水土保持方案中大型棄渣場地質(zhì)勘察與評價探討

劉素君，王玉濤，鐘 笑，孫 鵬

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 工作背景

2015年12月20日，深圳市光明新區(qū)紅坳渣場發(fā)生大型滑坡事故，造成73人死亡、4人失蹤、17人受傷，直接經(jīng)濟損失達8.81億元，被國務(wù)院認定為特別重大安全生產(chǎn)責任事故。紅坳渣場場址原為采石場凹坑，實際堆渣量達583萬m3，大部分為棄土，分9級堆置，堆渣體高差達103m，棄渣滑坡事故主要是超設(shè)計棄渣、堆渣超高、排水系統(tǒng)缺失、設(shè)計缺陷等造成的，事故發(fā)生后，大型棄渣場選址、防護及穩(wěn)定分析工作引起了國家相關(guān)部門的高度重視，摸清大型棄渣場場址處地質(zhì)情況是保證棄渣場防護工程及整體穩(wěn)定的基礎(chǔ)工作。

2020年5月，水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院印發(fā)《關(guān)于加強水利水電工程水土保持方案編制與技術(shù)審查工作的通知》，明確水土保持方案技術(shù)審查不予通過的幾種情形，其中“棄渣場未開展地質(zhì)與勘察工作，4級及以上棄渣場未提供地質(zhì)勘察報告或報告內(nèi)容存在嚴重技術(shù)問題的”是不予通過審查情形之一，可見棄渣場工程地質(zhì)評價工作在棄渣場防護設(shè)計和安全穩(wěn)定評估中的重要性。

GB/T51297—2018《水土保持工程調(diào)查與勘測標準》明確規(guī)定：可行性研究階段對四級以上棄渣場及防護工程應(yīng)進行地質(zhì)勘察，規(guī)定了地質(zhì)勘察應(yīng)包括的工作內(nèi)容。標準實施后，地質(zhì)評價工作內(nèi)容和工作深度一直是建設(shè)項目水土保持方案中的重點和難點之一。現(xiàn)以八里營子棄渣場為例，闡明棄渣場地質(zhì)勘察工作深度及工作內(nèi)容。

2 棄渣場概況

八里營子棄渣場位于遼寧省朝陽市雙塔區(qū)他拉皋鎮(zhèn)里八里營子村西940m的一溝谷內(nèi)，棄渣場占地面積8.36hm2，占地類型為林地和草地。棄渣場有鄉(xiāng)級公路相連，交通便利。

該棄渣場堆渣量37.83萬m3，設(shè)計堆渣高度22m，為4級渣場，棄渣主要為隧洞TBM掘進開挖洞渣，水保設(shè)計在渣場堆渣體下游修建漿砌石重力式擋土墻，擋墻長224m，設(shè)計堆渣邊坡1∶2.5，擋墻高4.5m，基礎(chǔ)埋入地下1.5m。棄渣場地理位置如圖1所示。

圖1 八里營子棄渣場地理位置圖

3 地質(zhì)勘察內(nèi)容

3.1 初步查明棄渣場場址工程地質(zhì)條件、主要問題

查明棄渣場以及棄渣場外圍匯水區(qū)域地形地貌特征，評價棄渣場堆渣后存在泥石流等次生災(zāi)害的可能性，并應(yīng)提出渣場排水與防沖刷的工程措施建議方案。查明堆渣區(qū)滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，范圍應(yīng)包括影響渣場穩(wěn)定的區(qū)域。

3.2 對場地穩(wěn)定性和適應(yīng)性分析與評價

評價場地穩(wěn)定性、適宜性及堆渣后的整體穩(wěn)定性，進行穩(wěn)定性與適宜性分區(qū)，并提出優(yōu)先堆載分區(qū)的建議；評價攔渣工程地基抗滑穩(wěn)定、不均勻沉降、滲透變形等間題，并應(yīng)提出處理建議。

3.3 查明地下水類型、水位和出露情況

查明防洪排導工程沿線工程地質(zhì)條件，提出主要巖土體的物理力學參數(shù)，評價防洪排導工程沿線建(構(gòu))筑物地基、排水洞圍巖及進出口邊坡的穩(wěn)定性，并應(yīng)提出處理建議。

3.4 提供渣場處巖土的抗剪強度參數(shù)指標

根據(jù)堆渣來源及組成情況，類比提出堆渣體物理力學參數(shù)建議值；并提出堆渣高度以及坡比的建議。

3.5 需要提供相關(guān)地質(zhì)圖件

包括區(qū)域構(gòu)造及地震震中分布圖，棄渣場工程地質(zhì)圖，棄渣場攔渣工程、防洪導排工程區(qū)地質(zhì)圖，建筑物軸線工程地質(zhì)圖等。

4 地質(zhì)勘察方法

地質(zhì)勘察采用測繪和鉆探相結(jié)合，工作在收集區(qū)域地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，對場區(qū)進行了1:2000地質(zhì)測繪。根據(jù)現(xiàn)場地形，在堆渣場內(nèi)布置勘1條探線，4個鉆孔，孔距150m左右；沿漿砌石擋墻中心線布置鉆孔10個，孔距100m左右，鉆孔孔深按進入擋墻基礎(chǔ)下5m或進入基巖2m控制。

5 棄渣場區(qū)地質(zhì)條件

5.1 基本地質(zhì)條件

本渣場區(qū)地形地貌為剝蝕隆褶低山和沖溝。低山山頂呈尖圓頂狀，山坡為凹坡，巖石裸露；堆渣區(qū)布置在沖溝內(nèi)，沖溝呈南北向，為向源侵蝕，沖溝深3～5m，寬20～50m，溝底高程為250～255m，工程區(qū)附近山坡坡角為22°～25°，溝底覆蓋層較厚，植被發(fā)育。

根據(jù)地質(zhì)測繪，本棄渣場覆蓋層為碎石夾粉質(zhì)黏土，黃褐色，以碎石為主，溝壁和溝底出露，一般厚度在1.0～2.0m；基巖為白堊系大凌河組安山巖，灰色，局部溝壁出露以強風化為主。工程區(qū)未見有較大規(guī)模斷層構(gòu)造通過。渣場區(qū)現(xiàn)狀無滑坡、泥石流、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

5.2 地層巖性

根據(jù)勘察鉆孔揭露及工程地質(zhì)測繪，本棄渣場出露巖性自上而下分別為：

(1)第四系全新統(tǒng)洪坡積(Q4pld)

第①層：碎石土，雜色，主要為碎石、風化砂、黏(粉)粒，粒徑一般2～30mm，最大為60mm，細粒土含量一般小于10%。干～潮濕，松散～稍密。該層分布連續(xù)，鉆孔揭露層底高程248.3～267.5m，鉆孔揭露層厚1.0～2.0m。

(2)中生界白堊系下統(tǒng)大凌河組(K1d)

第②層：強風化安山巖，紫灰色，巖芯呈碎塊狀、短柱狀，鉆孔最大揭露厚度4.0m。

八里營子渣場綜合地質(zhì)各地層空間展布情況如圖2所示，工程地質(zhì)剖面如圖3—4所示。

圖2 八里營子渣場綜合地質(zhì)圖(比例尺1∶2000)

圖3 八里營子渣場工程地質(zhì)縱向剖面圖

5.3 地質(zhì)構(gòu)造

(1)根據(jù)地質(zhì)測繪，工程區(qū)未見有較大規(guī)模斷層構(gòu)造通過。本次勘察鉆孔內(nèi)未見明顯斷層。

(2)節(jié)理裂隙：工程區(qū)弱-微風化巖體，節(jié)理不發(fā)育-較發(fā)育。從測繪及鉆孔揭露情況可知：強風化安山巖節(jié)理較發(fā)育-發(fā)育，多微張-張開，平直-起伏粗糙狀，巖屑填充或泥質(zhì)充填。

圖4 八里營子渣場工程地質(zhì)橫向剖面圖

5.4 水文地質(zhì)條件

本次勘察鉆孔BK4揭露地下水，水位高程245.8m，工程區(qū)地下水主要受沖溝上游及大氣降水補給，并向沖溝下游排泄。渣場所處沖溝上游匯流面積較大，在雨季可形成大規(guī)模匯流，建議對堆渣體外圍及堆渣體進行防水、排水設(shè)計。

本次勘察共取碎石土試樣3組進行室內(nèi)試驗，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 顆粒分析試驗成果統(tǒng)計表

5.5 地基巖土體承載力及力學參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)狀邊坡的地質(zhì)測繪及類比相似工程的經(jīng)驗等，綜合確定邊坡穩(wěn)定性計算所采用的各巖土層的物理力學參數(shù)，各巖土層物理力學參數(shù)見表2。

表2 各巖土層物理力學參數(shù)

6 工程地質(zhì)條件評價結(jié)論及指導作用

6.1 場地適宜性及穩(wěn)定性評價

堆渣區(qū)所處沖溝溝底坡度約5°～10°，較平緩，地貌簡單，場地穩(wěn)定。場地巖土種類單一，覆蓋層薄，且無軟土層，基本不存在穩(wěn)定性差的順向坡。場地地表排水條件好，經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)測繪及調(diào)查，場區(qū)及周邊未發(fā)現(xiàn)有泥石流、滑坡及巖溶等不良地質(zhì)作用或地質(zhì)害分布，適宜堆渣。

6.2 場地擬堆渣穩(wěn)定性評價

本工程堆渣后可形成土質(zhì)堆渣邊坡，堆放的砂礫石、安山巖和礫巖混合料形成的碎石、塊石多呈松散狀，其抗沖性和穩(wěn)定性較差，并且堆渣高，建議分級堆放并采取合適的放坡坡比(一般采用坡比小于1∶2)，以提高堆渣體的整體穩(wěn)定性。本工程堆渣后建議對堆渣體和周邊布設(shè)截、排水溝，將匯水排入下游溝道或河道內(nèi)。

6.3 擋墻地基穩(wěn)定性評價

擬建擋土墻地基土層主要為松散-稍密狀碎石土，清除表層耕植土后，該層承載力建議值為120kPa，其下為強風化安山巖，地基承載力均滿足修建漿砌石擋渣墻要求。工程區(qū)標準凍深1.4m深度范圍內(nèi)部分碎石土為凍脹土，建議擋渣墻基礎(chǔ)置于凍脹土以下。

6.4 指導作用

根據(jù)地質(zhì)條件評價結(jié)論，水土保持進行棄渣場選址合理性論證，并開展棄渣場防護措施設(shè)計。

(1)渣場選址合理性

根據(jù)上述地質(zhì)條件評價結(jié)論，本棄渣場場區(qū)及周邊未發(fā)現(xiàn)有泥石流、滑坡及巖溶等不良地質(zhì)作用或地質(zhì)災(zāi)害分布，整體場地適宜堆渣，棄渣場選址是合理的?！?/p>

(2)截排水溝設(shè)計

本次勘察鉆孔BK4揭露地下水水位高程245.8m，建議對堆渣體外圍及堆渣體進行防水、排水設(shè)計。水土保持在渣場上游設(shè)計截排水溝1580m，以排泄上游20年一遇設(shè)計洪水，在渣場內(nèi)部布設(shè)排水溝，疏導渣場內(nèi)部匯水。

(3)攔渣工程設(shè)計

擬建擋土墻地基土層主要為松散～稍密狀碎石土，工程區(qū)標準凍深1.4m深度范圍內(nèi)部分碎石土為凍脹土，建議擋渣墻基礎(chǔ)置于凍脹土以下。水土保持在渣場下游側(cè)設(shè)計修建漿砌石擋墻長224m，擋墻基礎(chǔ)埋深1.5m。

(4)棄渣場穩(wěn)定和擋渣墻穩(wěn)定計算分析

根據(jù)地基巖土體承載力及力學參數(shù)，水土保持進行了棄渣場穩(wěn)定分析和擋渣墻穩(wěn)定計算，計算出的穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)允許值，均滿足穩(wěn)定要求。

7 結(jié)語

大型棄渣場工程地質(zhì)勘察評價內(nèi)容應(yīng)包括區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地震穩(wěn)定性評價，場區(qū)穩(wěn)定性及適宜性評價，不良工程地質(zhì)問題評價及處理方案，未來棄渣材料物理力學指標及堆填建議等。

本文以遼寧境內(nèi)某大型輸水工程的八里營子棄渣場為例，通過合理布置地質(zhì)勘探線、鉆探點和鉆探深度，揭露棄渣場處的地質(zhì)巖性，查明了場址工程地質(zhì)條件、主要工程地質(zhì)問題和地下水情況，提供渣場處巖土的抗剪強度參數(shù)指標等，對場地穩(wěn)定性和適應(yīng)性給出分析評價結(jié)論，為此類棄渣場地質(zhì)分析評價和水土保持工程防護設(shè)計提供借鑒經(jīng)驗。