庫區(qū)型棄渣場洪水影響分析及水土保持措施設(shè)計

高宗昌，張亦冰

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000)

棄渣場是指工程建設(shè)中對不能利用的土石方、拆除混凝土或其混合物所選擇的處置或堆放場地的總稱。按照棄渣場地形條件、棄渣場與河溝相對位置、洪水處理方式等，可將水利水電工程棄渣場分為溝道型、臨河型、坡地型、平地型、庫區(qū)型五種。庫區(qū)型棄渣場的棄渣堆積在庫區(qū)內(nèi)河道兩岸的臺地、階地和河灘地上。因為棄渣場位置不同，在工程施工期、運行期可能受到的洪水影響會不同。施工期，渣場底部坡腳及邊坡可能受到河道天然洪水或?qū)Я骱樗挠绊懀贿\行期，由于渣場位于水庫淹沒區(qū)范圍內(nèi)，因此水庫蓄水后，渣場受水庫水位升降影響。當(dāng)棄渣場位于水庫最低運行水位以下時，水庫蓄水后淹沒渣頂，棄渣場不再受洪水影響；當(dāng)棄渣場高于水庫最低運行水位時，運行期渣體坡腳和坡面將受水庫水位升降影響。

1 設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)

庫區(qū)型棄渣場從開始堆渣到堆渣結(jié)束，可能遭遇的洪水類型和設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)由棄渣場級別、樞紐工程建筑物級別和施工導(dǎo)流建筑物級別分別確定。

(1)渣體坡面和渣頂會受到暴雨洪水影響。棄渣場遭遇的暴雨洪水需要采取截(排)水措施，暴雨洪水的洪水標(biāo)準(zhǔn)一般采用3～5 a一遇5～10 min短歷時設(shè)計暴雨。

(2)渣場底部坡腳和邊坡可能受到河道天然洪水的影響。施工期，渣場底部坡腳和邊坡可能受到的河道天然設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)由棄渣場等級確定，根據(jù)《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》(SL 575—2012)有關(guān)規(guī)定，棄渣場級別分為1～5級，對應(yīng)擋渣墻的建筑物級別為2～5級，結(jié)合擋渣墻或擋渣堤失事可能對周邊及下游造成的危害程度，天然河道設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)采用10～100 a一遇不等。棄渣場臨時性防護(hù)工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)取3～5 a一遇，渣場級別為3級以上時，防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)可提高到10 a一遇。

(3)渣場底部坡腳和邊坡可能受到施工期導(dǎo)流洪水的影響。渣場底部坡腳和邊坡可能受到的導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)由導(dǎo)流建筑物級別確定。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)和《水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》(SL 303—2017)相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)流臨時建筑物級別3～5級，導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)為3～50 a一遇不等。

(4)渣場底部坡腳和邊坡可能受到水庫蓄水位或設(shè)計(校核)洪水的影響。棄渣場可能受到的水庫蓄水水位和設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)則是由樞紐工程建筑物本身級別確定，與棄渣場規(guī)模無關(guān)，僅與棄渣場在水庫庫區(qū)的位置有關(guān)。

2 兩個庫區(qū)型棄渣場的洪水影響分析

2.1 渣場概況

石門水庫的1#棄渣場位于庫區(qū)內(nèi)河道右岸的坡地上，距壩址1 630～2 260 m，占地面積7.23 hm2，最大堆高18 m，設(shè)計堆渣量49.94萬m3，場地地形坡度約15o、地面高程1 088.7～1 096.0 m，對應(yīng)河段河底高程1 088～1 096 m，堆渣頂設(shè)計高程1 106 m。由于棄渣場失事后對主體工程和環(huán)境造成的危害程度并不嚴(yán)重，所以將棄渣場級別確定為5級，永久截(排)水工程的排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用3 a一遇10 min短歷時設(shè)計暴雨。

將軍廟水庫的1#棄渣場位于庫區(qū)內(nèi)河道右岸的臺地上，距壩址900～2 000 m，占地面積13.96 hm2，最大堆高20 m，設(shè)計堆渣量241萬m3，臺地兩岸地形坡度約17°，場地地面高程1 375.0～1 406.9 m，對應(yīng)河段河底高程1 349～1 367 m，堆渣頂設(shè)計高程1 390 m。由于棄渣場失事后對主體工程和環(huán)境造成的危害程度并不嚴(yán)重，所以將棄渣場級別確定為3級，永久截(排)水工程的排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用3 a一遇10 min短歷時設(shè)計暴雨。

2.2 洪水影響分析

2.2.1 暴雨洪水分析

棄渣場坡面和渣頂可能遭遇的暴雨洪水一般沒有實測洪水資料，多根據(jù)各地區(qū)的暴雨洪水圖集和水文手冊上提供的方法計算確定。暴雨形成的設(shè)計洪峰流量一般采用公式法計算，影響因子包括與地表類型、植被條件、土壤類型、地形坡度相關(guān)的徑流系數(shù)、設(shè)計暴雨強(qiáng)度和集水面積等。石門水庫1#渣場和將軍廟水庫1#渣場集水區(qū)均為陡峻山地，徑流系數(shù)取0.75；設(shè)計暴雨強(qiáng)度采用3 a一遇10 min內(nèi)平均降雨強(qiáng)度，由實測最大1 h降雨強(qiáng)度換算而得，石門水庫1#渣場為1.22 mm/min, 將軍廟水庫1#渣場為1.0 mm/min；集水面積由設(shè)計排水單元大小決定。

經(jīng)計算，石門水庫1#渣場坡面和頂部單個排水單元可能遭遇的暴雨洪水設(shè)計流量為1.50 m3/s；將軍廟水庫1#渣場坡面和頂部單個排水單元可能遭遇的暴雨洪水設(shè)計流量為0.15 m3/s，將軍廟水庫1#渣場上游右岸沖溝集水面積2.36 km2，暴雨洪水設(shè)計流量為3.54 m3/s。

2.2.2 河道天然洪水影響分析

由于棄渣場對應(yīng)河段河道并不規(guī)整，水流流態(tài)為非線性恒定流，其水力計算參考河道恒定流水面曲線逐段試算。

石門水庫1#棄渣場的棄渣來源于導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口施工、洞身開挖和大壩基礎(chǔ)開挖。導(dǎo)流泄洪洞施工期18個月，經(jīng)歷整個汛期，期間原河床過流，渣場底部坡腳和邊坡可能受到河道汛期天然洪水影響。石門水庫1#棄渣場級別為5級，擋渣墻為臨時擋水設(shè)施，設(shè)計洪水采用汛期5 a一遇洪水，洪峰流量47 m3/s。經(jīng)計算，相應(yīng)河段對應(yīng)的洪水水位為1 089.58～1 096.89 m；由于棄渣侵占河道，導(dǎo)致河道斷面束窄，水面抬高，對應(yīng)的洪水水位為1 091.02～1 098.32 m，均高于棄渣場坡腳高程。因此，1#棄渣場在導(dǎo)流泄洪洞施工期受到河道天然洪水的影響，需要進(jìn)行臨時防護(hù)。

將軍廟水庫1#渣場的棄渣來源于導(dǎo)流洞、發(fā)電洞、泄洪洞、圍堰、大壩及右岸道路施工，導(dǎo)流洞施工期即開始堆渣。導(dǎo)流泄洪洞施工期16個月，第一年5月初至第二年8月，原河床過流，同石門水庫1#渣場一樣，需要分析汛期洪水對棄渣場的影響。1#棄渣場級別為3級，擋渣墻亦為臨時擋水，設(shè)計洪水采用汛期10 a一遇洪水，洪峰流量182 m3/s。經(jīng)計算，渣場對應(yīng)河段洪水水位為1 349.87～1 368.03 m，低于棄渣場地面高程1 375.0～1 406.90 m，渣場坡腳不會受到洪水影響。

2.2.3 施工導(dǎo)流洪水影響分析

施工期截流后圍堰擋水，堰前的擋水高度采用圍堰擋水、導(dǎo)流洞泄洪進(jìn)行調(diào)洪演算確定。調(diào)洪演算依據(jù)水量平衡方程采用試算法進(jìn)行計算。堰前回水計算按照忽略局部水頭損失的伯努利方程自壩址逐個斷面向上游推算(逐段試算法)。

石門水庫導(dǎo)流洞施工完成后，利用9—11月枯水期進(jìn)行上游圍堰施工，11月截流后，上游圍堰擋水，導(dǎo)流泄洪洞泄流，進(jìn)行壩基處理、壩體填筑、瀝青混凝土心墻施工。施工導(dǎo)流選用20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)洪峰流量為119 m3/s，經(jīng)分析計算上游圍堰擋水高程1 092.90 m，回水至棄渣場末端水位高程1 098.42 m，高于棄渣場坡腳高程，因此需要對棄渣場渣體坡腳和邊坡進(jìn)行臨時防護(hù)。

將軍廟水庫也是在導(dǎo)流洞施工完成后，利用枯水季上游施工圍堰進(jìn)行截流，截流以前完成大壩岸坡土石方開挖，截流以后進(jìn)行大壩基礎(chǔ)土石方開挖、基礎(chǔ)防滲墻施工、趾板混凝土澆筑、大壩砂礫石填筑等。圍堰全年擋水，泄洪洞泄流，施工導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)采用10 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的汛期洪峰流量為182 m3/s，經(jīng)分析計算上游圍堰擋水高程1 349.8 m，回水至棄渣場末端水位高程1 098.42 m，遠(yuǎn)低于棄渣場高程1 375.00～1 406.90 m，渣場坡腳不會受到洪水影響。

2.2.4 水庫設(shè)計洪水影響分析

棄渣場渣體位于水庫最低運行水位與校核洪水位之間時，工程投入運行后渣體會受到水庫蓄水位升降變化的影響；棄渣場渣體位于水庫死水位以下時，在水庫運行期不受水庫蓄水位升降影響。石門水庫1#棄渣場渣體頂部設(shè)計高程1 106 m，死水位1 110 m；將軍廟水庫1#棄渣場渣體頂部設(shè)計高程1 390 m，死水位1 427 m，最低運行水位1 395 m。兩渣場的渣頂高程均低于水庫最低運行水位，水庫蓄水后將全部淹沒于水庫之中，因此不再考慮水庫運行期水位變化對棄渣場穩(wěn)定的影響，僅考慮水庫初次蓄水對渣體邊坡的沖刷。

3 水土保持措施

3.1 排洪措施

與其他類型渣場的排洪措施類似，庫區(qū)型棄渣場的排洪工程一般包括渣體上緣的截(排)水溝、渣體截斷天然沖洪溝的排洪涵洞和排除渣體內(nèi)部水的排水孔三部分內(nèi)容。如果渣場在水庫投入運行后完全淹沒在最低運行水位以下，那么排洪措施為臨時工程，否則排洪措施為永久工程。

3.1.1 截(排)水溝

為防止棄渣場上游坡面匯水引發(fā)渣體表面水土流失，在渣頂面內(nèi)側(cè)設(shè)置截(排)水溝，截(排)水溝的斷面尺寸一般按明渠均勻流公式計算。

石門水庫1#渣場設(shè)3個排水單元，每個排水單元截(排)水溝設(shè)計流量1.50 m3/s，排水溝采用梯形斷面，底寬0.6 m，溝深0.9 m，邊坡1∶1.5，用17 cm厚雷諾護(hù)墊護(hù)砌。

將軍廟水庫1#渣場上游坡面匯水面積較大，為減小排水溝斷面尺寸，將渣頂面分成若干排水單元，每個排水單元設(shè)計流量0.15 m3/s，排水溝采用矩形漿砌石斷面，底寬0.5 m、深0.5 m。

3.1.2 排洪涵洞

將軍廟水庫1#渣場上游岸坡現(xiàn)有一天然沖溝，暴雨洪水設(shè)計流量3.54 m3/s。渣料堆放前在渣體下部沖溝溝底埋設(shè)排洪涵洞，穿過擋渣墻后排入河道。排洪涵洞采用矩形鋼筋混凝土蓋板涵洞，底寬1.0 m、高0.8 m。

3.1.3 排水孔

為排除渣體內(nèi)的積水，在攔渣墻設(shè)置排水孔，布孔方式為梅花形，排水孔直徑取100 mm。排水孔設(shè)在地面高程以上0.3 m處，垂直方向間距為1.0 m，水平間排距為10 m。

3.2 攔擋措施

根據(jù)水土保持“先攔后棄”的原則，無論棄渣場坡腳高程是否受施工期洪水影響，都應(yīng)在坡腳設(shè)置攔擋措施，為擋渣墻或擋渣堤，一般采用重力墻型式，材料多采用漿砌塊石或混凝土。

石門水庫1#渣場導(dǎo)流洞施工期，設(shè)計洪水位為1 091.02～1 098.32 m，圍堰截流后堰前雍水，回水水位1 092.90～1 098.42 m，高出坡腳高程2.42～4.90 m。經(jīng)比較分析，水土流失防護(hù)措施為擋渣墻和護(hù)坡相結(jié)合，擋渣墻采用漿砌石砌筑重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，墻頂寬0.5 m，墻高隨高程變化為1.0～1.5 m，內(nèi)邊坡坡比1∶0.3，外邊坡垂直。

將軍廟水庫1#渣場導(dǎo)流洞施工期，設(shè)計洪水位為1 349.87～1 368.03 m，圍堰截流后堰前水位1 349.8 m，均低于坡腳高程。渣場坡腳設(shè)擋渣墻，漿砌石砌筑重力式結(jié)構(gòu)，墻頂寬0.5 m，墻高1.0 m，內(nèi)邊坡坡比為1∶0.3，外邊坡垂直。

3.3 邊坡防護(hù)措施

庫區(qū)型棄渣場的邊坡防護(hù)形式與其是否受洪水影響有關(guān)。受洪水影響的邊坡防護(hù)一般采取干砌石護(hù)坡或鉛絲石籠網(wǎng)(雷諾護(hù)墊)護(hù)坡，不受洪水影響的邊坡原則上可以不進(jìn)行邊坡防護(hù)。由于棄渣物料組成和施工組織的不確定性，目前相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)又沒有渣體壓實度控制方面的規(guī)定，因此堆渣完畢后渣體相對松散且不均勻[1]，為避免水庫初次蓄水造成水土流失，邊坡防護(hù)可以采用編織袋裝土或要求邊坡表層堆放大粒徑渣料。

石門水庫1#渣場護(hù)坡分兩種形式。厚23 cm雷諾護(hù)墊護(hù)坡，范圍為擋渣墻頂至施工期設(shè)計洪水位加安全超高，取1.0 m，即1 093.90～1 099.42 m；雷諾護(hù)墊護(hù)坡以上至棄渣場頂面均采用編織袋裝土防護(hù)。

將軍廟水庫1#渣場不受施工期洪水影響，護(hù)坡全部采用編織袋裝土防護(hù)。

4 結(jié) 語

水利水電工程具有建設(shè)周期長、棄渣場選擇困難、取土棄渣量大的特點[2]。受工程所在地地形條件的限制，山區(qū)水庫工程棄渣場選擇困難，部分棄渣場布置于庫區(qū)內(nèi)，一方面可能影響河道行洪安全，另一方面受洪水沖刷可能加劇水土流失。針對不同建設(shè)周期可能遭遇的洪水，布設(shè)不同形式、規(guī)模的棄渣場水土保持措施，以達(dá)到減少水土流失的目的。