淺析東莊施工供水工程高位水池棄渣場穩定分析方法

王 婷

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001）

為了貫徹落實水土保持法,避免工程建設中的水土流失,在溝道工程地質調查結論的基礎上,應對棄渣場設計堆置狀態進行安全穩定計算分析,主要針對擋墻、邊坡等期抗滑、抗傾覆等要素進行計算,明確棄渣場在設計狀態下的安全穩定性。

本次以東莊施工供水工程高位水池棄渣場為例,采用理正巖土軟件及STAB軟件兩種方法進行穩定分析。

1 工程概況

高位水池棄渣場的棄渣來源為高位水池修建過程中的邊坡及基礎土方量開挖,選址位于叱干鎮馬鈴村的一處干溝的溝頭部位,距離高位水池約800 m,溝道走向為由北至南,溝內無人群活動。設計堆渣量3.0 萬m3,設計占地0.55 hm2,為4 級溝道型渣場。棄渣場防洪設計標準為20 年一遇,校核標準為30 年一遇,設計流量1.0 m3/s。

根據《東莊施工供水工程高位水池棄渣場地質勘察報告》可知,棄渣場所在的溝道為一干溝的溝頭部位,方向為由北向南,沖溝地形呈V字型,兩岸邊坡高陡,自然坡度57 °~78 °,兩岸植被茂盛,地貌單元主要為黃土塬及沖溝,沖溝發育方向近似于垂直主溝,攔渣擋墻上游延伸長度10m～20m,下游最長約40 m,兩岸塬頂高程1115.2 m~1129 m,溝底高程1077 m~1118 m,相對高差11.0 m~38.2 m,溝谷底寬4.0 m~12.0 m。

墻基（肩）的地層巖性主要為黃土狀壤土及古土壤,地層結構簡單,層位穩定,無軟弱夾層,不會沿軟弱結構面產生滑動。兩岸擋渣墻肩黃土邊坡自然坡度61 °~75 °,大于岸坡的穩定坡腳50 °~55 °,邊坡穩定性差。

左墻肩段,地貌單元為黃土斜坡,地層由⑤-1 黃土狀壤土夾⑤-2 古土壤組成。⑤-1 黃土狀壤土干密度pd=1.40 g/cm3,承載力fak=130 kPa；⑤-2 古土壤干密度pd=1.42 g/cm3,承載力fak=140 kPa。墻肩場地的濕陷類型屬非自重濕陷性場地,濕陷等級Ⅰ級（輕微）,濕陷下限深度5.5 m。樁號0+8.0 m~0 +11.7 m,長度3.7 m,地貌單元屬黃土斜坡。上部為⑤-1層黃土狀壤土夾⑤-2層古土壤組成,⑤-1黃土狀壤土干密度pd=1.40 g/cm3,承載力fak=130 kPa,基床摩擦系數f=0.35；⑤-2古土壤干密度pd=1.42 g/cm3,承載力fak=140 kPa。

右墻肩段,地貌單元為黃土斜坡,上部地層由⑤-1黃土狀壤土夾⑤-2古土壤組成,⑤-1黃土狀壤土干密度pd=1.40 g/cm3,承載力fak=130 kPa；⑤-2古土壤干密度pd=1.42 g/cm3,承載力fak=140 kPa。墻肩場地的濕陷類型屬非自重濕陷性場地,濕陷等級Ⅰ級（輕微）,濕陷下限深度5.5 m。建議設計結合墻肩開挖消除部分濕陷性。開挖穩定坡比：⑤-1黃土狀壤土、⑤-2古土壤1∶0.75~1∶1。

2 棄渣場堆置方案

根據現場堆置條件,棄渣堆置方案主要包括攔擋工程修建、堆渣邊坡防護、排水工程修建以及渣面綠化。堆渣范圍南北長228 m,東西最寬處36 m,擋渣墻采用漿砌石砌筑,墻高5.5 m,墻長約6 m,堆渣于墻后分級起坡堆置,每級堆高5 m,留3 m寬平臺,每級坡比為1∶2.5,設計最大堆渣高度42 m,渣頂高程為1122 m；排水溝布設于棄渣場兩側,防洪設計標準為20 年一遇,校核標準為30 年一遇,設計流量1.0 m3/s,校核流量1.4 m3/s。

3 穩定分析評價

3.1 擋墻穩定分析

高位水池棄渣場攔擋工程為擋渣墻,總墻高6.5 m（其中地面以上墻高5.5 m）,墻長約6 m,墻體斷面設計為重力式梯形斷面,采用M7.5 漿砌石修筑。墻頂寬0.8 m,墻內、外側坡比均為1∶0.3,擋墻基礎現有的軟土進行換填,深度按1.5 m控制,換填后碾壓密實度達到0.95 。擋渣墻穩定分析采用理正巖土軟件中的擋渣墻穩定分析單元進行計算,主要物理參數選取見表1。

表1 擋渣墻穩定計算主要參數取值表

計算擋墻飽和工況時,墻體排水孔按失效考慮,即墻后堆渣體達到飽和狀態。計算地震工況時,取地震動峰值加速度為0.15 g。根據施工圖可知,擋渣墻墻身尺寸為墻身高5.5 m,墻頂寬0.8 m,面坡傾斜坡度1∶0.3,背坡傾斜坡度1∶0.3。

主要物理參數如下：圬工砌體容重22 kN/m3；圬工之間摩擦系數0.4；地基土摩擦系數0.3。

擋渣墻穩定分析按照《水土保持工程設計規范》（GB 51018 -2014）進行計算,穩定分析需分別對墻體抗滑、抗傾覆及地基承載力進行驗算。公式如下：

基底壓應力：

抗滑穩定：

式中：K攔擋工程沿基底面的抗滑穩定安全系數；f攔擋工程基底面與地基之間的摩擦系數；∑G為作用在攔擋工程上全部垂直于水平面的荷載,kN；∑H為作用在攔擋工程上全部平行于基底面的荷載,kN。

抗傾覆穩定：

式中：K為覆攔擋工程抗傾覆穩定安全系數；∑MV為對攔擋工程基底前趾的抗傾覆力矩,kN； ∑MH為對攔擋工程基底前趾的傾覆力矩,kN。

經計算得出以下三種結果,見擋渣墻穩定分析計算結果匯合見表2。

表2 擋渣墻穩定分析計算結果匯合表

3.2 邊坡穩定性分析

棄渣場設計狀態邊坡穩定分析以理正巖土軟件和 STAB軟件分別獨立進行計算,兩款軟件分析均以圓弧滑動模型為基礎,均采用簡化Bishop法,自動搜索各種圓心及半徑組合下的最不利情況,同時計算時又應考慮正常工況、飽和工況和地震工況,與攔擋工程穩定分析類似：計算擋墻飽和工況時,堆渣體按全部達到飽和狀態考慮；計算地震工況時,取地震動峰值加速度為0.15 g。根據地質勘察報告,穩定計算主要物理參數與擋墻一致。

（1）控制參數

計算目標為安全系數計算,主要采用圓弧滑動法,本項目地震烈度為7 度,水平地震系數為0.15,地震作用綜合系數0.25,地震作用重要性系數1。

（2）計算條件

采用圓弧穩定分析方法即簡化Bishop法,穩定計算目標為自動搜索最危險滑裂面。

（3）計算公式

式中：F為穩定系數；bi為第i個土條寬度,m；ai為第i個土條底滑面的傾角,（°）；Ci、φi為第i個土條滑弧所在土層的粘聚力,kPa）和內摩擦角,（°）；mai為系數,按上式計算；Wi為第i個土條重力,kN；Qi為第i個土條垂直方向的外力,kN。

（4）計算結果

表3 計算結果

由計算結果看出,兩款軟件的計算表明：各工況下計算最小安全系數均大于其允許最小值,邊坡穩定滿足規范要求。

4 結論

通過對高位水池棄渣場設計狀態下的穩定性評價計算方法討論,得出計算結果表明：高位水池棄渣場在設計狀態下是穩定的,安全系數滿足相關規范要求。采用理正巖土軟件及STAB軟件兩種方法進行穩定分析能準確地反映出渣場穩定情況,同時也對后期的渣場安全性具有重要意義。