西门河流域山洪沟拦渣坝工程基础处理工程措施分析

储 林,廖显程,陈 科

(1.陕西省安康市紫阳县水利局,陕西 安康 725300;2.陕西省泾惠渠灌溉中心,陕西 三原 713800)

0 引言

拦渣坝是为专门存放开发建设项目在基建施工和生产运行中产生的大量弃土、弃渣、尾矿(沙)和其他废弃固体物而修建的水土保持工程。主要包括拦渣坝、拦渣墙、拦渣堤、拦渣围堰及尾矿(沙)坝等。拦渣坝的修建受地形、地质、设计、施工及经济社会发展水平等综合因素的制约,本文以陕西紫阳县西门河流域山洪沟拦渣坝工程为例,综合考虑挡渣、排水等需求,对工程基础处理措施进行分析,以期为同类工程提供参考。

1 工程概况

陕西南部地区位于大巴山脉北麓,崇山峻岭,幽谷纵流,为深切之山岳地带,地势西南较高,流域地形呈南高北低,海拔高程350～1 600 m,相对高差600～1 200 m,属于中山地貌。汝河和洞河流域呈狭长带状形,发源于重庆市城口县的大巴山南麓,自南向北,于紫阳县洞河镇菜园子汇入汉江。流域内山峦起伏、峰高谷峡、地形复杂,山峰海拔在1 500～2 200 m之间,流域河溪众多、水系发育、河网密度大,植被良好。上游两岸山势陡峻,河口狭窄呈V型河谷,水面宽度一般10～30 m,比降大,平均比降100‰左右,水流急。紫阳县西门河流域拟建5#拦渣坝挡墙工程位于紫阳县西门河中上游段,是逐步实施西门河流域山洪泥石流治理工程的阶段任务。《紫阳县西门河流域山洪沟泥石流治理工程》已完成初步设计工作,其中拟新建拦渣坝13座、主坝一座,共拦截泥石流物源65.39万 m3。其中7#坝已经修建完成,本次设计拦渣坝挡墙是13座拦渣坝中的5#拦渣坝挡墙。2020年4月28日施工单位进行左岸拦渣坝基础开挖,在开挖至设计基础标高后,基槽为碎石土(左右岸在一个横剖面上),不能满足设计挡墙基础承载力要求,经现场实测,基础以下5～6 m均为碎石土。拦渣坝主要拦截上方弃渣堆积体,堆积体长度240 m,宽度30～80 m,厚度8～20 m,约18万m3,成分为瓦板岩矿场弃渣,以块石及碎石为主。堆积体松散堆积于斜坡中上部,堆积前缘延伸至主河道,坡度在30°～35°之间,在遭遇强降雨时易失稳,在水力冲积下滑动涌入主河道成为泥石流,弃渣构成了泥石流的主要物源。对西门河下游居民、沟口安置点及饮用水源地区构造成威胁。故本次设计拦渣坝要求高,基础处理对拦渣坝稳定性、安全性至关重要。

2 坝基(肩)工程地质条件

2.1 坝基(肩)地质概况

西门河在吴家坪河道宽约15～25 m,地形为一较开阔的葫芦地形,地面高程介于640～645 m之间,左侧小型冲沟为弃渣堆积的斜坡,坡度在30°～35°之间,拟建5#拦渣坝挡墙的坝肩均为基岩裸露,中间部位为弃渣体覆盖。

2.2 坝基主要工程地质问题

2.2.1 坝基岩体质量分级

据本次勘探及前期资料,项目区主要地层为第四系人工堆积块石(Q4ml)、泥石流堆积(Q4sef)碎石、全新统坡积(Q4dl)碎石土,全新统冲洪积(Q4al+pl)卵石,奥陶系露斑鸠关岩组强风化板岩及中风化板岩[1],现将各地层分述如下:

1)块石①:为采石场废料堆积,土体结构松散,未分层碾压呈松散状,堆积时间长达10 a,基本稳定,承载力特征值fak=160 kPa,

2)碎石②:松散稍密,主要以滑落的块状强风化板岩为主,岩芯多为片状、碎块状或粉末状,经滑动或泥石流搬运,稳定性较差,承载力允许值fak=150 kPa。

3)强风化板岩④:黑色,岩石坚硬程度为坚硬岩,岩体完整程度为破碎,岩体基本质量等级为Ⅴ级。据地区相关经验该层承载力允许值为fak=550 kPa,桩侧极限摩阻力100 kpa,桩端极限承载力2 000 kpa。

4)中风化板岩⑤:黑色。岩石坚硬程度为坚硬岩,岩石完整程度为较完整,岩体基本质量等级为Ⅳ级。该层中风化泥灰岩承载力允许值fak=1 100 kPa,弹性模量经验值2.3×104MPa,力学强度较高,层位稳定,埋深较大。

2.2.2 坝基岩体透水性

根据坝基钻孔压水试验资料可知,坝基强风化砂岩岩体透水率4.55 Lu,弱风化砂岩岩体透水率3.79～3.99 Lu,微风化岩体透水率3.45～3.71 Lu,均为弱透水岩层。且坝基砂岩上部覆盖厚度9.0～12.0 m红粘土,坝基岩体透水性对坝基渗漏影响不大。

2.2.3 弃渣场稳定性评价

依据《有色金属矿山排土场设计规范》规定,当被保护对象为失事后使村镇或集中居民区遭受严重灾害时,安全系数取1.3;当被保护对象失事后不致造成人员伤亡或者造成经济损失不大的次要建构筑物时,安全系数应取1.2;当被保护对象为失事后损失轻微时,安全系数取1.15。

根据上述计算的数据,堆渣体整体边坡自然工况下的稳定系数1.266,饱和工况下的稳定系数1.176;泥石流(碎石)堆积边坡自然工况下的稳定系数1.120,饱和工况下的稳定系数1.038。按《有色金属矿山排土场设计规范》规定的稳定边坡的安全系数(选择安全系数为1.2)要求,说明弃渣场现状欠稳定,达不到安全要求。本填土边坡滑体危害对象等级为二级,取安全稳定系数为1.20,则需要对边坡采取防治措施。定性分析和定量验算结果的分析比较后评价认为:堆渣体整体边坡自然状态下处于稳定状态;饱和状态下属基本稳定状态;泥石流(碎石)堆积边坡自然状态下处于基本状态;饱和状态下处于欠稳定状态[2]。

2.2.4 弃渣场安全评价

按《金属非金属矿山排土场安全生产规则》(AQ2005-2005)10.2条当有下列条件之1条时,弃渣场安全度属危险。

1)在地形坡度大于25度的地基上顺坡排土、在软弱层厚度大于10 cm的地基上排土时,未采取安全措施,不能确保排土安全的。

2)排土场出现大面积的非均沉降、干裂,坡面鼓出或基它地基鼓出等滑动迹象的;

3)排土场排土平台为顺坡的;山坡汇水面积大而未修排水沟,或排水色被严重堵塞的;

4)经验算,剩余推力法安全系数小于1.0的。

本弃渣全符合10.2条的要求,故安全度属危险。

2.2.5 西门河支沟(吴家坪)泥石流易发性评价及发展趋势

堆渣渣体结构松散,失稳产生滑坡的可能性中等,为泥石流提供了物源;沟口堆渣体堵塞沟道较严重,影响沟内河道路线偏移;区内降雨量较大,产生泥石流地质灾害的可能性中等,沟口无人居住,威胁下方河道及通村公路安全,现状评估危害程度中等,发育程度中等。对西门河支沟该泥石流沟发育程度进行数量化评判其泥石流的易发程度数量化评分值为92分,属中等发育泥石流沟。

该泥石流从物质来源分析,主要来源于吴家坪冲沟两侧片状碎石,在强降雨洪水冲积作用下失稳、滑动,部分物质随流水携带至主沟形成水石流,构成泥石流的形成区及流通区,在西门河沟道构成堆积区,属于山谷型水石流;该水石流冲出支沟进入西门河主沟堵塞河道,在次构成主河道水石流物源,在主河道流通达1.2～2 km,有典型的山谷(支沟)型水石流,转化为河道型水石流,形成巨大的破坏力,与2010年7月18日,紫阳县降雨量达达175.1 mm,爆发泥石流;据本次调查访问,7.18水石流冲出量估算为2.8～3.3万 m3之间,数年来,在降雨季节支沟(吴家坪)仍有少量冲出物质,一次冲出量在1 500～3 500 m3之间,可见,随时间的推移,上部松散层趋于密实,稳定性逐渐加强,水石流爆发频率趋于减弱。

3 处理工程措施分析

根据工程特点,本工程综合考虑挡渣、排水等需求,设计采用工程措施有:下方河道设置左岸河堤,渣体坡脚设置拦渣坝,上方设置格构梁,两侧设置排水沟等措施。

(4)排水沟:纵向排水沟设计长度为1004 m,纵向排水沟设计洪水防洪标准为30 a一遇洪水,设计流量为6.8 m3/s。本次设计原则上游沟道来水不应进入渣体范围内,设计截水沟围绕渣体外侧原状坡体布置,由于现状坡体较为陡峭、不规整,故设计平面布置平面转弯半径按照不小于排水沟宽度3～5倍控制,保证水流能够平顺排出。根据水利计算手册,在缓坡变换成陡坡段采用临界流计算公式计算渠道水深(查手册P35),经计算hk=0.8 m,底宽1.5 m,设计流速2.83 m/s;故排水渠设计渠深采用1.0 m(设计超高取0.2 m),根据现场地形条件要求,坡体垂直高度超过100 m,采用混凝土结构虽然结构性好,放冲刷能力强,但是施工难度太大,机械和车辆无法到达坡顶,估本次设计采用浆砌石结构(取材方便,施工较为便利)两侧总长1 004 m,壁厚0.5 m,底厚0.3 m,在陡坡段下游1/4处开始面层设置消力齿用以减小流速和冲刷,且截水沟底部采用20 cm厚C20混凝土进行衬砌防冲,每十米设置一道齿墙(防止下滑,基础至于原状土上),排水渠布置于沟道两侧坡脚处,基础至于原状土上,渣体由于透水性很强,估本次设计主要排除沟道两侧坡体来水,安全排除沟道山洪,避免山洪进入沟道堆积渣体内。横向截水渠布置三条,总长280 m(原设计513 m)位于坡体上方三处较宽的平台处,设计流量较小,故设计尺寸采用0.5(净宽)×0.5(净高)m,结构形式为M10浆砌石结构,壁厚30 cm,每十米一道伸缩缝。

(5)坡体绿化:设计坡体裸露部分采用播撒草籽,自然恢复。

4 结语

紫阳县西门河流域拟建5#拦渣坝挡墙工程主要设计难点为工程设计坝体基础处理,工程区排水问题,工程坡体稳定性计算。坝体基础无法至于基岩之上,故设计采用双曲拱钢筋混凝土地板,将挡墙基础至于拱形地板之上,地板两侧至于山体基岩之上;工程区排水问题主要由于上方渣体堆渣量为18万 m3,且主要为矿渣,透水性太强,故需要对坡面进行排水,本次设计排水沟横向纵向设置多道,且根据地形变化设置跌水井,消力池,交错式矩形糙条(减缓流速)等措施;工程稳定性,根据坡体地质参数,考虑到落石影响,采用格构梁护坡和绿化措施。