棄渣場邊坡穩定性分析及水土保持措施設計

彭 飛，袁 月

(河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016)

在生產建設項目中，主體工程開挖土石方應優先考慮綜合利用[1]，要求土石方的處理做到挖填平衡或移挖作填以減少借方和棄渣[2]，但實際施工過程當中，考慮到土石方挖填要求、運輸條件、運距及運輸費用等因素，使得挖填土石方難以平衡，產生棄渣，棄渣應棄置于專門場地即棄渣場進行堆放，棄渣場是生產建設項目水土流失的重點區域，因此，合理選擇棄渣場棄渣，并進行棄渣場的邊坡穩定性分析及水土保持措施設計是生產建設項目中水土保持工作的重點內容[3-8]。

1 工程及項目區概況

南水北調中線鶴壁魚泉調蓄工程位于豫北地區鶴壁淇縣境內，距離總干渠左岸9 km，總庫容5.27億m3，興利庫容5.01億m3，是一座以調節南水北調供水為主，兼顧抽水蓄能、新能源、水生態等多功能于一體的調蓄工程。

項目區氣候類型屬暖溫帶亞濕潤氣候，多年平均氣溫14.1℃；多年平均無霜期209天；多年平均凍土深度13.05 cm；多年平均大于或等于10℃積溫為4690.7℃；年平均降水量621.7 mm，年最大降雨量1164 mm，年最小降雨量為360.6 mm，降水主要集中在6月～8月，約占全年降水量的60%以上；多年平均水面蒸發量1583.1 mm；多年平均風速為2.6 m/s，最大風速10.3 m/s，多年平均大風日數20天。地表土壤主要是褐土、潮土，耕作區表土厚度約50 cm，非耕作區地表坡降較大，表土厚度較薄，約為10 cm～30 cm。植被類型屬溫帶草甸，區域自然植被主要分布于山丘區，占區域總面積的40%，人工植被主要分布于平原區和丘陵區，占區域總面積的55%。

工程區域地震動峰值加速度為0.20 g，地震基本烈度為Ⅷ度，場區地基土層主要為第四系上更新統及中更新統，上更新統巖性以重粉質壤土為主，局部為中粉質壤土，中更新統巖性以重粉質壤土、卵石、泥卵石為主，局部為粉質粘土和中粉質壤土。

2 棄渣場選址及堆置情況

本工程棄渣總量820.01萬m3，其中，土渣占比11%、卵石占比24%、石渣占比65%，布置2處棄渣場，分別為1#、2#棄渣場，總占地面積26.58 hm2。

1#棄渣場為平地型棄渣，棄渣量180.00萬m3，占地面積10.83 hm2，位于大壩左岸下游采石坑中，坑底平均高程204.0 m，堆放頂部高程為230.0 m，堆渣高度26 m，采石坑下游側產生邊坡，棄渣邊坡1∶3，邊坡分3級，第1級、第2級高度均為10 m，第3級高度為6 m，每層分級平臺寬度為3 m，按照堆渣量、堆渣最大高度、棄渣場失事對主體工程或環境造成危害程度確定1#棄渣場級別為3級。

2#棄渣場為平地型棄渣，棄渣量640.01萬m3，占地面積15.75 hm2，位于壩后，棄渣填于大壩、山體形成的坑內，堆渣高度70 m，坑下游側產生邊坡，棄渣邊坡1∶3，邊坡分4級，第1級～第3級高度分別為20 m，第4級高度為10 m，每層分級平臺寬度為3 m，棄渣場頂面高程為250.0 m，按照堆渣量、堆渣最大高度、棄渣場失事對主體工程或環境造成危害程度確定2#棄渣場級別為2級。

3 棄渣場邊坡穩定性分析

因本工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，因此本工程棄渣場應進行邊坡穩定性計算以分析棄渣穩定性，穩定性計算分為正常運用工況和非常運用工況[1]。

1#、2#棄渣場邊坡穩定性分析采用瑞典圓弧法，按以下公式進行計算：

(1)

式中：b為條塊寬度，m；W為條塊重力，kN；Q、V分別為水平和垂直地震慣性力，kN；u為作用于土條底面的空隙壓力，kPa；α為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，°；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；c′、φ′為土條底面的有效應力抗剪強度指標，kPa；R為圓弧半徑，m。

根據工程地質勘查報告，項目區勘探范圍內共有3種土體單元，其物理力學性指標建議值見表1。

表1 各土體單元物理力學性指標建議值表

運用“理正巖土計算6.0”軟件進行棄渣場邊坡穩定性分析，軟件計算結果包絡圖見圖1～圖4。經計算，正常運用工況、非常運用工況下，1#棄渣場抗滑穩定安全系數分別為1.525、1.399，大于《水利水電工程水土保持技術規范》(SL 575-2012)(以下稱《技術規范》)規定的3級棄渣場抗滑穩定安全系數1.20、1.05，因此該棄渣場邊坡抗滑穩定滿足規范要求；2#棄渣場抗滑穩定安全系數分別為1.297、1.194，大于《技術規范》規定的2級棄渣場抗滑穩定安全系數1.20、1.10，因此該棄渣場邊坡抗滑穩定滿足規范要求，但安全系數較低，應設置相應措施進行邊坡安全防護。

圖1 1#棄渣場正常運用工況下抗滑穩定包絡圖

圖2 1#棄渣場非常運用工況下抗滑穩定包絡圖

圖3 2#棄渣場正常運用工況下抗滑穩定包絡圖

圖4 2#棄渣場非常運用工況下抗滑穩定包絡圖

4 棄渣場水土保持措施設計

在棄渣場渣體穩定的基礎上，結合棄渣場位置、類型、地形、周邊安全、后期利用方向、水文地質條件等因素，按照工程措施、植物措施、臨時措施相結合的水土流失防治模式進行水土保持措施設計。

4.1 工程措施

4.1.1 表土回覆、土地平整

1#、2#棄渣場區無可剝離的表土，棄渣時要求將大塊石渣、卵石和垃圾土棄于下層，優質土棄于上層，棄渣結束后頂部由外部調運表土進行回覆，回覆厚度0.3 m，采用74 kW推土機配合人工進行平整。

4.1.2 混凝土擋墻

根據《技術規范》中棄渣場防護工程建筑物級別的規定，1#棄渣場擋墻級別為4級，邊坡底部采用重力式混凝土擋墻防護，擋墻采用C20混凝土，直墻高1.2 m，寬0.6 m，埋深0.4 m，墻身埋設Φ75PVC排水管，內側設碎石反濾層，排水孔間距2 m。

2#棄渣場擋墻級別為3級，邊坡底部采用重力式混凝土擋墻防護，擋墻采用C20混凝土，直墻高1.5 m，寬0.8 m，埋深0.5 m，墻身埋設Φ75PVC排水管，內側設碎石反濾層，排水孔間距2 m。

結合工程地質勘查報告，運用“理正巖土計算6.0”軟件進行混凝土擋墻穩定性分析，軟件主要物理參數、計算結果見圖5～圖10，計算結果表明正常運用工況、非常運用工況下，1#、2#棄渣場擋墻抗滑穩定安全系數、抗傾覆安全系數皆滿足《技術規范》的要求。

圖5 1#棄渣場擋墻計算主要物理參數圖

圖6 2#棄渣場擋墻計算主要物理參數圖

4.1.3 混凝土截排水溝、擋水土埂

截排水溝設計流量可按照《技術規范》中公式計算，計算公式如下：

Qm=16.67φqF

(2)

式中：Qm為截排水溝設計流量，m3/s；φ為徑流系數；q為設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度，mm/min；F為匯水面積，km2。

q=CpCtq5,10

(3)

式中：q5，10為5年重現期和10 min降雨歷時的標準降雨強度，mm/min；Cp為重現期轉換系數；Ct為降雨歷時轉換系數。公式中的參數可參照《技術規范》中的規定取值。

結合水文氣象資料，并確定棄渣場匯水區域、匯流時間、設計重現期、降雨強度q5，10等數據，最終設計本工程棄渣場的截排水措施：坡面設縱橫向C20混凝土排水溝，排水溝開口0.4 m，深0.4 m，壁厚0.15 m；為防止棄渣場周圍山體雨水流入，沿棄渣場頂面及坡面四周設C20混凝土截水溝，截水溝內側設擋水土埂及喇叭口，截水溝為梯形，底寬1.2 m，高1.2 m，邊坡1∶1，壁厚0.3 m，擋水土埂頂面寬0.5 m，高0.5 m，邊坡1∶1，人工夯實。

4.2 植物措施

1#、2#棄渣場頂面及邊坡栽植連翹、忍冬、紅楓和雪松，連翹和忍冬株高0.8 m～1.2 m，栽植密度2株/m2，紅楓胸徑3 cm～4 cm、株行距為2 m，雪松高2 m～3 m、株行距為3 m；林下直播種草，草種選用狗牙根，播種量80 kg/hm2。

4.3 臨時措施

對該區域臨時堆土坡腳處碼放3層裝土編織袋攔擋，單個編織袋裝土后長0.5 m、寬0.3 m、高0.2 m，施工結束后對裝土編織袋進行拆除，臨時堆土表面采用土工布苫蓋。

5 結論

針對鶴壁魚泉調蓄工程棄渣場的選址及堆置特點、區域自然環境特點，運用瑞典圓弧法并結合“理正巖土計算6.0”軟件進行棄渣場的邊坡穩定計算，確定本工程棄渣場的穩定性符合規范要求，并在渣體穩定的基礎上，設計表土回覆、土地平整、混凝土擋墻、混凝土截排水溝、擋水土埂、栽植灌木、栽植喬木、直播種草、裝土編織袋攔擋、土工布苫蓋等工程措施、植物措施、臨時措施相結合的水土保持措施，措施體系完善，能夠有效控制該工程棄渣場的水土流失，減輕對周邊生態環境的不利影響，也可為同類型棄渣場的邊坡穩定性分析及水土保持措施設計提供參考。