Ⅰ級(jí)（輕微）,濕陷下限深度5.5 m。建議設(shè)計(jì)結(jié)合墻肩開(kāi)挖消除部分濕陷性。開(kāi)挖穩(wěn)定坡比：⑤-1黃土狀壤土、⑤-2古土壤1∶0.75~1∶1。

2 棄渣場(chǎng)堆置方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)堆置條件,棄渣堆置方案主要包括攔擋工程修建、堆渣邊坡防護(hù)、排水工程修建以及渣面綠化。堆渣范圍南北長(zhǎng)228 m,東西最寬處36 m,擋渣墻采用漿砌石砌筑,墻高5.5 m,墻長(zhǎng)約6 m,堆渣于墻后分級(jí)起坡堆置,每級(jí)堆高5 m,留3 m寬平臺(tái),每級(jí)坡比為1∶2.5,設(shè)計(jì)最大堆渣高度42 m,渣頂高程為1122 m；排水溝布設(shè)于棄渣場(chǎng)兩側(cè),防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇,校核標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇,設(shè)計(jì)流量1.0 m3/s,校核流量1.4 m3/s。

3 穩(wěn)定分析評(píng)價(jià)

3.1 擋墻穩(wěn)定分析

高位水池棄渣場(chǎng)攔擋工程為擋渣墻,總墻高6.5 m（其中地面以上墻高5.5 m）,墻長(zhǎng)約6 m,墻體斷面設(shè)計(jì)為重力式梯形斷面,采用M7.5 漿砌石修筑。墻頂寬0.8 m,墻內(nèi)、外側(cè)坡比均為1∶0.3,擋墻基礎(chǔ)現(xiàn)有的軟土進(jìn)行換填,深度按1.5 m控制,換填后碾壓密實(shí)度達(dá)到0.95 。擋渣墻穩(wěn)定分析采用理正巖土軟件中的擋渣墻穩(wěn)定分析單元進(jìn)行計(jì)算,主要物理參數(shù)選取見(jiàn)表1。

表1 擋渣墻穩(wěn)定計(jì)算主要參數(shù)取值表

計(jì)算擋墻飽和工況時(shí),墻體排水孔按失效考慮,即墻后堆渣體達(dá)到飽和狀態(tài)。計(jì)算地震工況時(shí),取地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g。根據(jù)施工圖可知,擋渣墻墻身尺寸為墻身高5.5 m,墻頂寬0.8 m,面坡傾斜坡度1∶0.3,背坡傾斜坡度1∶0.3。

主要物理參數(shù)如下：圬工砌體容重22 kN/m3；圬工之間摩擦系數(shù)0.4；地基土摩擦系數(shù)0.3。

擋渣墻穩(wěn)定分析按照《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51018 -2014）進(jìn)行計(jì)算,穩(wěn)定分析需分別對(duì)墻體抗滑、抗傾覆及地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算。公式如下：

基底壓應(yīng)力：

抗滑穩(wěn)定：

式中：K攔擋工程沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f攔擋工程基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；∑G為作用在攔擋工程上全部垂直于水平面的荷載,kN；∑H為作用在攔擋工程上全部平行于基底面的荷載,kN。

抗傾覆穩(wěn)定：

式中：K為覆攔擋工程抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MV為對(duì)攔擋工程基底前趾的抗傾覆力矩,kN； ∑MH為對(duì)攔擋工程基底前趾的傾覆力矩,kN。

經(jīng)計(jì)算得出以下三種結(jié)果,見(jiàn)擋渣墻穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果匯合見(jiàn)表2。

表2 擋渣墻穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果匯合表

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)狀態(tài)邊坡穩(wěn)定分析以理正巖土軟件和 STAB軟件分別獨(dú)立進(jìn)行計(jì)算,兩款軟件分析均以圓弧滑動(dòng)模型為基礎(chǔ),均采用簡(jiǎn)化Bishop法,自動(dòng)搜索各種圓心及半徑組合下的最不利情況,同時(shí)計(jì)算時(shí)又應(yīng)考慮正常工況、飽和工況和地震工況,與攔擋工程穩(wěn)定分析類(lèi)似：計(jì)算擋墻飽和工況時(shí),堆渣體按全部達(dá)到飽和狀態(tài)考慮；計(jì)算地震工況時(shí),取地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,穩(wěn)定計(jì)算主要物理參數(shù)與擋墻一致。

（1）控制參數(shù)

計(jì)算目標(biāo)為安全系數(shù)計(jì)算,主要采用圓弧滑動(dòng)法,本項(xiàng)目地震烈度為7 度,水平地震系數(shù)為0.15,地震作用綜合系數(shù)0.25,地震作用重要性系數(shù)1。

（2）計(jì)算條件

采用圓弧穩(wěn)定分析方法即簡(jiǎn)化Bishop法,穩(wěn)定計(jì)算目標(biāo)為自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面。

（3）計(jì)算公式

式中：F為穩(wěn)定系數(shù)；bi為第i個(gè)土條寬度,m；ai為第i個(gè)土條底滑面的傾角,（°）；Ci、φi為第i個(gè)土條滑弧所在土層的粘聚力,kPa）和內(nèi)摩擦角,（°）；mai為系數(shù),按上式計(jì)算；Wi為第i個(gè)土條重力,kN；Qi為第i個(gè)土條垂直方向的外力,kN。

（4）計(jì)算結(jié)果

表3 計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果看出,兩款軟件的計(jì)算表明：各工況下計(jì)算最小安全系數(shù)均大于其允許最小值,邊坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高位水池棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)狀態(tài)下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)計(jì)算方法討論,得出計(jì)算結(jié)果表明：高位水池棄渣場(chǎng)在設(shè)計(jì)狀態(tài)下是穩(wěn)定的,安全系數(shù)滿足相關(guān)規(guī)范要求。采用理正巖土軟件及STAB軟件兩種方法進(jìn)行穩(wěn)定分析能準(zhǔn)確地反映出渣場(chǎng)穩(wěn)定情況,同時(shí)也對(duì)后期的渣場(chǎng)安全性具有重要意義。