西門河流域山洪溝攔渣壩工程基礎(chǔ)處理工程措施分析

儲(chǔ) 林,廖顯程,陳 科

(1.陜西省安康市紫陽縣水利局,陜西 安康 725300;2.陜西省涇惠渠灌溉中心,陜西 三原 713800)

0 引言

攔渣壩是為專門存放開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目在基建施工和生產(chǎn)運(yùn)行中產(chǎn)生的大量棄土、棄渣、尾礦(沙)和其他廢棄固體物而修建的水土保持工程。主要包括攔渣壩、攔渣墻、攔渣堤、攔渣圍堰及尾礦(沙)壩等。攔渣壩的修建受地形、地質(zhì)、設(shè)計(jì)、施工及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平等綜合因素的制約,本文以陜西紫陽縣西門河流域山洪溝攔渣壩工程為例,綜合考慮擋渣、排水等需求,對(duì)工程基礎(chǔ)處理措施進(jìn)行分析,以期為同類工程提供參考。

1 工程概況

陜西南部地區(qū)位于大巴山脈北麓,崇山峻嶺,幽谷縱流,為深切之山岳地帶,地勢(shì)西南較高,流域地形呈南高北低,海拔高程350～1 600 m,相對(duì)高差600～1 200 m,屬于中山地貌。汝河和洞河流域呈狹長(zhǎng)帶狀形,發(fā)源于重慶市城口縣的大巴山南麓,自南向北,于紫陽縣洞河鎮(zhèn)菜園子匯入漢江。流域內(nèi)山巒起伏、峰高谷峽、地形復(fù)雜,山峰海拔在1 500～2 200 m之間,流域河溪眾多、水系發(fā)育、河網(wǎng)密度大,植被良好。上游兩岸山勢(shì)陡峻,河口狹窄呈V型河谷,水面寬度一般10～30 m,比降大,平均比降100‰左右,水流急。紫陽縣西門河流域擬建5#攔渣壩擋墻工程位于紫陽縣西門河中上游段,是逐步實(shí)施西門河流域山洪泥石流治理工程的階段任務(wù)。《紫陽縣西門河流域山洪溝泥石流治理工程》已完成初步設(shè)計(jì)工作,其中擬新建攔渣壩13座、主壩一座,共攔截泥石流物源65.39萬 m3。其中7#壩已經(jīng)修建完成,本次設(shè)計(jì)攔渣壩擋墻是13座攔渣壩中的5#攔渣壩擋墻。2020年4月28日施工單位進(jìn)行左岸攔渣壩基礎(chǔ)開挖,在開挖至設(shè)計(jì)基礎(chǔ)標(biāo)高后,基槽為碎石土(左右岸在一個(gè)橫剖面上),不能滿足設(shè)計(jì)擋墻基礎(chǔ)承載力要求,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),基礎(chǔ)以下5～6 m均為碎石土。攔渣壩主要攔截上方棄渣堆積體,堆積體長(zhǎng)度240 m,寬度30～80 m,厚度8～20 m,約18萬m3,成分為瓦板巖礦場(chǎng)棄渣,以塊石及碎石為主。堆積體松散堆積于斜坡中上部,堆積前緣延伸至主河道,坡度在30°～35°之間,在遭遇強(qiáng)降雨時(shí)易失穩(wěn),在水力沖積下滑動(dòng)涌入主河道成為泥石流,棄渣構(gòu)成了泥石流的主要物源。對(duì)西門河下游居民、溝口安置點(diǎn)及飲用水源地區(qū)構(gòu)造成威脅。故本次設(shè)計(jì)攔渣壩要求高,基礎(chǔ)處理對(duì)攔渣壩穩(wěn)定性、安全性至關(guān)重要。

2 壩基(肩)工程地質(zhì)條件

2.1 壩基(肩)地質(zhì)概況

西門河在吳家坪河道寬約15～25 m,地形為一較開闊的葫蘆地形,地面高程介于640～645 m之間,左側(cè)小型沖溝為棄渣堆積的斜坡,坡度在30°～35°之間,擬建5#攔渣壩擋墻的壩肩均為基巖裸露,中間部位為棄渣體覆蓋。

2.2 壩基主要工程地質(zhì)問題

2.2.1 壩基巖體質(zhì)量分級(jí)

據(jù)本次勘探及前期資料,項(xiàng)目區(qū)主要地層為第四系人工堆積塊石(Q4ml)、泥石流堆積(Q4sef)碎石、全新統(tǒng)坡積(Q4dl)碎石土,全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)卵石,奧陶系露斑鳩關(guān)巖組強(qiáng)風(fēng)化板巖及中風(fēng)化板巖[1],現(xiàn)將各地層分述如下:

1)塊石①:為采石場(chǎng)廢料堆積,土體結(jié)構(gòu)松散,未分層碾壓呈松散狀,堆積時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10 a,基本穩(wěn)定,承載力特征值fak=160 kPa,

2)碎石②:松散稍密,主要以滑落的塊狀強(qiáng)風(fēng)化板巖為主,巖芯多為片狀、碎塊狀或粉末狀,經(jīng)滑動(dòng)或泥石流搬運(yùn),穩(wěn)定性較差,承載力允許值fak=150 kPa。

3)強(qiáng)風(fēng)化板巖④:黑色,巖石堅(jiān)硬程度為堅(jiān)硬巖,巖體完整程度為破碎,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。據(jù)地區(qū)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)該層承載力允許值為fak=550 kPa,樁側(cè)極限摩阻力100 kpa,樁端極限承載力2 000 kpa。

4)中風(fēng)化板巖⑤:黑色。巖石堅(jiān)硬程度為堅(jiān)硬巖,巖石完整程度為較完整,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。該層中風(fēng)化泥灰?guī)r承載力允許值fak=1 100 kPa,彈性模量經(jīng)驗(yàn)值2.3×104MPa,力學(xué)強(qiáng)度較高,層位穩(wěn)定,埋深較大。

2.2.2 壩基巖體透水性

根據(jù)壩基鉆孔壓水試驗(yàn)資料可知,壩基強(qiáng)風(fēng)化砂巖巖體透水率4.55 Lu,弱風(fēng)化砂巖巖體透水率3.79～3.99 Lu,微風(fēng)化巖體透水率3.45～3.71 Lu,均為弱透水巖層。且壩基砂巖上部覆蓋厚度9.0～12.0 m紅粘土,壩基巖體透水性對(duì)壩基滲漏影響不大。

2.2.3 棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

依據(jù)《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,當(dāng)被保護(hù)對(duì)象為失事后使村鎮(zhèn)或集中居民區(qū)遭受嚴(yán)重災(zāi)害時(shí),安全系數(shù)取1.3;當(dāng)被保護(hù)對(duì)象失事后不致造成人員傷亡或者造成經(jīng)濟(jì)損失不大的次要建構(gòu)筑物時(shí),安全系數(shù)應(yīng)取1.2;當(dāng)被保護(hù)對(duì)象為失事后損失輕微時(shí),安全系數(shù)取1.15。

根據(jù)上述計(jì)算的數(shù)據(jù),堆渣體整體邊坡自然工況下的穩(wěn)定系數(shù)1.266,飽和工況下的穩(wěn)定系數(shù)1.176;泥石流(碎石)堆積邊坡自然工況下的穩(wěn)定系數(shù)1.120,飽和工況下的穩(wěn)定系數(shù)1.038。按《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的穩(wěn)定邊坡的安全系數(shù)(選擇安全系數(shù)為1.2)要求,說明棄渣場(chǎng)現(xiàn)狀欠穩(wěn)定,達(dá)不到安全要求。本填土邊坡滑體危害對(duì)象等級(jí)為二級(jí),取安全穩(wěn)定系數(shù)為1.20,則需要對(duì)邊坡采取防治措施。定性分析和定量驗(yàn)算結(jié)果的分析比較后評(píng)價(jià)認(rèn)為:堆渣體整體邊坡自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài);飽和狀態(tài)下屬基本穩(wěn)定狀態(tài);泥石流(碎石)堆積邊坡自然狀態(tài)下處于基本狀態(tài);飽和狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)[2]。

2.2.4 棄渣場(chǎng)安全評(píng)價(jià)

按《金屬非金屬礦山排土場(chǎng)安全生產(chǎn)規(guī)則》(AQ2005-2005)10.2條當(dāng)有下列條件之1條時(shí),棄渣場(chǎng)安全度屬危險(xiǎn)。

1)在地形坡度大于25度的地基上順坡排土、在軟弱層厚度大于10 cm的地基上排土?xí)r,未采取安全措施,不能確保排土安全的。

2)排土場(chǎng)出現(xiàn)大面積的非均沉降、干裂,坡面鼓出或基它地基鼓出等滑動(dòng)跡象的;

3)排土場(chǎng)排土平臺(tái)為順坡的;山坡匯水面積大而未修排水溝,或排水色被嚴(yán)重堵塞的;

4)經(jīng)驗(yàn)算,剩余推力法安全系數(shù)小于1.0的。

本棄渣全符合10.2條的要求,故安全度屬危險(xiǎn)。

2.2.5 西門河支溝(吳家坪)泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)及發(fā)展趨勢(shì)

堆渣渣體結(jié)構(gòu)松散,失穩(wěn)產(chǎn)生滑坡的可能性中等,為泥石流提供了物源;溝口堆渣體堵塞溝道較嚴(yán)重,影響溝內(nèi)河道路線偏移;區(qū)內(nèi)降雨量較大,產(chǎn)生泥石流地質(zhì)災(zāi)害的可能性中等,溝口無人居住,威脅下方河道及通村公路安全,現(xiàn)狀評(píng)估危害程度中等,發(fā)育程度中等。對(duì)西門河支溝該泥石流溝發(fā)育程度進(jìn)行數(shù)量化評(píng)判其泥石流的易發(fā)程度數(shù)量化評(píng)分值為92分,屬中等發(fā)育泥石流溝。

該泥石流從物質(zhì)來源分析,主要來源于吳家坪沖溝兩側(cè)片狀碎石,在強(qiáng)降雨洪水沖積作用下失穩(wěn)、滑動(dòng),部分物質(zhì)隨流水?dāng)y帶至主溝形成水石流,構(gòu)成泥石流的形成區(qū)及流通區(qū),在西門河溝道構(gòu)成堆積區(qū),屬于山谷型水石流;該水石流沖出支溝進(jìn)入西門河主溝堵塞河道,在次構(gòu)成主河道水石流物源,在主河道流通達(dá)1.2～2 km,有典型的山谷(支溝)型水石流,轉(zhuǎn)化為河道型水石流,形成巨大的破壞力,與2010年7月18日,紫陽縣降雨量達(dá)達(dá)175.1 mm,爆發(fā)泥石流;據(jù)本次調(diào)查訪問,7.18水石流沖出量估算為2.8～3.3萬 m3之間,數(shù)年來,在降雨季節(jié)支溝(吳家坪)仍有少量沖出物質(zhì),一次沖出量在1 500～3 500 m3之間,可見,隨時(shí)間的推移,上部松散層趨于密實(shí),穩(wěn)定性逐漸加強(qiáng),水石流爆發(fā)頻率趨于減弱。

3 處理工程措施分析

根據(jù)工程特點(diǎn),本工程綜合考慮擋渣、排水等需求,設(shè)計(jì)采用工程措施有:下方河道設(shè)置左岸河堤,渣體坡腳設(shè)置攔渣壩,上方設(shè)置格構(gòu)梁,兩側(cè)設(shè)置排水溝等措施。

(4)排水溝:縱向排水溝設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1004 m,縱向排水溝設(shè)計(jì)洪水防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇洪水,設(shè)計(jì)流量為6.8 m3/s。本次設(shè)計(jì)原則上游溝道來水不應(yīng)進(jìn)入渣體范圍內(nèi),設(shè)計(jì)截水溝圍繞渣體外側(cè)原狀坡體布置,由于現(xiàn)狀坡體較為陡峭、不規(guī)整,故設(shè)計(jì)平面布置平面轉(zhuǎn)彎半徑按照不小于排水溝寬度3～5倍控制,保證水流能夠平順排出。根據(jù)水利計(jì)算手冊(cè),在緩坡變換成陡坡段采用臨界流計(jì)算公式計(jì)算渠道水深(查手冊(cè)P35),經(jīng)計(jì)算hk=0.8 m,底寬1.5 m,設(shè)計(jì)流速2.83 m/s;故排水渠設(shè)計(jì)渠深采用1.0 m(設(shè)計(jì)超高取0.2 m),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件要求,坡體垂直高度超過100 m,采用混凝土結(jié)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)性好,放沖刷能力強(qiáng),但是施工難度太大,機(jī)械和車輛無法到達(dá)坡頂,估本次設(shè)計(jì)采用漿砌石結(jié)構(gòu)(取材方便,施工較為便利)兩側(cè)總長(zhǎng)1 004 m,壁厚0.5 m,底厚0.3 m,在陡坡段下游1/4處開始面層設(shè)置消力齒用以減小流速和沖刷,且截水溝底部采用20 cm厚C20混凝土進(jìn)行襯砌防沖,每十米設(shè)置一道齒墻(防止下滑,基礎(chǔ)至于原狀土上),排水渠布置于溝道兩側(cè)坡腳處,基礎(chǔ)至于原狀土上,渣體由于透水性很強(qiáng),估本次設(shè)計(jì)主要排除溝道兩側(cè)坡體來水,安全排除溝道山洪,避免山洪進(jìn)入溝道堆積渣體內(nèi)。橫向截水渠布置三條,總長(zhǎng)280 m(原設(shè)計(jì)513 m)位于坡體上方三處較寬的平臺(tái)處,設(shè)計(jì)流量較小,故設(shè)計(jì)尺寸采用0.5(凈寬)×0.5(凈高)m,結(jié)構(gòu)形式為M10漿砌石結(jié)構(gòu),壁厚30 cm,每十米一道伸縮縫。

(5)坡體綠化:設(shè)計(jì)坡體裸露部分采用播撒草籽,自然恢復(fù)。

4 結(jié)語

紫陽縣西門河流域擬建5#攔渣壩擋墻工程主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)為工程設(shè)計(jì)壩體基礎(chǔ)處理,工程區(qū)排水問題,工程坡體穩(wěn)定性計(jì)算。壩體基礎(chǔ)無法至于基巖之上,故設(shè)計(jì)采用雙曲拱鋼筋混凝土地板,將擋墻基礎(chǔ)至于拱形地板之上,地板兩側(cè)至于山體基巖之上;工程區(qū)排水問題主要由于上方渣體堆渣量為18萬 m3,且主要為礦渣,透水性太強(qiáng),故需要對(duì)坡面進(jìn)行排水,本次設(shè)計(jì)排水溝橫向縱向設(shè)置多道,且根據(jù)地形變化設(shè)置跌水井,消力池,交錯(cuò)式矩形糙條(減緩流速)等措施;工程穩(wěn)定性,根據(jù)坡體地質(zhì)參數(shù),考慮到落石影響,采用格構(gòu)梁護(hù)坡和綠化措施。