某水庫工程水土保持設計中棄渣場設計分析

周 琳

（海城市水利事務服務中心，遼寧 海城 114200）

1 工程概況

某水庫工程是為解決該地區長期干旱、水資源供需矛盾突出而建設的以灌溉為主的小（1）型水庫，工程由水庫樞紐工程、灌溉管道工程組成。大壩為均質土壩，最大壩高23.3 m。溢洪道位于大壩左岸，控制段為開敞式寬頂堰，堰寬2.0 m，全長157 m；導流輸水隧洞位于大壩左岸，全長242.5 m，洞身斷面為有壓段1.5 m×1.8 m矩形、無壓段1.5 m×1.8 m城門洞型。灌溉管道工程總長9.391 km，由主管、支管及調蓄水池組成。

本工程在施工中共需布置2個棄渣場來堆放棄渣，方案初步選定棄渣場均選用M7.5漿砌石擋土墻進行攔擋，在棄渣場上游設置漿砌石截（排）水溝疏導雨水，并在截（排）水溝末端設置沉砂池，同時在馬道及平臺頂部設置排水溝防止產生坡面徑流沖刷渣體。本工程棄渣由石料、土料、風化層及部分有機成分組成，石料為主要成分，可作為無粘性土考慮，密實性低，對維持渣體穩定不利。因此，為保證安全棄渣和施工安全，必須保證渣體穩定，主體工程開挖完工后，應按照設計堆渣坡比進行渣體修整，使其滿足穩定要求[1]。

2 渣場設計

2.1 堆渣高度

水庫工程中大壩、溢洪道及導流輸水隧洞開挖產生的渣料由碎石、土及部分有機質組成，土占主要成分，渣體有一定凝聚力。渣體的邊坡坡角及渣體高度是影響渣體邊坡穩定的主要因素，在施工期間杜絕因棄渣不當造成的高陡邊坡，同時設計時要確定合理的邊坡坡角，充分利用渣料自身的穩定。本工程在渣場設計時充分考慮棄渣特性并結合渣場實際情況，參照同類工程的實際經驗[2]，本項目渣場安息角在8°～30°之間，初步確定堆渣體永久邊坡為1∶2.0～1∶2.5，堆渣高度在7.0 m～55 m之間。

2.2 擋渣墻確定

本工程設計的擋渣墻高度為5 m，擋墻斷面尺寸為:迎渣面墻趾埋深1.2 m，背渣面墻趾埋深0.8 m，地面部分墻高5.0 m，頂寬0.5 m，墻面坡比1∶0.1，墻背坡比1∶0.5；兩側墻趾寬0.6 m。在擋渣墻基礎以上每隔50 cm處布設Φ10排水孔，間排距為2 m×2 m，比降5%，向下游傾斜，呈菱形分布，每10 m設伸縮縫，擋渣墻所采用的砌石石料極限抗壓強度不低于50 MPa。擋渣墻墻斷面示意圖見圖1。

圖1 擋渣墻橫斷面設計圖

3 渣場穩定分析

3.1 渣體穩定分析

本文重點進行渣體在自重條件下的穩定計算與分析，保證渣體在自然條件下有足夠的穩定，不致發生通過渣體或渣體與渣場基礎的整體剪切破壞[3]。由于本項目所選渣場均位于相對較為平緩的溝箐，底坡坡度在20°左右，故基本不存在渣體與渣場底部的接觸面發生整體剪切破壞，導致渣體整體滑動的現象。由于永久堆渣體最陡的坡比為1∶2.5，對應坡角為21.8°，雖然緩于渣體的自然休止角（取28°），但是仍存在受到外應力作用時發生通過渣體的剪切破壞而導致渣體的邊坡失穩的可能。因此，采用條塊間作用力的簡化畢肖普（Simplified Bishop）法，運用理正巖土軟件5.2版（北京理正軟件設計院）中的邊坡穩定分析模塊對各個渣場的穩定性進行計算，計算參數如下:

渣體粘聚力C=10.0 kPa，內摩擦角φ=28°；基礎層粘聚力C=10 kPa，土條總數18，單個土條寬1 m，地震裂度Ⅶ級，計算結果見表1。

表1 棄渣場渣體抗滑穩定性計算成果表

通過計算可知，棄渣場的渣體可以達到穩定且有一定的安全裕度。

3.2 擋土墻穩定計算

（1）擋土墻穩定計算計算應滿足以下2個基本假定:

①按庫侖土壓力計算；

②清除覆蓋層，地基按碎石地基。

（2）相關參數取值

根據現場地質調查并類比有關工程經驗，提出各類巖（土）體的物理力學參數建議值，參數選取:砌體容重23.0 kN/m3，墻后填土綜合內摩擦角28.0°，粘聚力10.0 kN/m3，墻后填土容重19.0 kN/m3，墻背與墻后填土摩擦角17.5°，地基土容重18.0 kN/m3，墻底摩擦系數0.4，地基土內摩擦角30°。

（3）穩定計算方法及結果

穩定計算主要包括抗滑穩定性和抗傾覆穩定性兩個方面[4]，計算分析如下:

①抗滑穩定性

式中:Ks為抗滑安全系數；W為墻身自重，kN；Pax為主動渣壓力水平分力，kN；Pay為主動渣壓力垂直分力，kN；μ為基底摩擦系數，其中，Pax、Pay計算公式如下:

式中:&為墻背傾斜角度，°；ε為墻摩擦角，°；Pa為主動土壓力，kPa；γ為渣體容重；H為壩高，含基礎埋深，m；Ka為庫侖主動土壓力系數，查表或按下式計算，庫侖主動土壓力系數的計算公式:

式中:φ為渣體內摩擦角，°，本例取21°；ε為墻背與豎直線間夾角，本例取7°；φ0為渣體與墻背摩擦角，本例取18°；α為填渣坡面與水平線夾角，本例取25°。

②抗傾覆穩定性

主要通過抗傾覆最小安全系數的計算進行分析[5]，抗傾覆最小安全系數應滿足Kt＞1.5。

式中:Kt為抗傾覆最小安全系數；∑MR為作用于墻身各力對前趾的穩定力距，m·N；∑MT為作用于墻身各力對前趾的傾覆力距，m·N；G0、Z0分別為壩體自重、壩體重心到前壩趾處的力臂；Gc、Zc分別為壩上渣體重量、壩上渣體重心至前壩趾處的力臂，t、m；PaY、ZY分別為主動土壓力豎向分力、對應力臂 t、m；PaX、ZX分別為主動土壓力水平向分力、對應力臂t、m。計算結果見表2。

表2 擋渣墻穩定性分析計算結果表

經分析計算，設計擋渣墻整體抗滑穩定和抗傾覆穩定均滿足規范要求，并且留有一定的安全裕度，結構穩定。

3.3 渣場截（排）水溝設計

3.3.1 水力計算

保證排水體系通暢對于防治渣場小流域范圍內的水土流失是十分重要的，設計時應在渣場周圍的山坡上設置通暢的截（排）水溝，通過這些相互貫通的排水體系，保證渣場小流域范圍內設計洪水安全排出。截（排）水溝斷面形式采用漿砌石砌筑，設計應依據水文資料[6]，結合地形地質條件，選擇合理的布置形式、形狀、尺寸、縱坡、建筑材料，保證在設計洪水情況下水溝道不沖不淤，保證渣體穩定。

（1）洪峰流量

洪峰流量公式根據下式確定:

式中:q為設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度，mm/min；φ為徑流系數，根據實據地形坡度和植被情況取值；F為山坡匯水面積，km2。棄渣場5年一遇洪峰流量計算結果見表3。

表3 P=20%最大洪峰流量計算表

（2）截（排）水溝斷面設計

由于棄渣場徑流面積較為對稱，截（排）水溝的過水量采用徑流區來水量一半進行計算。采用明渠均勻流公式進行斷面復核計算:

式中:A為過水斷面面積，m2；Q為設計坡面匯流洪峰流量，m3/s；C為謝才系數；R為水力半徑；i為溝底坡降；n為糙率。

表4 排水溝設計斷面過水能力計算表

根據表4，棄渣場截（排）水溝計算出的流量仍比設計流量大，能滿足過流要求。

3.3.2 棄渣場措施工程量

（1）工程措施

1#、2#兩個棄渣場修建需M7.5漿砌石擋渣墻44.6 m，開挖土石230.6 m3，M7.5漿砌石654.7 m3；M7.5漿砌石截水溝總長1488.4 m，土石方開挖253.9 m3，M7.5漿砌石853.4 m3，M10砂漿抹面2060.3 m2；馬道及渣頂排水溝279.0 m，開挖土方89.3 m3；修建沉砂池2座，開挖土石方16.0 m3，M7.5漿砌石7.2 m3。

（2）植物措施

堆渣結束后，在棄渣場區栽植旱冬瓜6625株，人工換土6625株，撒播黑麥草和車桑子各2.650 hm2，撫育管理面積為2.650 hm2。

（3）臨時措施

本方案設計對表土臨時堆存場利用編織土袋擋墻進行臨時攔擋，并在使用結束后拆除編織土袋臨時擋墻。編織袋臨時擋墻采用“品”字形緊密排列的堆砌方式，頂寬0.5 m，邊坡1∶0.5，高1.5 m，編織袋裝土直接利用剝離出的表土，恢復植被時將編織袋清理干凈，袋中的表土用于綠化覆土。1#～12#臨時堆土場共設置編織袋臨時攔擋398.7 m，編織袋裝土及拆除757.6 m3，土工布覆蓋7129.5 m2。

4 結論及建議

棄渣場設計是水庫施工中水土流失防治的關鍵技術，水利工程棄渣場的設置對減小工程棄渣擾動、加強水土保持至關重要，棄渣場水土保持設計必須納入水庫工程前期設計規劃之中。該水庫于2017年開始施工，施工中嚴格按照水土保持設計進行棄渣、堆渣，渣場擋墻及周邊排水工施工，后期進行了必要的工程措施恢復，棄渣場設計合理、安全，在施工中預防水土流失作用顯著。