臨河型棄渣場水土保持防治措施探討

孫若城

1 項目及項目區(qū)概況

某水庫工程位于新疆維吾爾自治區(qū)烏恰縣境內(nèi)，工程主要由擋水建筑物、泄水建筑物、放水洞和管理區(qū)組成。工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小（1）型。水庫為不完全年調(diào)節(jié)，水庫總庫容983萬m3，控制灌區(qū)灌溉面積3.01萬畝。工程設置有2個砂礫料場、1個石料場，2個永久棄渣場，2個利用料堆放場，12條施工道路。工程總投資為45598萬元。

工程所在區(qū)域地貌類型為中高山區(qū)，氣候類型屬中溫帶干旱荒漠氣候。多年平均氣溫7.2℃，平均年降水量173.4 mm，平均年蒸發(fā)量（Φ20值）為2655.5 mm，多年平均風速2.4 m/s，最大風速24.0 m/s，最大凍土深度大于150 cm。工程占地大部分為河灘地，地表多為河卵礫石，土壤不發(fā)育，僅河道兩岸及山體坡腳有土層覆蓋，土壤類型為棕鈣土，土壤質地較松散。項目區(qū)植被類型為山地草原化荒漠植被，除工程管理區(qū)和施工生產(chǎn)生活區(qū)植被蓋度在20%～40%外，大部分區(qū)域植被蓋度小于5%，項目建設所在區(qū)域屬于新疆維吾爾自治區(qū)水土流失重點治理區(qū)，項目區(qū)屬于輕度風蝕、輕度水蝕區(qū)，侵蝕形態(tài)以細溝侵蝕和面蝕為主，原地貌土壤侵蝕模數(shù)為1500 t/（km2·a），土壤容許流失量為1500 t/（km2·a）。

2 工程棄渣場合理性分析評價

根據(jù)施工組織設計，工程建設過程中的臨時堆料約為15.4萬m3，最終產(chǎn)生棄渣124.19萬m3（自然方）。主體工程設置了2個永久棄渣場，用于堆放永久棄渣。1#永久棄渣場位于壩址上游約1 km的河道左岸河灘地，為臨河型棄渣場。2#永久棄渣場位于壩址下游左岸河灘地，呈條帶狀布置，與C2料場結合布設，為回填料坑棄渣場（符合水土保持要求，后期措施以土地整治為主，不在本文討論范圍內(nèi)）。

1#永久棄渣場位于壩址上游約1 km的河道左岸河灘地，為臨河型棄渣場，順河道靠左岸山體呈條帶狀布置，堆渣寬度約60 m～80 m，占地面積為24.54 hm2。該棄渣場主要堆存來自于導流洞、大壩、圍堰和道路工程的棄渣，棄渣以土方為主，堆渣量約118.68萬m3（自然方），平均堆高約6 m（換算為松方）。

受限于項目區(qū)地處中高山區(qū)的地形條件，主體工程施工組織設計將1#永久棄渣場布設在了壩址上游1 km的河道左岸和山體間的河灘地上，1#渣場地面高程在2615 m以上，高于大壩正常蓄水位2612 m，不在庫區(qū)淹沒范圍內(nèi)，也高于大壩度汛水位2596.5 m，施工期間不受壩前蓄水的浸沒影響。棄渣沿左岸山體一側堆放，避開了主河道，棄渣場所處河灘地的平均寬度為200 m～300 m，地形較為平坦，棄渣場占用河道寬度的比例小于30%，棄渣場所處的河流為季節(jié)性河流，僅在汛期有水，多年平均流量0.2 m3/s，從河道徑流量和河道寬度分析，堆渣不會擠占河道徑流和行洪通道，但為了防止河水對棄渣沖刷產(chǎn)生水土流失，需在堆渣前沿河流方向在棄渣場征地邊界修建攔擋措施，避免渣體受洪水沖蝕產(chǎn)生危害，不會對下游河道行洪產(chǎn)生影響[1]。

根據(jù)棄渣場主要工程防護措施體系，擋渣墻主要用于不受洪水影響的坡地型和平地型棄渣場的渣腳防護，攔渣壩和攔渣堤主要用于受洪水影響的溝道型、臨河型和庫區(qū)型棄渣場的渣腳防護。本工程1#棄渣場沿河道水流方向呈條帶狀布置，渣腳攔擋宜采取順河道走向布置的攔渣堤措施。綜合考慮棄渣場施工期和運行期均可能受洪水影響，水土保持措施應以渣腳防護（攔渣堤）、設計洪水位以下的迎水坡面防護（混凝土護坡）為主，并結合布置排水措施[2]。

3 棄渣場水土保持措施設計

工程區(qū)水土流失防治堅持分區(qū)防治的原則，根據(jù)工程經(jīng)過的自然地帶、所屬水土流失防治分區(qū)確定指導性防治措施。在各防治分區(qū)以侵蝕地貌劃分治理單元，提出各治理單元的主導性防治措施體系；在各治理單元，根據(jù)主要侵蝕部位系統(tǒng)論證推薦布置經(jīng)濟、合理、安全的防治措施。

本工程建設區(qū)屬典型的大陸性干旱氣候，主要特征為降水稀少，蒸發(fā)量大，工程占地范圍大部分區(qū)域土壤貧瘠，原生植被蓋度低，水土保持措施應以工程措施和臨時措施為主，重點做好棄渣場的防洪及排水措施，以及施工結束后的跡地恢復工作。棄渣場水土流失防治措施如下。

3.1 設計標準

根據(jù)《水利水電工程水土保持技術規(guī)范》（SL575-2012）中水土保持工程級別劃分與設計標準的規(guī)定，1#棄渣場為3級棄渣場，為臨河型棄渣場，根據(jù)棄渣堆放“先攔后棄”的原則，需要在近河道一側布設攔渣堤，攔渣堤級別為3級，邊坡防護工程級別為4級。棄渣場規(guī)模大于50萬m3，設計洪水標準為30年一遇，校核洪水標準為50年一遇。

攔渣堤穩(wěn)定性系數(shù)取值為：抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.25、邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.20、抗傾覆安全系數(shù)1.45。

工程區(qū)最大凍土深度大于150 cm，攔渣堤基底埋深不小于1.25 m。

3.2 穩(wěn)定性計算

（1）渣體邊坡穩(wěn)定計算。由滲水材料（砂、碎石、片石、塊石等）填筑的渣體，邊坡高度小于10 m，邊坡坍塌時破裂的形狀近似于平面，可按直線滑動面法檢算邊坡和穩(wěn)定性：

滑動穩(wěn)定系數(shù)：

其中：W為作用在滑動面上的土體重（t）；α為滑動面的傾角(度)；c 為填料的粘聚力(t/m2)；φ 為填料的內(nèi)摩擦角(度)；l為滑動面的長度(m)。

由于渣體為滲水材料組成，為無粘性土，粘聚力C=0，則上式簡化為：

此時α即為邊坡的坡角。

渣體材料內(nèi)摩擦角按經(jīng)驗取φ=40°，邊坡坡比為1∶3時，坡角α=35°，邊坡滑動穩(wěn)定計算選用坡角α=35°，邊坡滑動系數(shù)：

（2）攔渣堤穩(wěn)定計算。計算按庫侖理論計算土壓力；墻背填料為均質散粒體，僅有內(nèi)摩擦力，無粘聚力；按重力式擋墻驗算擋土墻滑動穩(wěn)定性及傾覆穩(wěn)定性和地基承載力；計算參數(shù)：渣體容重 19 kN/m3，漿砌石容重 23 kN/m3，內(nèi)摩擦角 φ=40°，擋墻基礎與地基土的摩擦系數(shù)取f=0.5。

抗滑穩(wěn)定系數(shù)kc(采用傾斜基底)計算：

式中：∑N為作用于基底上的重量的代數(shù)和（包括墻的自重，土壓力的垂直分力∑Ey，浸水擋墻時還包括水的浮力∑Ew）；∑EX為土壓力的水平分力；α0為基底傾斜角；f為基礎底面與地基。土之間的摩擦系數(shù)；

抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)k0計算：

式中：∑MY為穩(wěn)定力系對墻趾的穩(wěn)定力矩；∑M0為傾覆力系對墻趾的傾覆力矩。

地基承載力R計算：

式中：N為基底合力垂直基底面的分力；∑M為擋土墻的水平力和豎直力對基底重心的彎矩；A為基礎底面的面積；W為基礎底面的截面抵抗矩；

攔渣堤計算成果：棄渣場攔渣堤抗滑動穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.3，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.5，地基平均承載力驗算小于100kPa，以上結果滿足攔渣堤穩(wěn)定要求。

如圖1所示，棄渣場攔渣堤總長2000 m，需開挖土石方10620 m3，回填土石方 42640 m3，需C25混凝土 2680 m3。排水溝2000 m，需C25混凝土660 m3。排水管φ50PVC長度4000 m。

圖1 攔渣堤側剖面圖

4 結語

水利水電工程項目區(qū)往往處于山區(qū)，受限于施工場地布置，一些工程棄渣場布置在臨河階地或河灘地上。若不采取攔擋措施，棄渣受河水沖蝕會產(chǎn)生水土流失，影響河道水質，遇到洪水棄渣滑入河道，會對下游水庫運行和灌區(qū)生產(chǎn)產(chǎn)生影響，因此必須設置攔渣措施。本文針對此類臨河型棄渣場的攔擋措施的設計進行研究，為類似工程棄渣場的水土流失防治提供參考。

[1]中國水土保持學會水土保持規(guī)劃設計專業(yè)委員會.生產(chǎn)建設項目水土保持設計指南[M].北京:中國水利水電出版社,2011:8.

[2]操昌碧.水庫型棄渣場水土保持工程措施的設計 [J].水電站設計,2009.9.