西門河流域山洪溝攔渣壩工程基礎處理工程措施分析

儲 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建設項目在基建施工和生產運行中產生的大量棄土、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、設計、施工及經濟社會發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,對工程基礎處理措施進行分析,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,地勢西南較高,流域地形呈南高北低,海拔高程350～1 600 m,相對高差600～1 200 m,屬于中山地貌。汝河和洞河流域呈狹長帶狀形,發源于重慶市城口縣的大巴山南麓,自南向北,于紫陽縣洞河鎮菜園子匯入漢江。流域內山巒起伏、峰高谷峽、地形復雜,山峰海拔在1 500～2 200 m之間,流域河溪眾多、水系發育、河網密度大,植被良好。上游兩岸山勢陡峻,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,是逐步實施西門河流域山洪泥石流治理工程的階段任務?！蹲详柨h西門河流域山洪溝泥石流治理工程》已完成初步設計工作,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#壩已經修建完成,本次設計攔渣壩擋墻是13座攔渣壩中的5#攔渣壩擋墻。2020年4月28日施工單位進行左岸攔渣壩基礎開挖,在開挖至設計基礎標高后,基槽為碎石土(左右岸在一個橫剖面上),不能滿足設計擋墻基礎承載力要求,經現場實測,基礎以下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,在遭遇強降雨時易失穩,在水力沖積下滑動涌入主河道成為泥石流,棄渣構成了泥石流的主要物源。對西門河下游居民、溝口安置點及飲用水源地區構造成威脅。故本次設計攔渣壩要求高,基礎處理對攔渣壩穩定性、安全性至關重要。

2 壩基(肩)工程地質條件

2.1 壩基(肩)地質概況

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 壩基主要工程地質問題

2.2.1 壩基巖體質量分級

據本次勘探及前期資料,項目區主要地層為第四系人工堆積塊石(Q4ml)、泥石流堆積(Q4sef)碎石、全新統坡積(Q4dl)碎石土,全新統沖洪積(Q4al+pl)卵石,奧陶系露斑鳩關巖組強風化板巖及中風化板巖[1],現將各地層分述如下:

1)塊石①:為采石場廢料堆積,土體結構松散,未分層碾壓呈松散狀,堆積時間長達10 a,基本穩定,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風化板巖為主,巖芯多為片狀、碎塊狀或粉末狀,經滑動或泥石流搬運,穩定性較差,承載力允許值fak=150 kPa。

3)強風化板巖④:黑色,巖石堅硬程度為堅硬巖,巖體完整程度為破碎,巖體基本質量等級為Ⅴ級。據地區相關經驗該層承載力允許值為fak=550 kPa,樁側極限摩阻力100 kpa,樁端極限承載力2 000 kpa。

4)中風化板巖⑤:黑色。巖石堅硬程度為堅硬巖,巖石完整程度為較完整,巖體基本質量等級為Ⅳ級。該層中風化泥灰巖承載力允許值fak=1 100 kPa,彈性模量經驗值2.3×104MPa,力學強度較高,層位穩定,埋深較大。

2.2.2 壩基巖體透水性

根據壩基鉆孔壓水試驗資料可知,壩基強風化砂巖巖體透水率4.55 Lu,弱風化砂巖巖體透水率3.79～3.99 Lu,微風化巖體透水率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,壩基巖體透水性對壩基滲漏影響不大。

2.2.3 棄渣場穩定性評價

依據《有色金屬礦山排土場設計規范》規定,當被保護對象為失事后使村鎮或集中居民區遭受嚴重災害時,安全系數取1.3;當被保護對象失事后不致造成人員傷亡或者造成經濟損失不大的次要建構筑物時,安全系數應取1.2;當被保護對象為失事后損失輕微時,安全系數取1.15。

根據上述計算的數據,堆渣體整體邊坡自然工況下的穩定系數1.266,飽和工況下的穩定系數1.176;泥石流(碎石)堆積邊坡自然工況下的穩定系數1.120,飽和工況下的穩定系數1.038。按《有色金屬礦山排土場設計規范》規定的穩定邊坡的安全系數(選擇安全系數為1.2)要求,說明棄渣場現狀欠穩定,達不到安全要求。本填土邊坡滑體危害對象等級為二級,取安全穩定系數為1.20,則需要對邊坡采取防治措施。定性分析和定量驗算結果的分析比較后評價認為:堆渣體整體邊坡自然狀態下處于穩定狀態;飽和狀態下屬基本穩定狀態;泥石流(碎石)堆積邊坡自然狀態下處于基本狀態;飽和狀態下處于欠穩定狀態[2]。

2.2.4 棄渣場安全評價

按《金屬非金屬礦山排土場安全生產規則》(AQ2005-2005)10.2條當有下列條件之1條時,棄渣場安全度屬危險。

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的地基上排土時,未采取安全措施,不能確保排土安全的。

2)排土場出現大面積的非均沉降、干裂,坡面鼓出或基它地基鼓出等滑動跡象的;

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

4)經驗算,剩余推力法安全系數小于1.0的。

本棄渣全符合10.2條的要求,故安全度屬危險。

2.2.5 西門河支溝(吳家坪)泥石流易發性評價及發展趨勢

堆渣渣體結構松散,失穩產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重,影響溝內河道路線偏移;區內降雨量較大,產生泥石流地質災害的可能性中等,溝口無人居住,威脅下方河道及通村公路安全,現狀評估危害程度中等,發育程度中等。對西門河支溝該泥石流溝發育程度進行數量化評判其泥石流的易發程度數量化評分值為92分,屬中等發育泥石流溝。

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

3 處理工程措施分析

根據工程特點,本工程綜合考慮擋渣、排水等需求,設計采用工程措施有:下方河道設置左岸河堤,渣體坡腳設置攔渣壩,上方設置格構梁,兩側設置排水溝等措施。

(4)排水溝:縱向排水溝設計長度為1004 m,縱向排水溝設計洪水防洪標準為30 a一遇洪水,設計流量為6.8 m3/s。本次設計原則上游溝道來水不應進入渣體范圍內,設計截水溝圍繞渣體外側原狀坡體布置,由于現狀坡體較為陡峭、不規整,故設計平面布置平面轉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。根據水利計算手冊,在緩坡變換成陡坡段采用臨界流計算公式計算渠道水深(查手冊P35),經計算hk=0.8 m,底寬1.5 m,設計流速2.83 m/s;故排水渠設計渠深采用1.0 m(設計超高取0.2 m),根據現場地形條件要求,坡體垂直高度超過100 m,采用混凝土結構雖然結構性好,放沖刷能力強,但是施工難度太大,機械和車輛無法到達坡頂,估本次設計采用漿砌石結構(取材方便,施工較為便利)兩側總長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混凝土進行襯砌防沖,每十米設置一道齒墻(防止下滑,基礎至于原狀土上),排水渠布置于溝道兩側坡腳處,基礎至于原狀土上,渣體由于透水性很強,估本次設計主要排除溝道兩側坡體來水,安全排除溝道山洪,避免山洪進入溝道堆積渣體內。橫向截水渠布置三條,總長280 m(原設計513 m)位于坡體上方三處較寬的平臺處,設計流量較小,故設計尺寸采用0.5(凈寬)×0.5(凈高)m,結構形式為M10漿砌石結構,壁厚30 cm,每十米一道伸縮縫。

(5)坡體綠化:設計坡體裸露部分采用播撒草籽,自然恢復。

4 結語

紫陽縣西門河流域擬建5#攔渣壩擋墻工程主要設計難點為工程設計壩體基礎處理,工程區排水問題,工程坡體穩定性計算。壩體基礎無法至于基巖之上,故設計采用雙曲拱鋼筋混凝土地板,將擋墻基礎至于拱形地板之上,地板兩側至于山體基巖之上;工程區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,故需要對坡面進行排水,本次設計排水溝橫向縱向設置多道,且根據地形變化設置跌水井,消力池,交錯式矩形糙條(減緩流速)等措施;工程穩定性,根據坡體地質參數,考慮到落石影響,采用格構梁護坡和綠化措施。