劉建兵，楊 曼，肖智鋒

(江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，江西南昌 330095)

目前，在泥石流治理工程中多采用重力式攔擋壩進(jìn)行泥石流的防治工作(周龍茂等，2008)，在工程設(shè)計時，須對其進(jìn)行穩(wěn)定性驗算，以提高工程的可靠性和安全性，驗算時多采用電子軟件驗算(江峰，2009)，國內(nèi)的一些驗算軟件一般是工程設(shè)計者自行研發(fā)和編寫，驗算理論和驗算過程對于工程設(shè)計人員并不易掌握。筆者提出，此類工程驗算可根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》(DZT0239—2004)提出的驗算公式進(jìn)行驗算，稱之為手動筆算，簡稱手算。其驗算步驟明確，簡單易懂，結(jié)合工程力學(xué)性質(zhì)驗算，結(jié)論較準(zhǔn)確，計算過程可在Excel中完成。

1 工程案例

江西漂塘鎢業(yè)有限公司漂塘礦區(qū)豬斗窩至漂塘河泥石流治理工程中設(shè)計的一處攔擋壩作為本次工程實例①劉建兵.2012.江西漂塘鎢業(yè)有限公司漂塘礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案［R］.南昌:江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站:70-72.。根據(jù)工程實例，采取手動筆算對重力式泥石流攔擋壩的穩(wěn)定性驗算。

1.1 工程概況

該易發(fā)性泥石流溝開口方向總體為210°，相對高差180～330 m，主溝呈“V”型，縱坡降150‰，匯水面積約1.5 km2。兩側(cè)山坡坡度一般25°～35°，植被較發(fā)育，以灌木為主，覆蓋率80%。上覆殘坡積土，厚一般0.5～2.0 m，局部2.0～4.0 m，下伏∈Ⅱ變質(zhì)砂巖，地層產(chǎn)狀355°∠55°。據(jù)野外調(diào)查，該處溝谷兩側(cè)淺層滑坡較為發(fā)育，見4處崩塌、滑坡，山坡、溝谷中有4處廢石堆放場(總方量約358.2×104m3)及零星堆放小方量的廢石、礦渣、棄土等，廢石堆結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性較差，為形成泥石流提供了豐富的松散物質(zhì)來源，一旦遭遇到特大暴雨，溝內(nèi)水流將攜帶大量的泥土礦渣形成泥石流，對礦區(qū)造成危害，威脅人口約150人，威脅資產(chǎn)約300萬元。因此，在適宜位置設(shè)置重力式攔擋壩預(yù)防突發(fā)泥石流災(zāi)害對下游遭受破壞。

1.2 重力式攔擋壩設(shè)計參數(shù)

該重力式攔擋壩采用漿砌塊石砌筑，泥石流災(zāi)害防治工程安全等級為四級，工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為二級，即50年一遇，壩址左右兩岸斜坡坡度均為28°，上覆殘坡積厚0.5～1.5 m，巖性為含碎石粉質(zhì)粘土，下伏地層為∈1n1巖屑石英雜砂巖，產(chǎn)狀120°∠50°，強(qiáng)風(fēng)化層厚1.0～3.5 m。該攔擋壩設(shè)計尺寸參數(shù)為壩長50 m，壩體高10 m，壩頂寬1.6 m，壩底寬9.6 m，基礎(chǔ)厚2.5 m，下游壩坡比1∶0.2，上游壩坡比1∶0.6，在壩體高1.5 m，3.0 m，4.5 m，6.0 m，7.5 m處設(shè)置五排泄水孔，孔徑DN90，孔距2.0 m，上下排呈“品”字型布置，采用M10.0砂漿砌筑塊石和1∶2水泥砂漿勾縫及抹面，水泥采用普通硅酸鹽32.5R型，壩頂設(shè)有溢流口，長2.0 m，高0.4 m。設(shè)計庫容約13.2×104m3，上游廢石累進(jìn)流失率6%，約13.05×104m3，滿足要求(圖1，2)。

圖1 重力式攔擋壩橫剖面圖Fig.1 Cross section of gravity dam

圖2 重力式攔擋壩縱剖面圖Fig.2 Longitudinal section of gravity dam

1.3 重力式攔擋壩穩(wěn)定性驗算

依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》(DZT0239—2004)，攔擋壩抗滑安全系數(shù)應(yīng)大于1.20，抗傾覆安全系數(shù)應(yīng)大于1.50，地基容許承載力應(yīng)大于1.2倍最大地基應(yīng)力。假定該重力式攔擋壩在滿負(fù)荷工況下運行進(jìn)行以下穩(wěn)定性驗算。

作用于攔擋壩的垂直壓力，即攔擋壩壩體自重計算(其它外力忽略不計)，采用《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》(DZT0239—2004)提出的計算公式(中國地質(zhì)調(diào)查局，2004):

式中，Wd為單寬壩體自重(kN);Vb為單寬壩體體積(m3);γb為筑壩材料重度，取24 kN/m3。

把Vb=65.4 m3，γb=24 kN/m3代入(1)式計算得:Wd=1 569.6 kN。

作用于攔擋壩的水平壓力，即泥石流體水平壓力(其它外力忽略不計)，采用《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》(DZT0239—2004)提出的朗肯主動土壓力計算公式:

式中，F(xiàn)vl為泥石流體水平壓力(kN);γc為泥石流重度(kN/m3);Hc為泥石流體泥深(m);φa為泥石流體內(nèi)摩擦角，一般取值4°～10°。

γc取20 kN/m3，Hc取9 m，φa取4°，根據(jù)(2)式計算得:Fvl=704.34 kN。

1.3.1 抗滑穩(wěn)定性驗算

抗滑穩(wěn)定性驗算采用《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》(DZT0239—2004)提出的抗滑穩(wěn)定性計算公式:

式中，kc為抗滑安全系數(shù);f為滑動面上的抗剪摩擦系數(shù)，取值0.5～0.8;∑N為垂直方向作用力的總和(kN);∑P為水平方向作用力的總和(kN)。

f取0.6，∑N=Wd=1 569.6 kN;∑P=Fvl=704.34 kN，根據(jù)(3)式計算得:kc=1.34＞1.20，因此，攔擋壩在自身重力和外力的作用下，發(fā)生滑動的可能性小。

1.3.2 抗傾覆驗算

抗傾覆驗算采用《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》(DZT0239—2004)提出的抗傾覆計算公式:

式中，k0為抗傾覆安全系數(shù);∑MN為抗傾力矩的總和，即垂直方向的力的力矩總和(kN·m);∑MP為抗傾覆力矩的總和，即水平方向的力的力矩總和(kN·m)。

圖3 攔擋壩壩體受力分析示意圖Fig.3 Stress of dambody analysis diagram

根據(jù)圖3壩體受力分析示意圖，可得，

則根據(jù)上述公式計算得:k0=4.16＞1.50，因此，攔擋壩在自身重力和外力的作用下，發(fā)生傾倒的可能性小。

1.3.3 地基承載力驗算

地基承載力驗算采用《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》(DZT0239—2004)提出的地基承載力計算公式:

地基承載力應(yīng)滿足下式:

式中，σmax為最大地基應(yīng)力(kN);σmin為最小地基應(yīng)力(kN/m2);∑N為垂直力的總和(kN);B為壩底寬度(m);e0為偏心矩;［σ］為地基容許承載力(kN)。

根據(jù)地基巖性力學(xué)特征(彭元貴等，2006)，σ取1.5×104kN，∑N=Wd=1 569.6 kN，B=9.6 m，e0=B÷2－L1=9.6÷2－5.6=－0.8 m，根據(jù)上述公式計算得:σmax=98.1 kN ＜1.5×104kN，σmin=2.55 kN/m2＞0，該場地基本滿足攔擋壩地基承載要求。

所以，該重力式攔擋壩抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性和地基承載力基本滿足攔擋壩的建造要求。

根據(jù)以上驗算過程和結(jié)論可知，其驗算步驟簡單明了，結(jié)論準(zhǔn)確清晰，經(jīng)穩(wěn)定性驗算該工程設(shè)計的壩體安全穩(wěn)定，滿足技術(shù)規(guī)范要求，能夠起到很好的防護(hù)作用，進(jìn)一步為工程設(shè)計提供可靠的技術(shù)依據(jù)，確保工程安全有效。

2 結(jié)論

在泥石流防治工程設(shè)計中，攔擋壩的穩(wěn)定性十分重要，重力式攔擋壩是泥石流防治中使用較普遍、設(shè)計方法較為成熟的典型壩型(吳瑋江等，2012)，其穩(wěn)定性驗算方法多種多樣，有些方法并非適合某種特定環(huán)境下的重力式攔擋壩穩(wěn)定性驗算。

這樣就亟需在某一特定環(huán)境下具體分析研究，采取適宜此類狀況下的驗算法則，而目前較多的工程設(shè)計人員在進(jìn)行重力式攔擋壩設(shè)計驗算時多采用某種驗算軟件，該種驗算軟件中設(shè)置的參數(shù)并不能使設(shè)計人員完全理解。因此，應(yīng)從工程實際出發(fā)，結(jié)合國家制定的規(guī)范、規(guī)程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和以往工程經(jīng)驗作出單一環(huán)境下的驗算思路和驗算方法，這樣可以使驗算結(jié)論符合工程本身。

本文以江西漂塘鎢業(yè)有限公司漂塘礦區(qū)豬斗窩至漂塘河泥石流治理工程中設(shè)計的某一重力式攔擋壩為驗算案例，通過以上驗算方法的詳細(xì)闡述，依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》(DZT0239—2004)設(shè)計要求和結(jié)合工程實際情況，在分析重力式攔擋壩受力狀態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)行壩體穩(wěn)定性驗算，此穩(wěn)定性驗算方法在驗算泥石流物源以礦山廢石等粗顆粒為主要物質(zhì)的環(huán)境下所設(shè)計的重力式攔擋壩尤為適宜。該穩(wěn)定性驗算方法簡單易懂，步驟詳盡，結(jié)論可靠，本驗算方法可供工程設(shè)計人員參考和借鑒。

江峰.2009.泥石流防治工程設(shè)計的若干問題初探［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，20(4):36-40.

彭元貴，劉文華.2006.土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對地基承載力影響的理論分析［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，29(4):365-369.

吳瑋江，馮樂濤.2012.重力式泥石流攔擋壩穩(wěn)定性計算［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報，24(3):58-59.

中國地質(zhì)調(diào)查局.DZT0239-2004.泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范［S］.

周龍茂，龔育齡.2008.武寧縣花香林泥石流災(zāi)害成因及防治對策［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，31(2):136-139.