某廢棄礦區攔渣壩設計及計算分析

張忠坤，胡培良，李愛兵

(1. 西藏華泰龍礦業開發有限公司， 西藏 墨竹工卡縣 850200；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；3. 金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

某廢棄礦區內廢棄物來源于歷史遺留的固體廢棄物,主要由兩大部分組成，一部分為堆積在礦區沖溝內的尾砂及廢石；另一部分為沖刷至礦區河道內尾砂底泥。為控制固體廢棄物流入下游河道水庫內，擬修建攔砂壩。

1 地質條件

1.1 工程地質

本場區勘察深度范圍內，地基土自上而下分為如下2層:

第①層雜填土: 棕灰色、紫紅色、黃褐色等，主要由粘性土組成，局部含老房屋基礎磚塊碎石，新近堆填，結構松散，未完成自重固結，具高壓縮性。場區普遍分布，厚度:0.90～3.50 m。

第②層強風化花崗巖: 肉紅、淺灰色，中粗粒結構，塊狀構造，巖芯呈散粒狀，偶夾塊狀、柱狀，易散裂；場區普遍分布，最大揭露厚度10.90 m，該層未穿透。

1.2 巖土工程分析評價

1.2.1 場地地穩定性和適宜性分析

擬建場區為填方區，地形起伏較大，地貌類型較單一，地層結構簡單，分布連續，厚度較穩定，物理力學性質均勻，地層承載力較高，鉆孔深度內未見不良地質構造及可液化地層，場區穩定性良好，適宜興建攔渣壩。

1.2.2 地層巖土工程特性

第①層雜填土：雜色，結構松散，壓縮性大，承載力低，不能作為攔渣壩基礎持力層。

第②層強風化花崗巖：具有較好的物理力學性質，分布穩定，承載力較高，可采作攔渣壩基礎持力層。

1.3 巖土體物理力學參數[1-2]

擬建場地抗震設防烈度為Ⅵ度，設計基本地震加速度為0.05 g，設計地震特征周期值為0.35 s，設計地震分組為第一組；擬建場地土為中硬場地土，建筑場地類別為Ⅱ類,屬可進行建設的一般場地。

根據所采試樣的室內土工試驗成果表、現場原位測試成果統計表，擬建場地各主要巖土層的物理力學指標推薦值見表1。

表1 巖土層物理力學參數

勘察期間鉆孔均遇見地下水，場地內地下水及場地土對混凝土具微腐蝕，地下水及場地土對混凝土中鋼筋無腐蝕。

根據《泥石流災害防治工程勘察規范》對該地區泥石流易發程度量化評分，以及現場實際調查，該地區量化評分為51，處于輕度易發范圍，泥石流流體重度γc取值為1.349 t/m3。

2 攔渣壩設計及計算分析

2.1 工程及結構等級[3-5]

根據《泥石流災害防治工程勘察規范》，該攔砂壩工程設計標準采用三級防治工程安全等級，三級對應洪水重現期為30年一遇。基本荷載組合下，攔擋墻抗滑安全系數為1.15，攔擋墻抗傾覆安全系數為1.40；特殊荷載組合下，攔擋墻抗滑安全系數為1.06，攔擋墻抗傾覆安全系數為1.12。

本項目擬建場地抗震設防烈度為Ⅵ度，設計基本地震加速度為0.05 g，設計地震特征周期值為0.35 s，設計地震分組為第一組，可不作抗震設防處理。

2.2 設計方案[6-10]

國內筑壩技術成熟，壩型選擇主要是粘土壩、堆石碾壓壩和漿砌石壩。由于漿砌石壩具有就地取材、抗震能力及受力性能就好、施工機械化程度高、建設速度快等優點，所以攔渣壩采用漿砌石壩。

通過對現場地形的勘測，以及攔渣壩淤積量的估算(見圖1～圖3)，建設壩頂寬度為2 m、壩底寬度為5.95 m、壩頂長38 m的漿砌石攔渣壩。

圖1 攔渣壩建設平面圖

2.3 設計驗算[5,11-14]

2.3.1 基本荷載組合計算

根據《泥石流災害防治工程設計規范》，作用于攔砂壩的基本荷載有：壩體自重、泥石流壓力、堆積物的土壓力、過壩泥石流的動水壓力、水壓力、揚壓力、沖擊力等。

(1)壩體自重Wb：

Wb=Vb×γb

(1)

(2) 泥石流豎向壓力,包括土體重Ws和溢流重Wf(該壩不考慮)。

(3) 作用于攔擋壩近水平面上的水平壓力有：泥石流流體水平壓力Fvl、以及水平水壓力Fwl。Fvl可以采用朗肯主動土壓力計算(對于該壩體采用水土合算，故Fwl不用再重復計算)：

(2)

式中：γc為泥石流重度；Hc為泥石流體泥深；φa為泥石流體內摩擦角。

圖2 攔渣壩立面圖

圖3 攔渣壩剖面圖

(4) 過壩泥石流動水壓力σ為過壩泥石流水平作用在壩體上泥石流動壓力，按照下式計算：

(3)

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

(5) 作用在迎水面壩踵處的揚壓力Fy按下式計算：

(4)

式中：Fy為揚壓力,kPa；H1為壩上游水深,m；H2為壩下游水深,m；B為壩底寬度,m；K為折減系數。

(6 )沖擊力Fc包括泥石流整體沖擊力Fδ和泥石流中大塊石的沖擊力Fb。泥石流整體沖擊力用下式計算：

(5)

式中：Fδ為泥石流整體沖擊壓力,kPa；γc為泥石流的重度，kN/m3；Vc為泥石流流速，m/s；g為重力加速度；α為建筑物受力面與泥石流沖壓方向的夾角(°)；λ為建筑物形狀系數，圓形建筑物λ=1.0，矩形建筑物λ=1.33，方形建筑物λ=1.47。Fb可按下式計算：

(6)

式中：Fb為泥石流大塊石沖擊力,kPa；E為工程構件彈性模量,kPa；J為工程構件截面中心軸慣性矩,m4；L為構件長度,m；V為石塊運動速度,m/s；W為石塊重量,kN；g為重力加速度；α為塊石運動方向與構件受力面的夾角。基本荷載組合計算結果見表2。

表2 基本荷載組合計算結果

2.3.2 攔渣壩穩定性驗算

攔砂壩穩定性驗算應包括以下3個方面：

(1) 抗滑穩定性驗算：

(7)

式中：Kc為抗滑安全系數，可根據防治工程安全等級及荷載組合取值；ΣN為垂直方向作用力的總和；ΣP為水平方向作用力的總和。

(2) 抗傾覆驗算:

(8)

式中：K0為抗傾覆安全系數，根據防治工程安全等級及荷載組合取值；ΣMN為抗傾力矩的總和,kN·m；ΣMP為傾覆力矩的總和,kN·m。

(3) 地基承載力應滿足下式：

σmax≤[σ]

(9)

σmin≥0

(10)

當基礎寬度大于3 m或埋深大于0.5 m時，地基承載力特征值fak尚應根據下式進行修正：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

(11)

該攔渣壩基礎埋深1 m，修正后的地基承載力特征值fak=600 kPa。

抗滑穩定性及抗傾覆穩定性驗算見表3。

表3 抗滑穩定性驗算及抗傾覆穩定性驗算

抗滑穩定性系數為1.55,大于許用安全系數1.15。抗傾覆穩定性系數為2.9,大于許用安全系數1.4。

地基承載力計算結果為：

σmax=283.07 kPa≤[σ]=600 kPa

σmin=11.15 kPa≥0

根據上述計算可知，該攔砂壩的抗滑穩定性驗算、抗傾覆穩定性驗算、地基承載力均符合設計要求。

2.3.3 溢流口洪峰流量及設計

庫內匯水面積F為1.0 km2，流域長度L為0.60 km，流域坡降J為0.106。

(1) 點、面雨量及暴雨遞減指數計算。查《湖南省暴雨洪水查算手冊》(湖南省水文總站，1984年4月)可知30年一遇洪水(P=3.33%)的相關水文參數見表4。

表4 p=3.33%時水文參數(Cs=3.5Cv)

(2) 暴雨洪峰流量計算：

(12)

計算得：Qm=12 m3/s。

(3) 溢流口排洪流量計算。根據《混凝土重力壩設計規范》，溢流口寬度取決于設計泄洪量的大小，按溢流壩水力計算決定；敞開式溢流堰泄流能力按照下式計算：

(13)

式中：Q為流量，m3/s；B為溢流堰凈寬，m；Hw計入行進流速的堰上總水頭，m；g為重力加速度，m/s2；m為流量系數；C為上游面坡度影響修正系數；ε為側收縮系數；σs為淹沒系數。

該壩頂設計有8 m寬和1.2 m深的溢流口，泄流能力為Q=20 m2/s>12 m2/s。溢流口排洪流量大于洪峰流量，符合規范要求。

2.3.4 泄水口設計

排泄孔設計原則：排泄孔盡可能成排布置在溢流壩段，孔數不得少于2個，多排布設時應做品字形交錯排列。一般取：

單孔孔徑：D≥(2～4.5)Dm

孔間壁厚：Db≥(1～1.5)Dm

式中：Dm為過流中最大石塊粒徑。

根據現場觀測情況，單孔尺寸300 mm×300 mm，孔水平中心距取1000 mm。

2.3.5 袒護工程設計

為防止溢壩洪水對壩趾的掏空，影響壩體穩定性，在壩體背水面建設袒護工程。在距壩趾基礎3 m內，清除雜填土至強風化花崗巖界面，砌筑1 m后漿砌石，漿砌石砌至壩趾處。

3 結 論

泥石流攔渣壩是一項風險較高的工程，攔渣壩的設計應該采用全動態設計法，建設方、施工方、設計方、監理方、監測檢測方應加強溝通、密切聯系、數據共享，及時反饋施工過程中的相關問題。

攔渣壩在施工及后期的檢查十分重要，主要采取巡視檢查，從施工期到運行期，均應對大壩進行定期巡視檢查。在大洪水期間、壩區發生震感地震以及發生其他特殊情況時，應加強檢查次數。

發現大壩及附屬建筑物出現損傷、基礎滑移等異常現象時，應立即上報，并分析原因，研究處理措施。

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