弃渣场边坡稳定性分析及水土保持措施设计

彭 飞，袁 月

(河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016)

在生产建设项目中，主体工程开挖土石方应优先考虑综合利用[1]，要求土石方的处理做到挖填平衡或移挖作填以减少借方和弃渣[2]，但实际施工过程当中，考虑到土石方挖填要求、运输条件、运距及运输费用等因素，使得挖填土石方难以平衡，产生弃渣，弃渣应弃置于专门场地即弃渣场进行堆放，弃渣场是生产建设项目水土流失的重点区域，因此，合理选择弃渣场弃渣，并进行弃渣场的边坡稳定性分析及水土保持措施设计是生产建设项目中水土保持工作的重点内容[3-8]。

1 工程及项目区概况

南水北调中线鹤壁鱼泉调蓄工程位于豫北地区鹤壁淇县境内，距离总干渠左岸9 km，总库容5.27亿m3，兴利库容5.01亿m3，是一座以调节南水北调供水为主，兼顾抽水蓄能、新能源、水生态等多功能于一体的调蓄工程。

项目区气候类型属暖温带亚湿润气候，多年平均气温14.1℃；多年平均无霜期209天；多年平均冻土深度13.05 cm；多年平均大于或等于10℃积温为4690.7℃；年平均降水量621.7 mm，年最大降雨量1164 mm，年最小降雨量为360.6 mm，降水主要集中在6月～8月，约占全年降水量的60%以上；多年平均水面蒸发量1583.1 mm；多年平均风速为2.6 m/s，最大风速10.3 m/s，多年平均大风日数20天。地表土壤主要是褐土、潮土，耕作区表土厚度约50 cm，非耕作区地表坡降较大，表土厚度较薄，约为10 cm～30 cm。植被类型属温带草甸，区域自然植被主要分布于山丘区，占区域总面积的40%，人工植被主要分布于平原区和丘陵区，占区域总面积的55%。

工程区域地震动峰值加速度为0.20 g，地震基本烈度为Ⅷ度，场区地基土层主要为第四系上更新统及中更新统，上更新统岩性以重粉质壤土为主，局部为中粉质壤土，中更新统岩性以重粉质壤土、卵石、泥卵石为主，局部为粉质粘土和中粉质壤土。

2 弃渣场选址及堆置情况

本工程弃渣总量820.01万m3，其中，土渣占比11%、卵石占比24%、石渣占比65%，布置2处弃渣场，分别为1#、2#弃渣场，总占地面积26.58 hm2。

1#弃渣场为平地型弃渣，弃渣量180.00万m3，占地面积10.83 hm2，位于大坝左岸下游采石坑中，坑底平均高程204.0 m，堆放顶部高程为230.0 m，堆渣高度26 m，采石坑下游侧产生边坡，弃渣边坡1∶3，边坡分3级，第1级、第2级高度均为10 m，第3级高度为6 m，每层分级平台宽度为3 m，按照堆渣量、堆渣最大高度、弃渣场失事对主体工程或环境造成危害程度确定1#弃渣场级别为3级。

2#弃渣场为平地型弃渣，弃渣量640.01万m3，占地面积15.75 hm2，位于坝后，弃渣填于大坝、山体形成的坑内，堆渣高度70 m，坑下游侧产生边坡，弃渣边坡1∶3，边坡分4级，第1级～第3级高度分别为20 m，第4级高度为10 m，每层分级平台宽度为3 m，弃渣场顶面高程为250.0 m，按照堆渣量、堆渣最大高度、弃渣场失事对主体工程或环境造成危害程度确定2#弃渣场级别为2级。

3 弃渣场边坡稳定性分析

因本工程场地地震基本烈度为Ⅷ度，因此本工程弃渣场应进行边坡稳定性计算以分析弃渣稳定性，稳定性计算分为正常运用工况和非常运用工况[1]。

1#、2#弃渣场边坡稳定性分析采用瑞典圆弧法，按以下公式进行计算：

(1)

式中：b为条块宽度，m；W为条块重力，kN；Q、V分别为水平和垂直地震惯性力，kN；u为作用于土条底面的空隙压力，kPa；α为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，°；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；c′、φ′为土条底面的有效应力抗剪强度指标，kPa；R为圆弧半径，m。

根据工程地质勘查报告，项目区勘探范围内共有3种土体单元，其物理力学性指标建议值见表1。

表1 各土体单元物理力学性指标建议值表

运用“理正岩土计算6.0”软件进行弃渣场边坡稳定性分析，软件计算结果包络图见图1～图4。经计算，正常运用工况、非常运用工况下，1#弃渣场抗滑稳定安全系数分别为1.525、1.399，大于《水利水电工程水土保持技术规范》(SL 575-2012)(以下称《技术规范》)规定的3级弃渣场抗滑稳定安全系数1.20、1.05，因此该弃渣场边坡抗滑稳定满足规范要求；2#弃渣场抗滑稳定安全系数分别为1.297、1.194，大于《技术规范》规定的2级弃渣场抗滑稳定安全系数1.20、1.10，因此该弃渣场边坡抗滑稳定满足规范要求，但安全系数较低，应设置相应措施进行边坡安全防护。

图1 1#弃渣场正常运用工况下抗滑稳定包络图

图2 1#弃渣场非常运用工况下抗滑稳定包络图

图3 2#弃渣场正常运用工况下抗滑稳定包络图

图4 2#弃渣场非常运用工况下抗滑稳定包络图

4 弃渣场水土保持措施设计

在弃渣场渣体稳定的基础上，结合弃渣场位置、类型、地形、周边安全、后期利用方向、水文地质条件等因素，按照工程措施、植物措施、临时措施相结合的水土流失防治模式进行水土保持措施设计。

4.1 工程措施

4.1.1 表土回覆、土地平整

1#、2#弃渣场区无可剥离的表土，弃渣时要求将大块石渣、卵石和垃圾土弃于下层，优质土弃于上层，弃渣结束后顶部由外部调运表土进行回覆，回覆厚度0.3 m，采用74 kW推土机配合人工进行平整。

4.1.2 混凝土挡墙

根据《技术规范》中弃渣场防护工程建筑物级别的规定，1#弃渣场挡墙级别为4级，边坡底部采用重力式混凝土挡墙防护，挡墙采用C20混凝土，直墙高1.2 m，宽0.6 m，埋深0.4 m，墙身埋设Φ75PVC排水管，内侧设碎石反滤层，排水孔间距2 m。

2#弃渣场挡墙级别为3级，边坡底部采用重力式混凝土挡墙防护，挡墙采用C20混凝土，直墙高1.5 m，宽0.8 m，埋深0.5 m，墙身埋设Φ75PVC排水管，内侧设碎石反滤层，排水孔间距2 m。

结合工程地质勘查报告，运用“理正岩土计算6.0”软件进行混凝土挡墙稳定性分析，软件主要物理参数、计算结果见图5～图10，计算结果表明正常运用工况、非常运用工况下，1#、2#弃渣场挡墙抗滑稳定安全系数、抗倾覆安全系数皆满足《技术规范》的要求。

图5 1#弃渣场挡墙计算主要物理参数图

图6 2#弃渣场挡墙计算主要物理参数图

4.1.3 混凝土截排水沟、挡水土埂

截排水沟设计流量可按照《技术规范》中公式计算，计算公式如下：

Qm=16.67φqF

(2)

式中：Qm为截排水沟设计流量，m3/s；φ为径流系数；q为设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度，mm/min；F为汇水面积，km2。

q=CpCtq5,10

(3)

式中：q5，10为5年重现期和10 min降雨历时的标准降雨强度，mm/min；Cp为重现期转换系数；Ct为降雨历时转换系数。公式中的参数可参照《技术规范》中的规定取值。

结合水文气象资料，并确定弃渣场汇水区域、汇流时间、设计重现期、降雨强度q5，10等数据，最终设计本工程弃渣场的截排水措施：坡面设纵横向C20混凝土排水沟，排水沟开口0.4 m，深0.4 m，壁厚0.15 m；为防止弃渣场周围山体雨水流入，沿弃渣场顶面及坡面四周设C20混凝土截水沟，截水沟内侧设挡水土埂及喇叭口，截水沟为梯形，底宽1.2 m，高1.2 m，边坡1∶1，壁厚0.3 m，挡水土埂顶面宽0.5 m，高0.5 m，边坡1∶1，人工夯实。

4.2 植物措施

1#、2#弃渣场顶面及边坡栽植连翘、忍冬、红枫和雪松，连翘和忍冬株高0.8 m～1.2 m，栽植密度2株/m2，红枫胸径3 cm～4 cm、株行距为2 m，雪松高2 m～3 m、株行距为3 m；林下直播种草，草种选用狗牙根，播种量80 kg/hm2。

4.3 临时措施

对该区域临时堆土坡脚处码放3层装土编织袋拦挡，单个编织袋装土后长0.5 m、宽0.3 m、高0.2 m，施工结束后对装土编织袋进行拆除，临时堆土表面采用土工布苫盖。

5 结论

针对鹤壁鱼泉调蓄工程弃渣场的选址及堆置特点、区域自然环境特点，运用瑞典圆弧法并结合“理正岩土计算6.0”软件进行弃渣场的边坡稳定计算，确定本工程弃渣场的稳定性符合规范要求，并在渣体稳定的基础上，设计表土回覆、土地平整、混凝土挡墙、混凝土截排水沟、挡水土埂、栽植灌木、栽植乔木、直播种草、装土编织袋拦挡、土工布苫盖等工程措施、植物措施、临时措施相结合的水土保持措施，措施体系完善，能够有效控制该工程弃渣场的水土流失，减轻对周边生态环境的不利影响，也可为同类型弃渣场的边坡稳定性分析及水土保持措施设计提供参考。