秦岭输水隧洞 3号勘探试验洞弃渣场设计探讨

刘国平

秦岭输水隧洞 3号勘探试验洞弃渣场设计探讨

刘国平

针对秦岭隧洞 3号勘探试验洞弃渣场的工程概况及地质条件,介绍了弃渣场的布设、弃渣场挡墙及排水沟的设计,对弃渣边坡、挡墙进行了稳定性计算,计算结果表明该设计是安全的,可为以后类似工程设计提供借鉴。

勘探试验洞,弃渣场,挡墙,稳定性分析,排水措施

隧洞在开挖过程中对岩体进行爆破或者机械式挖掘,产生松散的岩土物质,将这些物质装运到地表,形成弃渣。因隧洞开挖往往产生大量的弃渣,因此需要寻找一个合适的场地进行堆放,此场地称为弃渣场。弃渣如果随地堆弃,将会侵占农田、挤压河道,造成水土流失、河床淤积、河道阻塞甚至泥石流危害的发生,严重影响生态环境[1],因此弃渣场需要精心布设及设计。吴俊[2]、周亮[3]介绍了弃渣场规划及设计需要考虑的内容;吕宗强[4]、刘建伟[5]、罗雷[6]对弃渣场的拦渣挡墙进行了稳定性分析。本文就秦岭 3号隧洞勘探试验洞弃渣场的设计进行介绍,对其挡墙稳定性进行了分析,以资类似工程借鉴。

1 工程概况

1.1 弃渣场概况

秦岭隧洞 3号勘探试验洞长 3 532m,渣量为 22万 m3。渣场位于五根树村蒲河河滩右岸,渣场现状主要以旱地和河滩地为主,所处位置相对平缓,主要涉及的地层为：第四系全新统冲积粉质粘土、粗圆砾土、卵石土及漂石土,下伏基岩为片麻岩夹石英岩。

渣场面积约 4.47 hm2,平均堆高 4.9m,可容渣约30万m3。将渣场中间既有公路向临河岸布设,并设有C15片石混凝土拦渣墙保护,拦渣墙高 6m～8m。弃渣以拦渣墙顶部高程为界平铺,堆渣完成后恢复耕地。根据场地的天然坡度,在弃渣场南部设南北向约 0.5%纵坡,在弃渣场北部,以拦渣墙墙顶按 1∶1.75的坡比刷坡堆渣到高程为846m,护坡高度 3m～4m,复耕后形成大片耕地,原地面高程为 835m～841m,堆渣后顶面高程为 841m～846m。

1.2 设计原则及标准

在充分考虑弃渣场所处的地貌形态基础上,结合工程实际弃渣方量以及防护区周围保护对象的规模等级,参照 GB 50201-94防洪标准[7]与GB 50286-98堤防工程设计规范[8]及其他工程规范进行方案比选和布置设计。

3号勘探试验洞渣场为临河型弃渣场,弃渣场面积在4.47hm2左右,堆渣量为 30万 m3,规模较小,结合秦岭隧洞弃渣场的设置,为了保证渣场上下游左右岸邻近村镇的安全,因此将洪水标准确定为 30年一遇,50年洪水校核,防护工程等级定为 3级。

2 弃渣场布设原则

1)弃渣场按满足环保和水土保持的要求进行设计,不对生态环境造成破坏,不污染环境,不造成水土流失。2)弃渣应遵循就近分散,尽量利用荒坡、荒沟堆弃。渣脚设挡墙进行防护,渣顶整平绿化。3)沿河、沟弃渣尽量不占或少占河床,并设挡护工程收坡,坡面设防护;利用冲沟弃渣时,做好防护工程并预留渣顶水沟,避免弃渣流失。4)弃渣场占地按占地面积、复垦面积、绿化面积,并按河滩、荒沟、旱地、水浇地、果园、林地分别计列。

3 弃渣场设计

3.1 弃渣场墙址及挡墙形式选择

挡渣墙的平面布置沿着河道方向布设,并顺应地形,以尽可能圆顺,不至于引起水流形态变化过大,造成新的异地冲刷为准。挡墙形式采用浸水重力式挡墙,并对俯斜式、仰斜式、垂直式、衡重式四种形式墙背进行比较,由于仰斜式墙背具有断面经济、墙背所受土压力较小、开挖和回填量较小、墙身通体与边坡贴合较紧密等特点,因此采用仰斜式墙背。

3.2 弃渣场稳定分析

根据 GB 50433-2008开发建设项目水土保持技术规范[9],为满足渣体稳定性及水土保持要求,对弃渣堆置边坡需进行必要的稳定性分析验算,渣体稳定安全系数取 1.1,挡渣墙抗滑安全系数取 1.3,挡渣墙抗倾覆系数取 1.5。

1)弃渣特性。弃渣由碎石、土和少量有机质组成,碎石占主要成分,弃渣粘聚力低。随着弃渣的分层压实及降水入渗,弃渣的粘聚力提高,底层粒径较大。

2)计算假定。根据弃渣的组成及物理力学特性,假定渣场为无粘性土,弃渣的凝聚力c=0,弃渣料单一均匀,滑裂面形状为直线型;不计马道对平均渣体坡度的降低作用,不计挡墙对渣体的支撑作用。

3)弃渣及基础物理力学参数。渣体粘聚力 c=0,内摩擦角 φ取35°,基础参数φ取21°,c取30 kPa。

4)边坡稳定性计算。由于堆渣体粘聚力为零,堆渣为无粘性土,堆渣体稳定性分析采用直线滑动法进行计算,计算公式如下：

其中,Fs为稳定安全系数;i为土条编号;W为土条重量;θ为土条沿划裂面的坡角;φ为土条内摩擦角。

采用北京理正岩土计算软件 5.5版计算渣体本身及基础的稳定性,按照直线滑动法公式检算渣体边坡稳定性。计算得到的弃渣边坡的稳定安全系数为 1.26,滑动面为弃渣体接近表面处,大于稳定最小安全系数1.10。

5)挡渣墙稳定性计算。压力按库仑土压力计算,充分采取排水措施。采用直线滑动法求安全系数。

采用式(2)计算水平基底的滑动稳定系数：

其中,kc为沿基底的滑动稳定系数;W为挡土墙的自重重力,kN; Ey为挡土墙承受的土压力竖向分力,kN;Ex为挡土墙承受的土压力水平分力,kN;f为挡土墙墙底摩擦系数。

采用式(3)计算抗倾覆稳定性系数：

其中,ko为挡土墙绕墙址或基础趾点的抗倾覆稳定系数;W为挡土墙的自重重力,kN;Ex为挡土墙的土压力在水平方向的分力,kN;Ey为挡土墙的土压力在竖直方向的分力,kN;ZW为挡土墙的自重重力的重心到倾覆计算点的水平距离,m;Zy为挡土墙的土压力在水平方向的分力到倾覆计算点的竖向距离,m。

计算得到弃渣场挡渣墙的抗滑稳定安全系数为 2.01～2.73,大于允许值 1.3;抗倾覆稳定安全系数为4.77～5.66,大于允许值1.5,表明该挡渣墙是稳定的。

3.3 排水措施设计

弃渣场上游设置截排水沟,以拦截弃渣场上游汇水,截水沟采用梯形断面,采用M7.5浆砌石砌筑,厚度30 cm,截水沟的过流断面根据设计洪水流量确定。

截水沟过流能力采用谢才公式进行计算,计算公式如下：

其中,A为过水断面面积,m2;C为谢才系数,C=R1/6/n;R为水力半径,m。

截(排)水沟排坡面水用浆砌石渠道,糙率 n取 0.013。渣场截(排)水沟设计断面过水能力计算成果见表 1。

表1 渣场截(排)水沟设计断面过水能力

3.4 沉降缝及伸缩缝

为避免挡墙基础不均匀沉陷而引起墙身开裂,需按墙高和基底岩性情况设置沉降缝。同时避免因浇筑混凝土收缩硬化和温度变化作用而产生裂缝,需设置伸缩缝。在本设计中,变形缝和伸缩缝合设,每隔 10m～15m设缝一道,缝宽 0.02m,沿墙顶、内、外三边填塞沥青麻筋,填塞深度 0.2m。

4 结语

本文对秦岭隧洞3号勘探试验洞弃渣场设计进行了介绍,对弃渣场边坡、挡墙的稳定性进行了分析,取得了以下两点主要结论：

1)本渣场为临河型渣场,渣场地形大部分为比较平缓的河滩台地,为减少可能产生的水土流失,将弃渣场与河道整治防护结合起来,利用弃渣堆筑压实后,一方面用作施工生产场地,另一方面造出更大、更平整的复耕地。

2)对弃渣边坡、挡墙的稳定性分析表明：弃渣边坡稳定安全系数为 1.26;挡渣墙的抗滑稳定安全系数为 2.01～2.73,抗倾覆稳定安全系数为 4.77～5.66;上述计算结果均满足规范要求,表明弃渣边坡、挡墙是稳定的。

[1] 胡清波.遥感技术在铁路隧道弃渣场地调查中的应用[J].铁路航测,2000(4)：29-32.

[2] 吴 俊,赵 峰,张晓平.南水北调中线一期工程弃土弃渣场布置研究[J].人民长江,2009(24)：44-45.

[3] 周 亮,王 竞,阮 正.黔中水利枢纽一期工程弃渣场选择及治理措施分析[J].水利规划与设计,2008(4)：95-98.

[4] 吕宗强,雷孝章.西南山区水电建设项目河滩地弃渣场设计探讨[J].人民长江,2009(20)：11-12,23.

[5] 刘建伟,史东梅,马晓刚,等.弃渣场边坡稳定性特征分析[J].水土保持学报,2007,21(5)：192-195.

[6] 罗 雷,何丙辉,王锐亮.弃渣场堆渣及挡渣墙稳定性分析[J].水土保持研究,2006,13(2)：253-256.

[7] GB 50201-94,防洪标准[S].

[8] GB 50286-98,堤防工程设计规范[S].

[9] GB 50433-2008,开发建设项目水土保持技术规范[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

刘国平(1980-),男,助理工程师,中铁隧道股份有限公司,河南郑州 450000