水利建设过程中弃渣处理方案设计

李光明

( 遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义563002)

1 工程概况

贵州省务川县岩溪水库工程位于务川县涪洋镇当阳村境内，坝址处于洪渡河上游左岸一级支流羊岗河上游的张家寨河段。水库坝址距涪洋集镇22 km，距务川县城45 km，距遵义市城区165 km，现有简易乡村公路经过库区，交通较为方便。该水库挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，最大坝高60 m，正常蓄水位库容1 030 万m3，总库容1 240 万m3，水库为中型水库; 灌区渠系由总干渠、神溪干渠、桐木干渠及5 条支渠组成，渠系总长91.30 km，其中渠系建筑物渡槽1 座、隧洞1 座、倒虹管20 座。水库工程的建设，可解决灌区面积0.414 万hm2用水问题的同时，还可解决灌区内集镇及农村2.25 万人及1.16 万头牲畜饮水安全问题。

工程建设共开挖土石方117.83 万m3( 含围堰拆除) ，回填利用土石方49.64 万m3，废弃土石方68.19 万m3( 含 表 土 剥 离) 。本 工 程 扣 除19.26 万m3的表土利用和土方回覆耕地后，永久弃渣量为48.93 万m3。为了处理建设过程中的弃渣问题，在工程设计中考虑坝区弃渣场和渠系区弃渣场，其中坝区弃渣场接纳弃渣量为32.09 万m3，渠系区弃渣场接纳弃渣量为16.84 万m3。

2 弃渣场工程设计要求

2.1 渣场类型及选址设计要求

开发建设项目的弃渣场一般分为拦沟型、临河型、谷坡型以及水库型4 种［1］。拦沟型( 俗称冲沟型) 弃渣场是将弃渣堆积在溪沟的沟道内，在沟口设置拦挡措施拦，栏挡措施上游的洪水由弃渣场设置的明渠或涵洞排出; 临河型弃渣场是将弃渣堆积在河道岸边，渣体底部高程低于沟道中防护渣体的设计洪水位，需要考虑渣场对沟道防洪的影响; 谷坡型( 俗称缓坡型) 弃渣场是指将渣体堆放于河道或施工管线两侧的滩地或台地上，渣体底部高程高于沟道中防护渣体的设计洪水位，不需要考虑渣场对沟道防洪的影响;水库型弃渣场是将弃渣堆积在水库中，按照弃渣堆积高程与水库正常蓄水位和死水位的相对位置，有可分库面型、库中型和库底型3 种。

弃渣场设计的地形要求为肚大口小、坡度较缓、地质条件较好、施工运输方便、耕地较少及对周边环境影响小的沟道。根据《开发建设项目水土保持技术规范》( GB 50433—2008) 的规定，弃土( 石、渣) 场选址以下规定: ①不得影响周边公共设施、工业企业、居民点的安全; ②涉及河道的，应符合治导规划及防洪行洪的规定，不得在河道、湖泊管理范围内设置弃土( 石、渣) 场。

2.2 渣脚防护设计要求

根据先拦后弃的原则，该弃渣场必须对渣脚进行防护，可以通过采取挡渣坝、挡渣墙( 堤) 和工程护坡等方式实现。

2.3 渣面防护设计要求

渣场的渣面防护措施主要有: 工程护坡、植物护坡和综合护坡3 种。工程护坡分为干砌块石护坡、浆砌块石护坡、混凝土护坡、铁丝( 或钢筋) 石笼护坡、预制块护坡等; 植物护坡主要分为草皮护坡、种植乔木护坡、种植灌木护坡、乔灌草结合护坡等; 综合护坡指采用工程措施和植物措施相结合的综合型护坡。对于长期受到水的冲刷或侵泡的渣面，如水库型弃渣场的渣面应采用工程护坡，其它的石质边坡、土质边坡、土石均衡的边坡等均建议采用综合护坡，综合护坡既能节约工程投资，又能改善渣场的景观，同时提高项目的绿化率。弃渣场表面采用清淤弃土或清除的地表耕作土、表土等覆盖，覆土厚度≥0.5 m，复耕或撒播草籽、乔灌结合绿化。

2.4 排水措施设计要求

弃渣场的排水措施应分为临时排水措施和永久排水措施。施工期间的临时性排水措施主要是根据弃渣场堆渣进程能满足渣场及周边排水要求而设置的临时性排水系统; 永久性排水措施主要是在堆渣结束后，根据渣面及堆渣高程而布设在弃渣场周围1～5 m外设一道截排水沟，拦截山体坡面汇水，水沟基础要开挖在自然边坡稳定土体上或岩石上。截排水沟的设计尺寸是根据弃渣场挡土墙( 堤) 控制的集雨面积来设定，截排水沟设计断面可分为梯形、矩形、深沟型、宽浅型等，沟道侧墙材料可分为浆砌石、混凝土等，沟槽基础做成台阶型，以增加稳定性。截水沟的排水坡度≥1%。

3 岩溪水库弃渣场工程设计［2］

岩溪水库弃渣场由坝区弃渣场和渠系区弃渣场组成。

3.1 弃渣场选址设计

岩溪水库坝区弃渣场选在大坝下游右岸650 m处的冲沟槽谷内，该冲沟槽谷720 m高程以上长约250 m、宽25 ～65 m、深20 ～45 m;冲沟730 m高程以下有部分坡耕地，两岸及后缘多为灌木林，局部为陡崖绝壁;冲沟下游侧为羊岗河及紧靠河岸的现有简易进场公路，无村民住房和其他设施。该弃渣场占地3.22 hm2，堆渣高程721 ～790 m，渣体外坡1∶2.0，堆渣容量45 万m3。坝区弃渣场属于拦沟型弃渣场，渣场下游需设置浆砌石挡渣墙，上游侧布设截排水沟。

岩溪水库灌区渠道呈树枝状分布，渠道开挖弃渣呈线状分布，根据渠道及建筑物沿线的地形地貌，考虑弃渣场运距、渣场容量大致接近因素，在渠道沿线及建筑物附近拟选了11个拦沟型弃渣场和4个谷坡型弃渣场，共15个弃渣场。各弃渣场堆渣高度5 ～10 m，渣体外坡按1∶2.0 放坡，所有的渣场布置高程在710 ～740 m，渠道区弃渣场总库容约26 万m3。渠道区弃渣场下游需设置浆砌石挡渣墙，上游侧布设截排水沟，以下将渠道区2 号拦沟型弃渣场挡渣墙和4 号谷坡型弃渣场挡渣墙作为典型设计。弃渣场布设情况见表1。

3.2 渣脚防护设计

通过以上分析，本工程的弃渣场的渣脚防护采用的重力式挡渣墙，拦渣墙断面尺寸见表2。挡渣墙采用M7.5浆砌块石砌筑，M10水泥砂浆勾缝，渣墙背竖直，墙面1∶0.3。挡渣墙设排水孔孔径10 cm，间排距1 m，梅花型布置，排水孔靠土体侧设碎石反滤层。挡土墙每隔15 m设置一道2 cm宽的沉降伸缩缝，伸缩缝考虑采用橡胶条或沥青麻筋塞填。

按《开发建设项目水土保持技术规范》(50433—2008) 并参照《水工挡土墙设计规范》( SL379—2007) 进行挡渣墙的稳定验算，挡墙抗滑稳定计算根据主动土压力计算如下:

表1 弃渣场分布表

3.2.1 抗滑稳定安全系数Ks抗滑稳定安全系数Ks 采用下式计算:

式中:Ks为抗滑稳定安全系数; W 为每单位长度挡渣墙自重; Pax、Pay分别为作用于挡渣墙上的库仑主动土压力Pa在水平方向和垂直方向的分力; μ 为挡渣墙底与地基间的摩擦系数。

3.2.2 抗倾覆稳定安全系数Kt

抗倾覆稳定安全系数Kt采用下式计算:

式中:Kt为抗倾覆安全系数; Wa 为挡渣墙重力W 对墙趾的力矩;Pyb 为主动土压力P 在垂直方向的分力对墙趾的力矩; Pxh 为主动土压力P 在水平方向分力对墙趾的力矩。

3.2.3 地基承载力验算

式中: B 为墙体底部宽度; x 为合力作用点与墙址点的距离，x = ∑M/N; N 为作用在基础底面上的竖向力; F 为墙体底面面积。

根据上述计算公式，计算结果见表2。

表2 重力式拦渣墙断面设计尺寸及抗滑稳定验算成果表

通过以上稳定验算，挡土墙断面的抗滑稳定、抗倾覆稳定、以及地基承载力均满足规范要求。

图1 弃渣场挡渣墙设计尺寸图

岩溪水库弃渣场挡渣墙设计见图1。

3.3 坡面防护设计

根据本工程地基范围内的土壤力度，计算该弃渣场渣体稳定性数据，确定工程护坡采用综合护坡，堆渣体护坡厚度≥40 cm，每隔10 m高程设置马道，马道宽2 m，稳定边坡为1∶2.0，浆砌块石护坡下设置垫层厚20 cm 的砂砾石垫层，防止综合护坡发生破坏。

3.4 排水措施设计

为避免坡面径流冲刷渣体，在弃渣场堆渣表面的上游侧修建浆砌石截水沟将弃渣场上游山体来水排入羊岗河中。弃渣场截排水沟断面设计为梯形断面，渠道底坡i =5%。侧墙采用M7.5浆砌石块石砌筑和M10水泥砂浆抹面，侧墙厚0.4 m，M10水泥砂浆抹面厚0.02 m，底板采用碎石垫层厚0.10 m，和C15混凝土护底厚0.08 m。

3.4.1 防洪标准

根据《防洪标准》( GB 50201—94) 中的相关规定，确定弃渣场排水工程防洪标准为20 a一遇设计、50 a一遇校核。

3.4.2 排水工程设计

经查《贵州省暴雨洪水计算实用手册》，取用《贵州省年最大1 h点雨量均值等值线图》、《贵州省年最大1 h点雨量Cv 值等值线图》，得项目区的最大1 h平均点雨量为45 mm，Cv =0.42，Cs = 3.5Cv; 查《皮尔逊III 型频率曲线的模比系数KP 值表》，当P =2%，得KP =2.1467，50 a一遇降雨强度96.6 mm。

3.4.2.1 洪峰流量QS

采用公式:

式中: Qs 为洪峰流量; K 为径流系数，取0.8; I 为50 a一遇降雨强度96.6 mm; F 为山坡集雨面积。

3.4.2.2 水力学计算

1) 计算假定。弃渣场截排水沟水力学计算公式:

2) 断面选定。弃渣场截排水沟计尺寸及水力计算见表3。

岩溪水库渣场水土保持工程措施示意见图2。

表3 弃渣场截排水沟断面尺寸及水力计算表

图2 岩溪水库弃渣场水土保持工程措施示意图

5 结 语

水利工程在建设过程中都会产生大的弃土弃渣，尤其是工程的开挖，其数量大，造成的水土流失较为严重，防治困难，因此在建设过程中弃渣的处理方案设计要合理可行。同时，在工程施工中，严格遵守国家环境保护部门及有关规范的规定，采取有效措施以预防和消除因施工造成的环境污染。

［1］周天佑，卿太明. 四川省开发建设项目弃渣量、弃渣场的类型与防洪标准［J］. 四川水利，2004(3) :55 －56.

［2］遵义水利水电勘测设计研究院. 贵州省务川县岩溪水库工程水土保持方案报告书［R］. 遵义: 遵义水利水电勘测设计研究院，2011.

［3］操昌碧. 水利水电工程弃渣场水土保持工程措施研究［J］. 水电站设计，2001 (4) :39.