某废弃矿区拦渣坝设计及计算分析

张忠坤，胡培良，李爱兵

(1. 西藏华泰龙矿业开发有限公司， 西藏 墨竹工卡县 850200；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；3. 金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012)

某废弃矿区内废弃物来源于历史遗留的固体废弃物,主要由两大部分组成，一部分为堆积在矿区冲沟内的尾砂及废石；另一部分为冲刷至矿区河道内尾砂底泥。为控制固体废弃物流入下游河道水库内，拟修建拦砂坝。

1 地质条件

1.1 工程地质

本场区勘察深度范围内，地基土自上而下分为如下2层:

第①层杂填土: 棕灰色、紫红色、黄褐色等，主要由粘性土组成，局部含老房屋基础砖块碎石，新近堆填，结构松散，未完成自重固结，具高压缩性。场区普遍分布，厚度:0.90～3.50 m。

第②层强风化花岗岩: 肉红、浅灰色，中粗粒结构，块状构造，岩芯呈散粒状，偶夹块状、柱状，易散裂；场区普遍分布，最大揭露厚度10.90 m，该层未穿透。

1.2 岩土工程分析评价

1.2.1 场地地稳定性和适宜性分析

拟建场区为填方区，地形起伏较大，地貌类型较单一，地层结构简单，分布连续，厚度较稳定，物理力学性质均匀，地层承载力较高，钻孔深度内未见不良地质构造及可液化地层，场区稳定性良好，适宜兴建拦渣坝。

1.2.2 地层岩土工程特性

第①层杂填土：杂色，结构松散，压缩性大，承载力低，不能作为拦渣坝基础持力层。

第②层强风化花岗岩：具有较好的物理力学性质，分布稳定，承载力较高，可采作拦渣坝基础持力层。

1.3 岩土体物理力学参数[1-2]

拟建场地抗震设防烈度为Ⅵ度，设计基本地震加速度为0.05 g，设计地震特征周期值为0.35 s，设计地震分组为第一组；拟建场地土为中硬场地土，建筑场地类别为Ⅱ类,属可进行建设的一般场地。

根据所采试样的室内土工试验成果表、现场原位测试成果统计表，拟建场地各主要岩土层的物理力学指标推荐值见表1。

表1 岩土层物理力学参数

勘察期间钻孔均遇见地下水，场地内地下水及场地土对混凝土具微腐蚀，地下水及场地土对混凝土中钢筋无腐蚀。

根据《泥石流灾害防治工程勘察规范》对该地区泥石流易发程度量化评分，以及现场实际调查，该地区量化评分为51，处于轻度易发范围，泥石流流体重度γc取值为1.349 t/m3。

2 拦渣坝设计及计算分析

2.1 工程及结构等级[3-5]

根据《泥石流灾害防治工程勘察规范》，该拦砂坝工程设计标准采用三级防治工程安全等级，三级对应洪水重现期为30年一遇。基本荷载组合下，拦挡墙抗滑安全系数为1.15，拦挡墙抗倾覆安全系数为1.40；特殊荷载组合下，拦挡墙抗滑安全系数为1.06，拦挡墙抗倾覆安全系数为1.12。

本项目拟建场地抗震设防烈度为Ⅵ度，设计基本地震加速度为0.05 g，设计地震特征周期值为0.35 s，设计地震分组为第一组，可不作抗震设防处理。

2.2 设计方案[6-10]

国内筑坝技术成熟，坝型选择主要是粘土坝、堆石碾压坝和浆砌石坝。由于浆砌石坝具有就地取材、抗震能力及受力性能就好、施工机械化程度高、建设速度快等优点，所以拦渣坝采用浆砌石坝。

通过对现场地形的勘测，以及拦渣坝淤积量的估算(见图1～图3)，建设坝顶宽度为2 m、坝底宽度为5.95 m、坝顶长38 m的浆砌石拦渣坝。

图1 拦渣坝建设平面图

2.3 设计验算[5,11-14]

2.3.1 基本荷载组合计算

根据《泥石流灾害防治工程设计规范》，作用于拦砂坝的基本荷载有：坝体自重、泥石流压力、堆积物的土压力、过坝泥石流的动水压力、水压力、扬压力、冲击力等。

(1)坝体自重Wb：

Wb=Vb×γb

(1)

(2) 泥石流竖向压力,包括土体重Ws和溢流重Wf(该坝不考虑)。

(3) 作用于拦挡坝近水平面上的水平压力有：泥石流流体水平压力Fvl、以及水平水压力Fwl。Fvl可以采用朗肯主动土压力计算(对于该坝体采用水土合算，故Fwl不用再重复计算)：

(2)

式中：γc为泥石流重度；Hc为泥石流体泥深；φa为泥石流体内摩擦角。

图2 拦渣坝立面图

图3 拦渣坝剖面图

(4) 过坝泥石流动水压力σ为过坝泥石流水平作用在坝体上泥石流动压力，按照下式计算：

(3)

式中：Vc为泥石流的平均流速(m/s)；g为重力加速度；γc为泥石流的重度。

(5) 作用在迎水面坝踵处的扬压力Fy按下式计算：

(4)

式中：Fy为扬压力,kPa；H1为坝上游水深,m；H2为坝下游水深,m；B为坝底宽度,m；K为折减系数。

(6 )冲击力Fc包括泥石流整体冲击力Fδ和泥石流中大块石的冲击力Fb。泥石流整体冲击力用下式计算：

(5)

式中：Fδ为泥石流整体冲击压力,kPa；γc为泥石流的重度，kN/m3；Vc为泥石流流速，m/s；g为重力加速度；α为建筑物受力面与泥石流冲压方向的夹角(°)；λ为建筑物形状系数，圆形建筑物λ=1.0，矩形建筑物λ=1.33，方形建筑物λ=1.47。Fb可按下式计算：

(6)

式中：Fb为泥石流大块石冲击力,kPa；E为工程构件弹性模量,kPa；J为工程构件截面中心轴惯性矩,m4；L为构件长度,m；V为石块运动速度,m/s；W为石块重量,kN；g为重力加速度；α为块石运动方向与构件受力面的夹角。基本荷载组合计算结果见表2。

表2 基本荷载组合计算结果

2.3.2 拦渣坝稳定性验算

拦砂坝稳定性验算应包括以下3个方面：

(1) 抗滑稳定性验算：

(7)

式中：Kc为抗滑安全系数，可根据防治工程安全等级及荷载组合取值；ΣN为垂直方向作用力的总和；ΣP为水平方向作用力的总和。

(2) 抗倾覆验算:

(8)

式中：K0为抗倾覆安全系数，根据防治工程安全等级及荷载组合取值；ΣMN为抗倾力矩的总和,kN·m；ΣMP为倾覆力矩的总和,kN·m。

(3) 地基承载力应满足下式：

σmax≤[σ]

(9)

σmin≥0

(10)

当基础宽度大于3 m或埋深大于0.5 m时，地基承载力特征值fak尚应根据下式进行修正：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

(11)

该拦渣坝基础埋深1 m，修正后的地基承载力特征值fak=600 kPa。

抗滑稳定性及抗倾覆稳定性验算见表3。

表3 抗滑稳定性验算及抗倾覆稳定性验算

抗滑稳定性系数为1.55,大于许用安全系数1.15。抗倾覆稳定性系数为2.9,大于许用安全系数1.4。

地基承载力计算结果为：

σmax=283.07 kPa≤[σ]=600 kPa

σmin=11.15 kPa≥0

根据上述计算可知，该拦砂坝的抗滑稳定性验算、抗倾覆稳定性验算、地基承载力均符合设计要求。

2.3.3 溢流口洪峰流量及设计

库内汇水面积F为1.0 km2，流域长度L为0.60 km，流域坡降J为0.106。

(1) 点、面雨量及暴雨递减指数计算。查《湖南省暴雨洪水查算手册》(湖南省水文总站，1984年4月)可知30年一遇洪水(P=3.33%)的相关水文参数见表4。

表4 p=3.33%时水文参数(Cs=3.5Cv)

(2) 暴雨洪峰流量计算：

(12)

计算得：Qm=12 m3/s。

(3) 溢流口排洪流量计算。根据《混凝土重力坝设计规范》，溢流口宽度取决于设计泄洪量的大小，按溢流坝水力计算决定；敞开式溢流堰泄流能力按照下式计算：

(13)

式中：Q为流量，m3/s；B为溢流堰净宽，m；Hw计入行进流速的堰上总水头，m；g为重力加速度，m/s2；m为流量系数；C为上游面坡度影响修正系数；ε为侧收缩系数；σs为淹没系数。

该坝顶设计有8 m宽和1.2 m深的溢流口，泄流能力为Q=20 m2/s>12 m2/s。溢流口排洪流量大于洪峰流量，符合规范要求。

2.3.4 泄水口设计

排泄孔设计原则：排泄孔尽可能成排布置在溢流坝段，孔数不得少于2个，多排布设时应做品字形交错排列。一般取：

单孔孔径：D≥(2～4.5)Dm

孔间壁厚：Db≥(1～1.5)Dm

式中：Dm为过流中最大石块粒径。

根据现场观测情况，单孔尺寸300 mm×300 mm，孔水平中心距取1000 mm。

2.3.5 袒护工程设计

为防止溢坝洪水对坝趾的掏空，影响坝体稳定性，在坝体背水面建设袒护工程。在距坝趾基础3 m内，清除杂填土至强风化花岗岩界面，砌筑1 m后浆砌石，浆砌石砌至坝趾处。

3 结 论

泥石流拦渣坝是一项风险较高的工程，拦渣坝的设计应该采用全动态设计法，建设方、施工方、设计方、监理方、监测检测方应加强沟通、密切联系、数据共享，及时反馈施工过程中的相关问题。

拦渣坝在施工及后期的检查十分重要，主要采取巡视检查，从施工期到运行期，均应对大坝进行定期巡视检查。在大洪水期间、坝区发生震感地震以及发生其他特殊情况时，应加强检查次数。

发现大坝及附属建筑物出现损伤、基础滑移等异常现象时，应立即上报，并分析原因，研究处理措施。

参考文献：

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