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        某廢棄礦區(qū)攔渣壩設計及計算分析

        2014-03-21 05:37:52張忠坤胡培良李愛兵
        采礦技術 2014年1期
        關鍵詞:溢流泥石流安全系數(shù)

        張忠坤,胡培良,李愛兵

        (1. 西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)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(qū)內(nèi)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(qū)沖溝內(nèi)的尾砂及廢石;另一部分為沖刷至礦區(qū)河道內(nèi)尾砂底泥。為控制固體廢棄物流入下游河道水庫內(nèi),擬修建攔砂壩。

        1 地質(zhì)條件

        1.1 工程地質(zhì)

        本場區(qū)勘察深度范圍內(nèi),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(jié)構(gòu)松散,未完成自重固結(jié),具高壓縮性。場區(qū)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(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖芯呈散粒狀,偶夾塊狀、柱狀,易散裂;場區(qū)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(wěn)定性和適宜性分析

        擬建場區(qū)為填方區(qū),地形起伏較大,地貌類型較單一,地層結(jié)構(gòu)簡單,分布連續(xù),厚度較穩(wěn)定,物理力學性質(zhì)均勻,地層承載力較高,鉆孔深度內(nèi)未見不良地質(zhì)構(gòu)造及可液化地層,場區(qū)穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(zhì),分布穩(wěn)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(shù)[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(jù)所采試樣的室內(nèi)土工試驗成果表、現(xiàn)場原位測試成果統(tǒng)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(shù)

        勘察期間鉆孔均遇見地下水,場地內(nèi)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(jù)《泥石流災害防治工程勘察規(guī)范》對該地區(qū)泥石流易發(fā)程度量化評分,以及現(xiàn)場實際調(diào)查,該地區(qū)量化評分為51,處于輕度易發(fā)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(jié)構(gòu)等級[3-5]

        根據(jù)《泥石流災害防治工程勘察規(guī)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(xiàn)期為30年一遇?;竞奢d組合下,攔擋墻抗滑安全系數(shù)為1.15,攔擋墻抗傾覆安全系數(shù)為1.40;特殊荷載組合下,攔擋墻抗滑安全系數(shù)為1.06,攔擋墻抗傾覆安全系數(shù)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(nèi)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(yōu)點,所以攔渣壩采用漿砌石壩。

        通過對現(xiàn)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(jù)《泥石流災害防治工程設計規(guī)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(nèi)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(shù)。

        (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(shù),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(gòu)件彈性模量,kPa;J為工程構(gòu)件截面中心軸慣性矩,m4;L為構(gòu)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(gòu)件受力面的夾角。基本荷載組合計算結(jié)果見表2。

        表2 基本荷載組合計算結(jié)果

        2.3.2 攔渣壩穩(wěn)定性驗算

        攔砂壩穩(wěn)定性驗算應包括以下3個方面:

        (1) 抗滑穩(wěn)定性驗算:

        (7)

        式中:Kc為抗滑安全系數(shù),可根據(jù)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(shù),根據(jù)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(jù)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(wěn)定性及抗傾覆穩(wěn)定性驗算見表3。

        表3 抗滑穩(wěn)定性驗算及抗傾覆穩(wěn)定性驗算

        抗滑穩(wěn)定性系數(shù)為1.55,大于許用安全系數(shù)1.15。抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為2.9,大于許用安全系數(shù)1.4。

        地基承載力計算結(jié)果為:

        σmax=283.07 kPa≤[σ]=600 kPa

        σmin=11.15 kPa≥0

        根據(jù)上述計算可知,該攔砂壩的抗滑穩(wěn)定性驗算、抗傾覆穩(wěn)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(nèi)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(shù)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(shù)見表4。

        表4 p=3.33%時水文參數(shù)(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(jù)《混凝土重力壩設計規(guī)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(shù);C為上游面坡度影響修正系數(shù);ε為側(cè)收縮系數(shù);σs為淹沒系數(shù)。

        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(guī)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(shù)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(jù)現(xiàn)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(wěn)定性,在壩體背水面建設袒護工程。在距壩趾基礎3 m內(nèi),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(jié) 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(tài)設計法,建設方、施工方、設計方、監(jiān)理方、監(jiān)測檢測方應加強溝通、密切聯(lián)系、數(shù)據(jù)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(qū)發(fā)生震感地震以及發(fā)生其他特殊情況時,應加強檢查次數(shù)。

        發(fā)現(xiàn)大壩及附屬建筑物出現(xiàn)損傷、基礎滑移等異常現(xiàn)象時,應立即上報,并分析原因,研究處理措施。

        參考文獻:

        [1]GB50011-2010.建筑抗震設計規(guī)范[S].

        [2]GB50007-2011.建筑地基基礎設計規(guī)范[S].

        [3]DZ/T0220-2006.泥石流災害防治工程勘查規(guī)范[S].

        [4]ZBJ1-1990.選礦廠尾礦設施設計規(guī)程[S].

        [5]DZ/T0239-2004.泥石流災害防治工程設計規(guī)范[S].

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        [7]胡元君.四川安縣魏家灣泥石流特征及防治對策[J].西部探礦工程,2011(5):27-29.

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        [9]徐朝陽,劉云山,高光輝.攔渣壩工程法在礦山地質(zhì)環(huán)境治理中的應用[J].科技信息,2010(25):345-346.

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        [11]GB/T16453.6-2008.水土保持綜合治理技術規(guī)范崩崗治理技術[S].

        [12]湖南省水利水電廳.湖南省暴雨洪水查算手冊[M].長沙:湖南科學技術出版社,1984.

        [13]武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室.水力計算手冊[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

        [14]SL319-2005.混凝土重力壩設計規(guī)范[S].

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