康苏水库引调水工程弃渣场设计

孟冬梅

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

康苏水库引调水工程位于新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州乌恰县,作为康苏水库的配套引水工程,工程起点接康苏水库灌溉供水隧洞出口供水池,管道末端进入乌恰县水厂沉淀池。工程的设计流量为0.41 m3/s~0.40 m3/s,年引水量564.70 万m3,铺设输水管线长度30.86 km,涂塑钢管,管道直径DN700,输水道型式为重力流输水,工程规模为Ⅳ 等小（1）型工程。

本工程共设置弃渣场3 处,1#弃渣场回填料坑,2#和3#弃渣场均为坡地弃渣场,主要堆置管线开挖、沉砂池和各类阀井弃渣。各弃渣场情况见表1。

表1 弃渣场详细情况表

2 水土流失危害分析

项目建设过程中人为活动造成水土流失的原因主要是清除、开挖、回填、占压、碾压等活动破坏地表植被、表层土壤结皮以及临时堆渣的堆放,在大风和暴雨季节产生水土流失。

（1）本工程属于线状工程,工程建设对土地资源的影响主要体现为：输水管道、沉砂池、闸阀等建设期对地表的扰动面积较大,如果不采取有效的水土保持措施,施工产生的临时弃土弃渣受到暴雨冲刷,易产生流失。同时,工程建设中占用土地,扰动地表、破坏植被,可能导致工程区土壤养分流失,结构破坏,其保水保肥能力下降、可利用土地资源减少。

（2）项目区原生地表结构稳定,风力侵蚀为轻度,工程建设扰动后地表稳定层被破坏,在当地自然条件（最大风速26.7 m/s）下将会使土壤侵蚀量大幅增加,增加大风天气下的扬尘量,进而加大下风向地区沙尘天气的危害。

（3）项目区自然环境恶劣,自然植被生长缓慢且覆盖度低,施工期对地表的扰动以及弃渣堆置将会对原有的地表和植被产生破坏,破坏生态环境并加剧当地的水土流失规模。

3 弃渣场选址

弃渣场选址严禁影响周边公共设施、工业企业、居民点的安全；涉及河道的,应符合河流治理规划及防洪行洪规定、不得在河道、湖泊管理范围内设置弃渣场；不能避开过水流量较大的沟道时,应进行防洪论证；过水流量较大的沟道不宜布设弃渣场；山丘区优先在凹地、支毛沟选址,平原区优先在凹地、荒地选址,风沙区选址避开风口和易产生风蚀的地方。

1#弃渣场结合取料坑布置,不存在安全威胁,不会对当地原地表和植被造成明显破坏,亦不会对当地景观造成不良影响。2#、3#弃渣场避开过水流量较大的沟道,选择在支毛沟前段的坡地堆渣,没有占用生产力高的土地,弃渣场的布置不会影响当地居民的生产生活。

4 设计标准

康苏水库引调水工程等别和规模为Ⅳ等小（1）型工程,其输水管线、条形沉砂池、稳压水池、管线穿渠建筑物、阀井等附属建筑物为4 级建筑物,临时工程为5 级建筑物。输水管线（4 级建筑物）过洪建筑物（4 级建筑物）、闸阀井（4 级建筑物）等附属建筑物洪水标准按10 年一遇设计,30 年一遇校核。

水土保持工程按5级建筑物设计,设计防洪标准为10 年一遇。

5 弃渣场拦渣工程

5.1 拦渣方案选择

弃渣场设计应按照安全可靠、经济合理的原则,弃渣拦渣工程包括挡渣墙、拦渣堤、拦渣坝等,通过现场查勘,按就地取材、安全可靠、经济合理的原则选择拦挡工程型式。

挡渣墙是为了防止堆积体变形失稳,发生滑塌、崩塌而修建的构造物,一般用于坡地型弃渣场的拦挡措施。

拦渣堤是指修建于沟道或河岸的,用以拦挡弃土、弃石、弃渣等废弃物的建筑物。有拦渣与防洪两种功能。

拦渣坝是在沟道中修建的拦蓄弃土、弃石、弃渣等废弃物的的工程,因其地形要求位于渣源附近,口小肚大,沟道平缓,工程量小,库容大。

本工程1#弃渣场位于料场料坑,2#和3#弃渣场均为坡地弃渣场,3处弃渣场均不涉及河道及大的冲沟,弃渣场的设计重点是弃渣的拦挡及排水措施。所以选择挡渣墙为康苏水库引调水工程的挡渣措施并在挡渣墙外侧设置排水沟。

5.2 挡渣墙选型

挡渣墙按结构型式的不同,可分为重力式、悬臂式和扶臂式三种。重力式挡渣墙是依靠墙身自重来维持稳定的,墙体用浆砌块石砌筑,该墙型适用于墙高小于5 m、地基土质较好的情况。悬臂式挡渣墙采用钢筋混凝土建造,由立壁和底板组成,具有三个悬臂即立壁、趾板和踵板,该墙型墙身断面小,结构稳定性不依靠本身的重量,而主要依靠踵板上的填土重量来保证,自重轻、省材料,适用于墙高大于5 m、地基土质较差的情况。扶臂式挡渣墙的扶臂,以保持挡渣墙的整体性,加强挡渣能力,墙体采用钢筋混凝土材料,适用于防护要求高、墙高大于10 m的情况。康苏水库引调水工程的3 处弃渣场均为5 级弃渣场（弃渣量＜50 万m2,弃渣最大堆高＜20 m）,并且弃渣场最大堆高均小于5 m,因此重力式挡渣墙结构型式最符合本工程弃渣拦挡需求。

5.3 挡渣墙设计

5.3.1弃渣场地质条件

2#弃渣场地面高程2235 m~2239 m,为坡地型弃渣场。弃渣量为19500 m3,规划占地面积6433 m2,平均堆渣高度2 m,弃渣场级别5级。渣场内出露的地层主要为侏罗系（J2）和第四系全新统洪积物（Q4pl）。据现场调查及勘探资料,场址地下水位埋深大于5 m。渣场位于洪积台地,地形相对平坦,后缘基岩山体,基岩裸露,岸坡稳定。

3#弃渣场地面高程2225 m~2229 m,为坡地型弃渣场。弃渣量为25400 m3,规划占地面积8357 m2,平均堆渣高度2.5 m,弃渣场级别5 级。渣场内出露的地层主要为侏罗系（J2）和第四系全新统洪积物（Q4pl）。据现场调查及勘探资料,场址地下水位埋深大于5 m。场址区未发现有区域性活动断裂通过。

5.3.2挡渣墙断面设计

2处弃渣场挡渣墙均为浆砌石挡墙,地面以上墙高0.8 m,地下埋深1.25 m,墙顶宽0.5 m,面坡垂直,背坡1∶0.3,墙底宽0.74 m。为排除渣体中降水形成的渗透水流,减小墙身水压力,增加墙体稳定性,在墙体上布置一排排水孔,水平间距1 m,孔内预埋φ50 PVC管,排水孔比降5%,出口距地面0.2 m。浆砌石挡墙砌筑后期在挡墙顶部采用M10 砂浆压顶,厚度2 cm。

图1 挡渣墙断面图

5.3.3弃渣场稳定性分析

（1）计算方法

按照《水土保持设计规范》（GB 51018-2014）,弃渣场边坡稳定性分析可采用不计条块间作用力的瑞典圆弧滑动法计算,计算公式如下：

式中：b为条块宽度,m；W为条块重力,kN；W1为在边坡外水位以上的条块重力,kN；W2为在边坡外水位以下的条块重力,kN；Q、V为水平和垂直地震惯性力（向上为负,向下为正）,kN；u为作用于土条底面的孔隙压力,kPa；a为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角,（°）；c＇、φ为土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩,kN·m；R为圆弧半径,m；k为抗滑稳定安全系数。

（2）计算工况

根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）规定弃渣场稳定计算应分为正常运用工况和非常运用工况。

①正常运用工况：指弃渣场在正常和持久的条件下运用,弃渣场处在最终弃渣状态时,渣体无渗流或稳定渗流的工况。

②非常运用工况Ⅰ：指弃渣场在正常工况下遭遇Ⅶ度以上（含Ⅶ度）地震。

③非常运用工况Ⅱ：指弃渣场处于暴雨或连续降雨状态下的工况。

正常运用工况和非常运用工况计算断面均选取堆渣体最大堆高处断面作为稳定性计算断面。

根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）,采用瑞典圆弧法计算时,弃渣场抗滑稳定安全系数见表2。

表2 弃渣场抗滑稳定安全系数表

本工程2 处弃渣场均为5 级,正常工况弃渣场抗滑稳定安全系数取值为1.15,非常工况取值均为1.05。

（3）计算参数

表3 弃渣场基础和渣料物理力学参数表

（4）计算结果

表4 弃渣场稳定计算结果汇总表

图3 2#弃渣场非常运用工况I

图4 2#弃渣场非常运用工况II

图5 3#弃渣场正常运用工况

图6 3#弃渣场非常运用工况I

图7 3#弃渣场非常运用工况II

5.4 截排水工程

5.4.1计流量

为防止降雨对渣场边坡和挡墙造成冲蚀,在渣场挡渣墙外围设置浆砌石衬砌排水沟,将汇集的雨水通过排水通道排入天然沟道或坑洼处。

排水沟设计排水流量根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）确定,采用小流域面积设计流量,设计标准采用5年一遇10 min降雨历时,公式如下：

式中：Qm为设计洪峰流量,m3/s；q为设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度,mm/min；φ为径流系数；为汇水面积,km2；q5,10为5年重现期和10分钟降雨历时的标准降雨强度,mm/min；Cp为重现期转换系数；Ct为降雨历时转换系数。

5.4.2排水沟纵横断面设计

（1）计算方法

排水沟断面尺寸通过以下公式确定：式中：Q为排水沟流量,m3/s；A为过水面积,m2；R为水力半径,m；i为水力坡降；n为糙率系数。

（2）计算参数

表5 弃渣场排水沟水文计算参数表

表6 弃渣场排水沟水文计算结果表

（4）计算结果

图8 排水沟断面图

6 结语

弃渣场堆置应根据渣场地形地质条件、弃渣岩土组成及物理力学参数等确定堆置要素,应满足渣场稳定,在弃渣场设计过程中应坚持安全可靠、经济合理原则。本文从康苏水库引调水工程弃渣场选址、拦挡工程选择入手给出弃渣场的挡渣墙和截排水工程设计。