劉國平

秦嶺輸水隧洞 3號勘探試驗洞棄渣場設計探討

劉國平

針對秦嶺隧洞 3號勘探試驗洞棄渣場的工程概況及地質條件,介紹了棄渣場的布設、棄渣場擋墻及排水溝的設計,對棄渣邊坡、擋墻進行了穩(wěn)定性計算,計算結果表明該設計是安全的,可為以后類似工程設計提供借鑒。

勘探試驗洞,棄渣場,擋墻,穩(wěn)定性分析,排水措施

隧洞在開挖過程中對巖體進行爆破或者機械式挖掘,產生松散的巖土物質,將這些物質裝運到地表,形成棄渣。因隧洞開挖往往產生大量的棄渣,因此需要尋找一個合適的場地進行堆放,此場地稱為棄渣場。棄渣如果隨地堆棄,將會侵占農田、擠壓河道,造成水土流失、河床淤積、河道阻塞甚至泥石流危害的發(fā)生,嚴重影響生態(tài)環(huán)境[1],因此棄渣場需要精心布設及設計。吳俊[2]、周亮[3]介紹了棄渣場規(guī)劃及設計需要考慮的內容;呂宗強[4]、劉建偉[5]、羅雷[6]對棄渣場的攔渣擋墻進行了穩(wěn)定性分析。本文就秦嶺 3號隧洞勘探試驗洞棄渣場的設計進行介紹,對其擋墻穩(wěn)定性進行了分析,以資類似工程借鑒。

1 工程概況

1.1 棄渣場概況

秦嶺隧洞 3號勘探試驗洞長 3 532m,渣量為 22萬 m3。渣場位于五根樹村蒲河河灘右岸,渣場現(xiàn)狀主要以旱地和河灘地為主,所處位置相對平緩,主要涉及的地層為：第四系全新統(tǒng)沖積粉質粘土、粗圓礫土、卵石土及漂石土,下伏基巖為片麻巖夾石英巖。

渣場面積約 4.47 hm2,平均堆高 4.9m,可容渣約30萬m3。將渣場中間既有公路向臨河岸布設,并設有C15片石混凝土攔渣墻保護,攔渣墻高 6m～8m。棄渣以攔渣墻頂部高程為界平鋪,堆渣完成后恢復耕地。根據場地的天然坡度,在棄渣場南部設南北向約 0.5%縱坡,在棄渣場北部,以攔渣墻墻頂按 1∶1.75的坡比刷坡堆渣到高程為846m,護坡高度 3m～4m,復耕后形成大片耕地,原地面高程為 835m～841m,堆渣后頂面高程為 841m～846m。

1.2 設計原則及標準

在充分考慮棄渣場所處的地貌形態(tài)基礎上,結合工程實際棄渣方量以及防護區(qū)周圍保護對象的規(guī)模等級,參照 GB 50201-94防洪標準[7]與GB 50286-98堤防工程設計規(guī)范[8]及其他工程規(guī)范進行方案比選和布置設計。

3號勘探試驗洞渣場為臨河型棄渣場,棄渣場面積在4.47hm2左右,堆渣量為 30萬 m3,規(guī)模較小,結合秦嶺隧洞棄渣場的設置,為了保證渣場上下游左右岸鄰近村鎮(zhèn)的安全,因此將洪水標準確定為 30年一遇,50年洪水校核,防護工程等級定為 3級。

2 棄渣場布設原則

1)棄渣場按滿足環(huán)保和水土保持的要求進行設計,不對生態(tài)環(huán)境造成破壞,不污染環(huán)境,不造成水土流失。2)棄渣應遵循就近分散,盡量利用荒坡、荒溝堆棄。渣腳設擋墻進行防護,渣頂整平綠化。3)沿河、溝棄渣盡量不占或少占河床,并設擋護工程收坡,坡面設防護;利用沖溝棄渣時,做好防護工程并預留渣頂水溝,避免棄渣流失。4)棄渣場占地按占地面積、復墾面積、綠化面積,并按河灘、荒溝、旱地、水澆地、果園、林地分別計列。

3 棄渣場設計

3.1 棄渣場墻址及擋墻形式選擇

擋渣墻的平面布置沿著河道方向布設,并順應地形,以盡可能圓順,不至于引起水流形態(tài)變化過大,造成新的異地沖刷為準。擋墻形式采用浸水重力式擋墻,并對俯斜式、仰斜式、垂直式、衡重式四種形式墻背進行比較,由于仰斜式墻背具有斷面經濟、墻背所受土壓力較小、開挖和回填量較小、墻身通體與邊坡貼合較緊密等特點,因此采用仰斜式墻背。

3.2 棄渣場穩(wěn)定分析

根據 GB 50433-2008開發(fā)建設項目水土保持技術規(guī)范[9],為滿足渣體穩(wěn)定性及水土保持要求,對棄渣堆置邊坡需進行必要的穩(wěn)定性分析驗算,渣體穩(wěn)定安全系數(shù)取 1.1,擋渣墻抗滑安全系數(shù)取 1.3,擋渣墻抗傾覆系數(shù)取 1.5。

1)棄渣特性。棄渣由碎石、土和少量有機質組成,碎石占主要成分,棄渣粘聚力低。隨著棄渣的分層壓實及降水入滲,棄渣的粘聚力提高,底層粒徑較大。

2)計算假定。根據棄渣的組成及物理力學特性,假定渣場為無粘性土,棄渣的凝聚力c=0,棄渣料單一均勻,滑裂面形狀為直線型;不計馬道對平均渣體坡度的降低作用,不計擋墻對渣體的支撐作用。

3)棄渣及基礎物理力學參數(shù)。渣體粘聚力 c=0,內摩擦角 φ取35°,基礎參數(shù)φ取21°,c取30 kPa。

4)邊坡穩(wěn)定性計算。由于堆渣體粘聚力為零,堆渣為無粘性土,堆渣體穩(wěn)定性分析采用直線滑動法進行計算,計算公式如下：

其中,Fs為穩(wěn)定安全系數(shù);i為土條編號;W為土條重量;θ為土條沿劃裂面的坡角;φ為土條內摩擦角。

采用北京理正巖土計算軟件 5.5版計算渣體本身及基礎的穩(wěn)定性,按照直線滑動法公式檢算渣體邊坡穩(wěn)定性。計算得到的棄渣邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為 1.26,滑動面為棄渣體接近表面處,大于穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.10。

5)擋渣墻穩(wěn)定性計算。壓力按庫侖土壓力計算,充分采取排水措施。采用直線滑動法求安全系數(shù)。

采用式(2)計算水平基底的滑動穩(wěn)定系數(shù)：

其中,kc為沿基底的滑動穩(wěn)定系數(shù);W為擋土墻的自重重力,kN; Ey為擋土墻承受的土壓力豎向分力,kN;Ex為擋土墻承受的土壓力水平分力,kN;f為擋土墻墻底摩擦系數(shù)。

采用式(3)計算抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)：

其中,ko為擋土墻繞墻址或基礎趾點的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù);W為擋土墻的自重重力,kN;Ex為擋土墻的土壓力在水平方向的分力,kN;Ey為擋土墻的土壓力在豎直方向的分力,kN;ZW為擋土墻的自重重力的重心到傾覆計算點的水平距離,m;Zy為擋土墻的土壓力在水平方向的分力到傾覆計算點的豎向距離,m。

計算得到棄渣場擋渣墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為 2.01～2.73,大于允許值 1.3;抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為4.77～5.66,大于允許值1.5,表明該擋渣墻是穩(wěn)定的。

3.3 排水措施設計

棄渣場上游設置截排水溝,以攔截棄渣場上游匯水,截水溝采用梯形斷面,采用M7.5漿砌石砌筑,厚度30 cm,截水溝的過流斷面根據設計洪水流量確定。

截水溝過流能力采用謝才公式進行計算,計算公式如下：

其中,A為過水斷面面積,m2;C為謝才系數(shù),C=R1/6/n;R為水力半徑,m。

截(排)水溝排坡面水用漿砌石渠道,糙率 n取 0.013。渣場截(排)水溝設計斷面過水能力計算成果見表 1。

表1 渣場截(排)水溝設計斷面過水能力

3.4 沉降縫及伸縮縫

為避免擋墻基礎不均勻沉陷而引起墻身開裂,需按墻高和基底巖性情況設置沉降縫。同時避免因澆筑混凝土收縮硬化和溫度變化作用而產生裂縫,需設置伸縮縫。在本設計中,變形縫和伸縮縫合設,每隔 10m～15m設縫一道,縫寬 0.02m,沿墻頂、內、外三邊填塞瀝青麻筋,填塞深度 0.2m。

4 結語

本文對秦嶺隧洞3號勘探試驗洞棄渣場設計進行了介紹,對棄渣場邊坡、擋墻的穩(wěn)定性進行了分析,取得了以下兩點主要結論：

1)本渣場為臨河型渣場,渣場地形大部分為比較平緩的河灘臺地,為減少可能產生的水土流失,將棄渣場與河道整治防護結合起來,利用棄渣堆筑壓實后,一方面用作施工生產場地,另一方面造出更大、更平整的復耕地。

2)對棄渣邊坡、擋墻的穩(wěn)定性分析表明：棄渣邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為 1.26;擋渣墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為 2.01～2.73,抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為 4.77～5.66;上述計算結果均滿足規(guī)范要求,表明棄渣邊坡、擋墻是穩(wěn)定的。

[1] 胡清波.遙感技術在鐵路隧道棄渣場地調查中的應用[J].鐵路航測,2000(4)：29-32.

[2] 吳 俊,趙 峰,張曉平.南水北調中線一期工程棄土棄渣場布置研究[J].人民長江,2009(24)：44-45.

[3] 周 亮,王 競,阮 正.黔中水利樞紐一期工程棄渣場選擇及治理措施分析[J].水利規(guī)劃與設計,2008(4)：95-98.

[4] 呂宗強,雷孝章.西南山區(qū)水電建設項目河灘地棄渣場設計探討[J].人民長江,2009(20)：11-12,23.

[5] 劉建偉,史東梅,馬曉剛,等.棄渣場邊坡穩(wěn)定性特征分析[J].水土保持學報,2007,21(5)：192-195.

[6] 羅 雷,何丙輝,王銳亮.棄渣場堆渣及擋渣墻穩(wěn)定性分析[J].水土保持研究,2006,13(2)：253-256.

[7] GB 50201-94,防洪標準[S].

[8] GB 50286-98,堤防工程設計規(guī)范[S].

[9] GB 50433-2008,開發(fā)建設項目水土保持技術規(guī)范[S].

Discussion on design of spoil site of Qinling tunnel No.3 exp loration test holes

LIU Guo-ping

According to the p rojectoverview and geological conditions of spoil site of Qin ling tunnel No.3 exploration test holes,the layout as well as retaining wall and d rainage ditch design of spoil site are introduced,the stability of spoil slopeand retainingwall are calculated,and the results show that the engineering is safe.The design provides a reference work to the similar engineering.

exploration test holes,spoil site,retaining wall,stability analysis,drainage measures

U 459.6

A

1009-6825(2011)09-0222-02

2010-11-28

劉國平(1980-),男,助理工程師,中鐵隧道股份有限公司,河南鄭州 450000