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泾河东庄供水工程某3级渣场稳定性分析研究
摘要：供水工程施工中选定了多处渣场,弃渣多为黄土堆积而成,自身稳定性较差,如遇暴雨、洪水等极端天气,易产生滑坡、崩塌等地质灾害,对当地的居民生产生活会造成较大的威胁。为确保工程选定的某3级弃渣场在设计状态下安全稳定,在对沟道进行工程地质调查结论的基础上,根据工程地质条件和弃渣堆置方式,对弃渣场的整体及堆渣边坡的抗滑稳定性进行计算分析,明确弃渣场在设计状态的稳定性,为项目施工及后期运行提供可靠依据。
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1、前言
工程施工中选定的多处弃渣场多由黄土堆积而成, 自身稳定性较差 , 如遇暴雨､洪水等极端天气 , 易产生滑坡､崩塌等地质灾害 , 对当地的居民生产生活会造成较大的威胁｡为确保工程选定的某 3 级弃渣场在设计状态下安全稳定 , 在对沟道进行工程地质调查结论的基础上 , 根据工程地质条件和弃渣堆置方式 , 对弃渣场的整体 [1] 及堆渣边坡 [2] 的抗滑稳定性进行计算分析 , 明确弃渣场在设计状态的稳定性｡
2、弃渣场基本情况
该3 级沟道型弃渣场位于泔河左岸支沟内 , 距离响石潭下坝址约 670 m, 距离与泔河交汇口约 130 m, 渣场总体布局为沟道中部横向修建挡渣墙一道 , 弃渣于挡墙后分级起坡堆置或缓坡堆置 , 渣场两侧布置纵向排水沟 , 排水沟均为明渠 ,末端采用护坦接入原沟道沟底处｡汇流面积 0.28 km2, 堆渣方量135.3万m3,占地面积4.5 hm2,堆渣高度75 m,堆置坡比1∶2.5,拦挡高度 5 m｡
2.1 地质条件
沟道方向为东北向西南, 冲沟地形呈 V 字型 , 两岸边坡高陡 , 自然坡度 40°~70°, 两岸黄土陡坎植被稀疏 , 地貌单元主要为黄土塬及冲沟 , 两岸塬顶高程 750 m~770 m, 沟底高程 675 m~750 m, 相对高差 70 m, 沟谷底宽 12 m~36 m｡工程区为晚､中更新世黄土､黄土状夹古土壤 , 地层结构中未发现第四系以来断裂及地裂缝分布｡沟底地下水位埋深大于 10 m,地下水对本工程无影响｡
2.2 弃渣场水文计算
该弃渣场位于咸阳市境内, 采用《咸阳市水文手册》中的“经验公式法”计算弃渣场洪峰流量 [3], 计算公式及结果如下:
式中:QP 为频率为 P 的洪峰流量 ,m3/s;F 为流域面积;Kp､n 为与流域特征和频率有关的经验系数和指数｡
表1 水文计算表
2.3 弃渣场水力计算
该弃渣场布设纵向排水沟, 排出周围塬面来水｡排水沟断面通过明渠均匀流 [4] 公式计算确定 , 排水沟采用 C20 混凝土砌筑 , 断面为梯形 , 内边坡系数为 0.5, 纵向比降 1/200｡
表2 水力计算表
3、弃渣场稳定分析
3.1 边坡稳定分析计算
本次弃渣场设计状态边坡稳定分析以“STAB”(2018)软件 [5] 进行计算 , 软件分析以直线滑动模型为基础 , 采用瑞典圆弧法 [6] 计算 , 并取不利情况为结果｡程序自动优化求解采用整体单形法｡各弃渣场计算工况均分别计算正常工况､多雨工况和地震工况｡
3.2 拦挡工程稳定分析计算
弃渣场拦挡工程均为重力式挡墙, 稳定分析按照《水工挡土墙设计规范》(SL 379-2007)及《水土保持工程设计规范》(GB 51018-2014)进行计算 , 稳定分析需分别对墙体抗滑､抗倾覆及地基承载力进行验算｡
(a)抗滑稳定计算公式:
式中:K 为挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数;f 为挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数;∑G 为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载 ,kN;∑H 为作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载 ,kN｡
(b)抗倾覆稳定计算公式:
式中:K 为挡土墙抗倾覆稳定安全系数;∑MV 为对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩 ,kN·m;∑MH 为对挡土墙基底前趾的倾覆力矩 ,kN·m｡
(c)基底压应力式中:
P 为挡土墙基底应力的最大值或最小值 ,kPa;∑G 为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载 ,kN;∑M 为作用在挡土墙上的全部荷载对于水平面平行前墙墙面方向形心轴的力矩之和 ,kN·m;A 为挡墙基底面的面积 ,m2;W 为挡墙基底面对于基底面平行前墙墙面方向形心轴的截面矩 ,m3｡
(d)弃渣场整体稳定分析计算
弃渣场整体稳定分析以渣场底部的原地面线为滑动面,弃渣控制参数依照地质勘查结果 , 计算方法选择瑞典圆弧法 ,计算公式同“边坡稳定分析计算”｡
3.3 计算工况选择根
据《水利水电工程水土保持技术规范》(SL 575-2012), 弃渣场稳定分析计算应考虑正常运用工况和非常运用工况 , 正常运用工况指弃渣场在正常和持久的条件下 , 弃渣场处在最终弃渣状态时 , 弃渣体无渗流或稳定渗流;非常运用工况指的是弃渣场在正常运用工况下遭遇Ⅶ度或Ⅶ度以上地震时的工况｡除此之外 , 多雨地区的弃渣场还应核算连续降雨时的边坡抗滑稳定｡
本次分析计算时,以设计堆置状态作为正常和持久运用状态｡根据地勘资料 , 工程区相应的地震基本烈度为Ⅶ度 ,因此应考虑“地震工况”｡根据气象资料 , 项目区多年平均降雨量 540 mm~580 mm, 弃渣面积广,堆渣厚度大 , 渣体内部易产生含水土层 , 因此本次计算时考虑表层堆渣体达到饱和状态时的非常运用工况 , 本次稳定分析计算称“多雨工况”｡
综上所述, 本报告各弃渣场边坡稳定计算工况均采用 3种工况 , 即正常工况､多雨工况和地震工况｡弃渣场整体抗滑稳定分析时 , 选择多雨工况进行计算｡
3.4 计算参数选择
地质勘察工作中, 本次堆渣体物理参数 [7] 选择如下 : 土质渣体天然状态下容重取 15.0 N/m3, 内摩擦角 φ[8] 取 27°,粘聚力 c[9] 取 26 kPa;饱和状态下容重取 18.3 N/m3, 内摩擦角φ 取 20°, 粘聚力 c 取 210 kPa｡根据本工程地址勘察 , 渣场所在区域地震烈度为Ⅶ度 , 地震动峰值加速度 0.15g, 地震动峰值加速度反应谱特征周期 0.45s｡多雨工况中 , 降雨历时取1 h, 渗透系数 K 取 3.5×10-2cm/s, 饱和层厚度按渣面以下深 2 m计算｡
3.5 滑动面选择
本次弃渣场稳定分析计算时, 滑动面形状按圆弧型计算考虑 , 滑动面设置时须包含所有起坡范围｡由于拦挡工程相对于堆渣总高度非常小 , 本次在边坡稳定分析时 , 为方便起见 , 将拦挡高度也视为一级边坡 , 其坡度与其他边坡堆置坡度相同｡
3.6 计算断面选择
各弃渣场堆渣体物理性质均一, 各渣场计算断面均应选择为最可能滑动方向的断面 , 即沿沟道中心最大堆高处的纵向方向｡计算断面与坡面走向一致 , 对于各级堆渣坡面朝向一致的弃渣场 , 计算断面在平面图中为一条直线 , 对于各级堆渣坡面朝向不完全一致的弃渣场 , 计算断面在图中为一条折线｡
3.7 计算方法选择
各渣场边坡稳定分析计算时, 软件分析以圆弧滑动模型为基础 , 采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法 [10] 同时计算 , 程序自动优化求解采用整体单形法 , 即由程序自动找到临界滑动面 , 以临界安全系数为准｡各渣场整体抗滑稳定分析计算时 ,采用摩根斯顿 - 普赖斯法(即 M-P 法)进行计算｡
4、计算结果分析
4.1 正常工况分析
(1)采用方法:简化毕肖普法
计算目标为安全系数计算;滑裂面形状为以渣体底部与原沟道接触面为滑动面;临界滑面寻找方法为整体单形法;计算结果数据为安全系数 =2.3200｡
(2)采用方法:瑞典圆弧法
计算目标为安全系数计算;滑裂面形状为以渣体底部与原沟道接触面为滑动面;临界滑面寻找方法为整体单形法;计算结果数据为安全系数 =2.3120｡
4.2 多雨工况分析
多雨工况是弃渣体遭遇长时间降雨, 堆渣体表层 2.0 m厚为饱和状态时的工况 , 其控制参数和计算公式同上｡
采用方法:简化毕肖普法;计算目标:安全系数计算;滑裂面形状:以渣体底部与原沟道接触面为滑动面;临界滑面寻找方法:整体单形法;饱和层厚度:2.0 m;计算结果数据:安全系数 =1.9810｡采用方法:瑞典圆弧法;
计算目标:安全系数计算;滑裂面形状:以渣体底部与原沟道接触面为滑动面;临界滑面寻找方法:整体单形法;饱和层厚度:2.0 m;计算结果数据:安全系数 =1.9350｡
4.3 地震工况分析
地震工况是弃渣体遭遇Ⅶ度地震时的工况 , 加速度方向以向上为不利情况 , 本次计算选择仅计算加速度方向向上的情况 , 其控制参数和计算公式同上｡
采用方法:简化毕肖普法;计算目标:安全系数计算;滑裂面形状:以渣体底部与原沟道接触面为滑动面;临界滑面寻找方法:整体单形法;地震烈度:Ⅶ度 , 地震动峰值加速度:0.15g;计算结果数据:安全系数 =1.6270｡采用方法:瑞典圆弧法;
计算目标:安全系数计算;滑裂面形状:以渣体底部与原沟道接触面为滑动面;临界滑面寻找方法:整体单形法;地震烈度:Ⅶ度 , 地震动峰值加速度:0.15g;计算结果数据:安全系数 =1.5870｡4.4 整体抗滑稳定分析
采用方法:M-P 法;计算目标:安全系数计算;滑裂面形状:以渣体底部与原沟道接触面为滑动面;临界滑面寻找方法:直接制定;计算结果数据:安全系数 =2.8800｡
4.5 计算结果汇总
通过对本工程3 级弃渣场现状下的边坡稳定性分析､拦挡工程稳定性分析､弃渣抗滑整体稳定分析 , 计算结果表明 :弃渣场在现状下是稳定的 , 安全系数满足《水土保持工程设计规范》(GB 51018-2014)和《水利水电工程水土保持技术规范》(SL 575-2012)相关要求｡
弃渣场设计状态下的边坡稳定分析计算结果见表3(表中上下并列的计算值 , 上方为简化毕肖普法结果 , 下方为瑞典法结果｡表中数值均为临界滑动面计算结果)｡挡渣墙稳定分析计算结果见表 4, 弃渣场整体抗滑稳定分析计算结果见表 5｡
表3 边坡稳定分析计算结果
表4 挡渣墙稳定分析计算结果
表5 整体抗滑稳定分析计算结果
5、稳定分析结论
(1)渣场沿冲沟沟道布置 , 地质条件､地貌单元主要为黄土塬及冲沟 , 黄土塬由黄土､黄土状土夹古土壤组成 , 冲沟由壤土组成 , 局部基岩出露 , 岩性为三叠系砂岩｡场地整体稳定性较好 , 较适宜作为工程弃渣场 , 地基承载力满足设计需求 , 场地湿陷问题影响不大｡
(2)依照设计进行堆置施工后 , 通过对弃渣场设计状态下的边坡稳定性计算分析 , 分别考虑正常工况､多雨工况及地震工况 , 其计算分析结果表明:弃渣场在设计状态下是稳定的 , 安全系数满足相关规范要求｡
(3)依照设计进行堆置施工后 , 通过对弃渣场设计状态下的挡渣墙稳定性计算分析 , 考虑正常工况､多雨工况及地震工况 , 分别通过抗滑稳定､抗倾覆稳定､承载力验算､其计算分析结果均表明:弃渣场拦挡设施在设计状态下是稳定的 , 安全系数满足相关规范要求｡
(4)依照设计进行堆置施工后 , 通过对弃渣场设计状态下的整体稳定性计算分析 , 考虑多雨工况 , 其计算分析结果均表明:弃渣场在设计状态下是稳定的 , 安全系数满足相关规范要求｡
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文章来源:刘冬冬,李苏航,苏玉婷.泾河东庄供水工程某3级渣场稳定性分析研究[J].陕西水利,2024,(12):120-122.
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期刊名称：水电与抽水蓄能
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主管单位：英大传媒投资集团有限公司
主办单位：英大传媒投资集团南京有限公司
出版地方：北京
专业分类：水利
国际刊号：2096-093X
国内刊号：32-1858/TV
邮发代号：80-988
创刊时间：1977年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：4-6个月
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2024-12-20
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