库区型弃渣场洪水影响分析及水土保持措施设计

高宗昌，张亦冰

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 石河子 832000)

弃渣场是指工程建设中对不能利用的土石方、拆除混凝土或其混合物所选择的处置或堆放场地的总称。按照弃渣场地形条件、弃渣场与河沟相对位置、洪水处理方式等，可将水利水电工程弃渣场分为沟道型、临河型、坡地型、平地型、库区型五种。库区型弃渣场的弃渣堆积在库区内河道两岸的台地、阶地和河滩地上。因为弃渣场位置不同，在工程施工期、运行期可能受到的洪水影响会不同。施工期，渣场底部坡脚及边坡可能受到河道天然洪水或导流洪水的影响；运行期，由于渣场位于水库淹没区范围内，因此水库蓄水后，渣场受水库水位升降影响。当弃渣场位于水库最低运行水位以下时，水库蓄水后淹没渣顶，弃渣场不再受洪水影响；当弃渣场高于水库最低运行水位时，运行期渣体坡脚和坡面将受水库水位升降影响。

1 设计洪水标准

库区型弃渣场从开始堆渣到堆渣结束，可能遭遇的洪水类型和设计洪水标准由弃渣场级别、枢纽工程建筑物级别和施工导流建筑物级别分别确定。

(1)渣体坡面和渣顶会受到暴雨洪水影响。弃渣场遭遇的暴雨洪水需要采取截(排)水措施，暴雨洪水的洪水标准一般采用3～5 a一遇5～10 min短历时设计暴雨。

(2)渣场底部坡脚和边坡可能受到河道天然洪水的影响。施工期，渣场底部坡脚和边坡可能受到的河道天然设计洪水标准由弃渣场等级确定，根据《水利水电工程水土保持技术规范》(SL 575—2012)有关规定，弃渣场级别分为1～5级，对应挡渣墙的建筑物级别为2～5级，结合挡渣墙或挡渣堤失事可能对周边及下游造成的危害程度，天然河道设计洪水标准采用10～100 a一遇不等。弃渣场临时性防护工程的防洪标准取3～5 a一遇，渣场级别为3级以上时，防护标准可提高到10 a一遇。

(3)渣场底部坡脚和边坡可能受到施工期导流洪水的影响。渣场底部坡脚和边坡可能受到的导流洪水标准由导流建筑物级别确定。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2017)和《水利水电工程施工组织设计规范》(SL 303—2017)相关规定，导流临时建筑物级别3～5级，导流洪水标准为3～50 a一遇不等。

(4)渣场底部坡脚和边坡可能受到水库蓄水位或设计(校核)洪水的影响。弃渣场可能受到的水库蓄水水位和设计洪水标准则是由枢纽工程建筑物本身级别确定，与弃渣场规模无关，仅与弃渣场在水库库区的位置有关。

2 两个库区型弃渣场的洪水影响分析

2.1 渣场概况

石门水库的1#弃渣场位于库区内河道右岸的坡地上，距坝址1 630～2 260 m，占地面积7.23 hm2，最大堆高18 m，设计堆渣量49.94万m3，场地地形坡度约15o、地面高程1 088.7～1 096.0 m，对应河段河底高程1 088～1 096 m，堆渣顶设计高程1 106 m。由于弃渣场失事后对主体工程和环境造成的危害程度并不严重，所以将弃渣场级别确定为5级，永久截(排)水工程的排水设计标准采用3 a一遇10 min短历时设计暴雨。

将军庙水库的1#弃渣场位于库区内河道右岸的台地上，距坝址900～2 000 m，占地面积13.96 hm2，最大堆高20 m，设计堆渣量241万m3，台地两岸地形坡度约17°，场地地面高程1 375.0～1 406.9 m，对应河段河底高程1 349～1 367 m，堆渣顶设计高程1 390 m。由于弃渣场失事后对主体工程和环境造成的危害程度并不严重，所以将弃渣场级别确定为3级，永久截(排)水工程的排水设计标准采用3 a一遇10 min短历时设计暴雨。

2.2 洪水影响分析

2.2.1 暴雨洪水分析

弃渣场坡面和渣顶可能遭遇的暴雨洪水一般没有实测洪水资料，多根据各地区的暴雨洪水图集和水文手册上提供的方法计算确定。暴雨形成的设计洪峰流量一般采用公式法计算，影响因子包括与地表类型、植被条件、土壤类型、地形坡度相关的径流系数、设计暴雨强度和集水面积等。石门水库1#渣场和将军庙水库1#渣场集水区均为陡峻山地，径流系数取0.75；设计暴雨强度采用3 a一遇10 min内平均降雨强度，由实测最大1 h降雨强度换算而得，石门水库1#渣场为1.22 mm/min, 将军庙水库1#渣场为1.0 mm/min；集水面积由设计排水单元大小决定。

经计算，石门水库1#渣场坡面和顶部单个排水单元可能遭遇的暴雨洪水设计流量为1.50 m3/s；将军庙水库1#渣场坡面和顶部单个排水单元可能遭遇的暴雨洪水设计流量为0.15 m3/s，将军庙水库1#渣场上游右岸冲沟集水面积2.36 km2，暴雨洪水设计流量为3.54 m3/s。

2.2.2 河道天然洪水影响分析

由于弃渣场对应河段河道并不规整，水流流态为非线性恒定流，其水力计算参考河道恒定流水面曲线逐段试算。

石门水库1#弃渣场的弃渣来源于导流泄洪洞进口施工、洞身开挖和大坝基础开挖。导流泄洪洞施工期18个月，经历整个汛期，期间原河床过流，渣场底部坡脚和边坡可能受到河道汛期天然洪水影响。石门水库1#弃渣场级别为5级，挡渣墙为临时挡水设施，设计洪水采用汛期5 a一遇洪水，洪峰流量47 m3/s。经计算，相应河段对应的洪水水位为1 089.58～1 096.89 m；由于弃渣侵占河道，导致河道断面束窄，水面抬高，对应的洪水水位为1 091.02～1 098.32 m，均高于弃渣场坡脚高程。因此，1#弃渣场在导流泄洪洞施工期受到河道天然洪水的影响，需要进行临时防护。

将军庙水库1#渣场的弃渣来源于导流洞、发电洞、泄洪洞、围堰、大坝及右岸道路施工，导流洞施工期即开始堆渣。导流泄洪洞施工期16个月，第一年5月初至第二年8月，原河床过流，同石门水库1#渣场一样，需要分析汛期洪水对弃渣场的影响。1#弃渣场级别为3级，挡渣墙亦为临时挡水，设计洪水采用汛期10 a一遇洪水，洪峰流量182 m3/s。经计算，渣场对应河段洪水水位为1 349.87～1 368.03 m，低于弃渣场地面高程1 375.0～1 406.90 m，渣场坡脚不会受到洪水影响。

2.2.3 施工导流洪水影响分析

施工期截流后围堰挡水，堰前的挡水高度采用围堰挡水、导流洞泄洪进行调洪演算确定。调洪演算依据水量平衡方程采用试算法进行计算。堰前回水计算按照忽略局部水头损失的伯努利方程自坝址逐个断面向上游推算(逐段试算法)。

石门水库导流洞施工完成后，利用9—11月枯水期进行上游围堰施工，11月截流后，上游围堰挡水，导流泄洪洞泄流，进行坝基处理、坝体填筑、沥青混凝土心墙施工。施工导流选用20 a一遇洪水标准，相应洪峰流量为119 m3/s，经分析计算上游围堰挡水高程1 092.90 m，回水至弃渣场末端水位高程1 098.42 m，高于弃渣场坡脚高程，因此需要对弃渣场渣体坡脚和边坡进行临时防护。

将军庙水库也是在导流洞施工完成后，利用枯水季上游施工围堰进行截流，截流以前完成大坝岸坡土石方开挖，截流以后进行大坝基础土石方开挖、基础防渗墙施工、趾板混凝土浇筑、大坝砂砾石填筑等。围堰全年挡水，泄洪洞泄流，施工导流洪水标准采用10 a一遇洪水标准，相应的汛期洪峰流量为182 m3/s，经分析计算上游围堰挡水高程1 349.8 m，回水至弃渣场末端水位高程1 098.42 m，远低于弃渣场高程1 375.00～1 406.90 m，渣场坡脚不会受到洪水影响。

2.2.4 水库设计洪水影响分析

弃渣场渣体位于水库最低运行水位与校核洪水位之间时，工程投入运行后渣体会受到水库蓄水位升降变化的影响；弃渣场渣体位于水库死水位以下时，在水库运行期不受水库蓄水位升降影响。石门水库1#弃渣场渣体顶部设计高程1 106 m，死水位1 110 m；将军庙水库1#弃渣场渣体顶部设计高程1 390 m，死水位1 427 m，最低运行水位1 395 m。两渣场的渣顶高程均低于水库最低运行水位，水库蓄水后将全部淹没于水库之中，因此不再考虑水库运行期水位变化对弃渣场稳定的影响，仅考虑水库初次蓄水对渣体边坡的冲刷。

3 水土保持措施

3.1 排洪措施

与其他类型渣场的排洪措施类似，库区型弃渣场的排洪工程一般包括渣体上缘的截(排)水沟、渣体截断天然冲洪沟的排洪涵洞和排除渣体内部水的排水孔三部分内容。如果渣场在水库投入运行后完全淹没在最低运行水位以下，那么排洪措施为临时工程，否则排洪措施为永久工程。

3.1.1 截(排)水沟

为防止弃渣场上游坡面汇水引发渣体表面水土流失，在渣顶面内侧设置截(排)水沟，截(排)水沟的断面尺寸一般按明渠均匀流公式计算。

石门水库1#渣场设3个排水单元，每个排水单元截(排)水沟设计流量1.50 m3/s，排水沟采用梯形断面，底宽0.6 m，沟深0.9 m，边坡1∶1.5，用17 cm厚雷诺护垫护砌。

将军庙水库1#渣场上游坡面汇水面积较大，为减小排水沟断面尺寸，将渣顶面分成若干排水单元，每个排水单元设计流量0.15 m3/s，排水沟采用矩形浆砌石断面，底宽0.5 m、深0.5 m。

3.1.2 排洪涵洞

将军庙水库1#渣场上游岸坡现有一天然冲沟，暴雨洪水设计流量3.54 m3/s。渣料堆放前在渣体下部冲沟沟底埋设排洪涵洞，穿过挡渣墙后排入河道。排洪涵洞采用矩形钢筋混凝土盖板涵洞，底宽1.0 m、高0.8 m。

3.1.3 排水孔

为排除渣体内的积水，在拦渣墙设置排水孔，布孔方式为梅花形，排水孔直径取100 mm。排水孔设在地面高程以上0.3 m处，垂直方向间距为1.0 m，水平间排距为10 m。

3.2 拦挡措施

根据水土保持“先拦后弃”的原则，无论弃渣场坡脚高程是否受施工期洪水影响，都应在坡脚设置拦挡措施，为挡渣墙或挡渣堤，一般采用重力墙型式，材料多采用浆砌块石或混凝土。

石门水库1#渣场导流洞施工期，设计洪水位为1 091.02～1 098.32 m，围堰截流后堰前雍水，回水水位1 092.90～1 098.42 m，高出坡脚高程2.42～4.90 m。经比较分析，水土流失防护措施为挡渣墙和护坡相结合，挡渣墙采用浆砌石砌筑重力式挡土墙结构，墙顶宽0.5 m，墙高随高程变化为1.0～1.5 m，内边坡坡比1∶0.3，外边坡垂直。

将军庙水库1#渣场导流洞施工期，设计洪水位为1 349.87～1 368.03 m，围堰截流后堰前水位1 349.8 m，均低于坡脚高程。渣场坡脚设挡渣墙，浆砌石砌筑重力式结构，墙顶宽0.5 m，墙高1.0 m，内边坡坡比为1∶0.3，外边坡垂直。

3.3 边坡防护措施

库区型弃渣场的边坡防护形式与其是否受洪水影响有关。受洪水影响的边坡防护一般采取干砌石护坡或铅丝石笼网(雷诺护垫)护坡，不受洪水影响的边坡原则上可以不进行边坡防护。由于弃渣物料组成和施工组织的不确定性，目前相关技术标准又没有渣体压实度控制方面的规定，因此堆渣完毕后渣体相对松散且不均匀[1]，为避免水库初次蓄水造成水土流失，边坡防护可以采用编织袋装土或要求边坡表层堆放大粒径渣料。

石门水库1#渣场护坡分两种形式。厚23 cm雷诺护垫护坡，范围为挡渣墙顶至施工期设计洪水位加安全超高，取1.0 m，即1 093.90～1 099.42 m；雷诺护垫护坡以上至弃渣场顶面均采用编织袋装土防护。

将军庙水库1#渣场不受施工期洪水影响，护坡全部采用编织袋装土防护。

4 结 语

水利水电工程具有建设周期长、弃渣场选择困难、取土弃渣量大的特点[2]。受工程所在地地形条件的限制，山区水库工程弃渣场选择困难，部分弃渣场布置于库区内，一方面可能影响河道行洪安全，另一方面受洪水冲刷可能加剧水土流失。针对不同建设周期可能遭遇的洪水，布设不同形式、规模的弃渣场水土保持措施，以达到减少水土流失的目的。