复合型弃渣场布置及防护研究

黄斌　仲康　方舒

摘 要：由于弃渣场选址过程中，从减少运距、降低运渣费用、减少征占地等角度的考量，往往將弃渣场布置在临近枢纽工程附近的沟道内。一方面，这些弃渣场具有沟道型弃渣场的特点，即渣体占压沟道，阻隔了上游沟道的行洪通道；另一方面，这些弃渣场又兼有临河型弃渣场的特点，即渣脚位于河道水位以下，易受河道洪水的淘刷。以卡洛特水电站1#渣场为例，通过多方案比选确定弃渣场的布置方案，并从有利于加速渣体的沉降和提高渣体的稳定性角度，分析较合理的弃渣分区分层堆置方案，最终提出系统的弃渣安全堆置和系统防护方案，保障弃渣场长期运行安全。

关键词：卡洛特水电站；复合型弃渣场；1#渣场；弃渣场布置；弃渣场防护方案

中图分类号：TV52                                   文献标识码：A                                文章编号：2096-6903（2023）12-0114-04

0 引言

弃渣场一般分为沟道型弃渣场、坡地型弃渣场、临河型弃渣场、平地型弃渣场和库区型弃渣场[1]。在有些弃渣场布置时，兼具上述类型的两种及以上，且均为影响弃渣场安全的主导因素，这些就是复合型弃渣场。

通过查阅相关文献可知，吴伟、杜运领于2014年提出了复合型弃渣场的概念[2]，对各类复合型弃渣场的水土流失特征、特点及设计要点进行了初步探讨[3]，并提出在复合型弃渣场设计时，需要综合考虑各类型弃渣场的特点采取综合的防护方案。本文以卡洛特水电站1#渣场为例，研究复合型弃渣场的布置及防护方案。

1 工程概况

卡洛特水电站坝址位于巴基斯坦旁遮普省与AJK特区交界处的Karot桥上游1.0 km处，是巴基斯坦境内吉拉姆河规划的5 个梯级电站的第4级。工程为单一发电任务的水电枢纽，水库正常蓄水位461 m，设计洪水位461.13 m，水库总库容1.88 亿m3，电站装机容量720 MW，多年平均年发电量32.06 亿kW·h。

工程施工总工期为5年（60 个月），主体工程开挖及拆除总量1 381.81 万m3（自然方，下同），弃渣总量1 023.24 万m3（换算松方1 330.21 万m3），共规划了1#～4#共4个存弃渣场。

2 1#渣场概况

1#渣场位于大坝左岸下游约550 m的6号冲沟沟口，为沟道型弃渣场。1#渣场占地面积15.37 hm2，堆渣量约420 万m3，主要堆存大坝、导流洞、溢洪道开挖及下游围堰拆除、厂房尾水围堰和溢洪道预留岩埂拆除的弃渣。

根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018—2014）和《水利水电工程水土保持技术规范》（SL 575—2012），1#渣场级别为2 级，相应地拦渣堤级别为2 级，排洪沟级别为2 级。排洪沟设计、校核洪水标准分别为50 年一遇、100 年一遇，相应地洪峰流量分别为549 m3/s、622 m3/s[4]。排水沟设计标准为10 年一遇，超高取0.3 m。斜坡防护工程级别为3 级，植被恢复与建设工程级别为1 级。

3 弃渣场布置方案研究

3.1 弃渣场布置方案比选

1#渣场位于6号冲沟沟口，沟道两侧山高坡陡。6号冲沟汇流面积大，洪水标准高且洪峰流量大。为满足弃渣堆存需要且不影响沟道的行洪安全[5]，弃渣场的布置方案均需要与排洪措施紧密联系[6-7]。经分析，拟定的堆置方案主要有坡面排洪沟堆置方案（方案一）和排洪隧洞堆置方案（方案二）。

方案一是左侧坡面排洪沟堆置方案。排洪沟沿弃渣场左侧坡面修建，上游侧修建修建拦渣堤，下游侧利用路基拦挡。该方案规划堆渣高程399.0～505.0 m，堆渣边坡1∶2，每堆高10 m布置一级2 m宽马道，并在高程450 m、480 m各布置一级宽平台。

方案二是左侧排洪隧洞堆置方案。利用排洪隧洞导排堆渣区上游侧的汇水，弃渣场上游侧修建挡水坝[8-9]。该方案规划堆渣高程399.0～500.0 m，其余布置同方案一。

上述两个布置方案的弃渣场级别、设计标准相同，仅堆渣高度相差5 m。方案二的优点在于水流从排洪隧洞导排，堆渣不受排洪设施影响，但需要在排洪隧洞具备过流条件后方可堆渣，对于主体工程施工进度有一定影响。方案一的优点在于随左侧坡面排洪沟修建，可利用已修建的排洪沟临时过流，在排洪沟保护范围弃渣，不会对主体工程施工造成影响。从便于工程施工考虑，推荐方案二左侧排洪沟布置方案。

3.2 弃渣分区分层堆置方案

1#渣场弃渣主要来源为覆盖层、溢洪道和导流洞开挖的砂岩和泥岩，其中砂岩结构完整强度高，物理力学参数随时间变化较小。泥岩刚开挖时较完整，结构和强度与原状泥岩基本一致。但受降雨影响遇水易软化，且含水率降低后结构松散，形成松土，物理力学参数明显降低，泥岩及其软化松散物对弃渣场稳定性影响大。

根据现场实际施工条件，覆盖层主要由推土机和挖掘机清挖，砂岩和泥岩开挖主要为钻爆发施工，形成的渣料粒径主要约0.15～0.8 m。因此，从有利于渣场的稳定出发，将开挖的石渣料尽量堆置在渣场底部及渣场上下游临空侧。结合碾压式土石坝堆石料分层碾压施工经验及本工程渣料特性等，将弃渣分层堆放。拟定临坡侧5.0 m范围，弃渣每堆高1.0 m需摊铺、推平一次，其他区域每堆高3.0 m需摊铺、推平一次。

3.3 弃渣场的稳定性复核

根据推荐的弃渣场布置分析，上游侧堆渣边坡紧邻6号冲沟，最大堆渣高度56 m，坡脚布置拦渣堤，边坡主要受降雨、地震、河道顶冲、水位消落和自身堆置形式影响。边坡失稳易造成弃渣场失稳和河道堵塞等。左侧边坡与排洪沟平行，一部分与原状山体相接，其余部分与排洪沟挡墙相接，最大堆渣高度55 m，边坡主要受降雨、地震、和自身堆置形式影响。边坡失稳易造成弃渣场失稳和排洪沟堵塞等。下游侧边坡紧邻吉拉姆河，最大堆渣高度107 m，坡脚布置拦渣堤，边坡主要受降雨、地震和自身堆置形式影响。边坡失稳易造成弃渣场失稳、侵占河道和破坏电站尾水水流条件等。采用摩根斯顿-普赖斯法对上述典型边坡抗滑稳定进行复核计算，计算结果见表1。计算结果表明，在拟定的堆置方案条件下堆渣边坡的抗滑稳定安全系数满足规范要求。

4 防护方案研究

4.1 防护措施体系

根据弃渣场周边地形条件、水文条件、堆渣布置方案等，确定1#渣场的防护措施体系如表2，1#渣场平面布置如图1。

4.2 防洪排导工程

4.2.1排洪沟

根据堆渣区地形条件，排洪沟沿左侧坡面开挖，进口沟底高程448.0 m，出口溝底高程386.08 m，平均纵坡9.80%。沟身为梯形断面，底宽10.0～12.0 m，沟深5.0～6.5 m，边坡坡度为1∶0.5。根据沿线构筑物及挡渣等需要，采用贴坡式衬砌和重力式挡墙结构。底板厚度0.6～0.8 m，采用C30钢筋混凝土衬砌，下铺10 cm厚C15混凝土垫层。

4.2.2 渣底沟道处理

弃渣前，拟在堆渣占压的沟底布置排水盲沟。排水盲沟顶宽10.5 m，两侧边坡1∶1。采用大石块抛填，块石抛填厚度不少于2 m，顶面铺设一层土工布，防止上部渣料中的细颗粒堵塞盲沟。土工布上下分别布置一层30 cm厚碎石保护层和30 cm厚碎石过渡层。

4.2.3 周边截排水沟

周边截水沟包括1#截水沟、2#截水沟，主要用于引排渣场右侧坡面汇水。其中，1#截水沟引排渣顶至拦渣堤坡脚的右侧坡面汇水，全长约510 m，采用梯形断面，底宽0.6 m，沟深0.8 m，边坡坡度为1∶0.5。沟底纵坡与原坡面一致，采用M7.5浆砌石砌筑。2#截水沟引排渣顶至1#公路之间右侧坡面汇水，全长约260 m，采用梯形断面，底宽0.5 m，沟深0.6 m，边坡1∶0.5。沟底纵坡与原坡面一致，采用M7.5浆砌石砌筑。在1#截水沟和2#截水沟陡坡段沟段设台阶式消能，台阶高度0.3 m，台阶宽度根据地形纵坡确定。

4.3 拦渣工程

根据弃渣场布置，弃渣场右侧与山体相交，上游侧（排洪沟进口右侧）、下游侧（临吉拉姆河）和临排洪沟侧均存在放坡。其中，临排洪沟侧利用排洪沟侧墙形成拦渣结构，上游侧和下游侧需要布置拦渣设施。弃渣场下游侧，除拦渣功能外，还需要防止吉拉姆河洪水的影响。经分析，施工期50年一遇条件下下游侧堆渣坡脚处的吉拉姆河水位为409.75 m，运行期电站4台机组满发条件下游侧堆渣坡脚处的吉拉姆河水位为404.45 m。

结合1#公路和3#公路布置，在1#渣场临河侧有1#路和3#路路基回填形成的路基拦挡，顶面高程420 m，高于施工期50年一遇河道洪水位。在高程410 m以下采取了框格梁+干砌石的防护方案，在河道水位以上采取了框格梁+灌草护坡的方式，满足水土保持要求，可以作为渣体下部拦挡工程。

为拦挡渣体，拟在排洪沟进口右侧堆渣坡脚修建拦渣堤。拦渣堤堤顶高程为460.0 m，最大堤高约20.0 m，堤顶宽6.3～10.0 m，迎水面边坡坡度为1∶2.25，背水侧边坡坡度为1∶1.75。在拦渣堤上游迎水面设50 cm厚C25钢筋混凝土面板，下铺100 cm厚砂砾石垫层。

拦渣堤前最大设计水深约14 m，需要考虑基础渗流和与山体连接部分的渗流影响。在拦渣堤迎水面下部设C15混凝土趾墙，墙顶高程448.0 m，墙宽2.0 m，基础伸入基岩，最大墙高8.0 m，趾墙与面板之间水平缝采取PVC止水。在拦渣堤右侧与山体相交处的强风化上部岩石上，布置C25钢筋混凝土趾板。趾板顶面高程为448.0～460.0 m，趾板宽度为2.0 m，厚度不小于0.5 m，趾板与面板之间周边缝采取PVC止水。沿趾墙和趾板中部各布置一排固结兼帷幕灌浆孔，间距2.0 m，帷幕底线深入到基岩透水率≤10 Lu岩层。基岩透水率通过现场压水试验确定。防渗帷幕设计防渗标准为灌后基岩透水率≤10 Lu。

4.4 渣体表面排水工程

渣体表面排水工程包括渣顶排水沟、马道排水沟、坡面排水沟及坡脚排水沟（包含1#排水沟和2#排水沟）。其中，渣顶排水沟主要排除弃渣场顶面汇水，为浆砌石梯形断面，底宽0.4 m，深0.6 m，边坡坡度为1∶0.5，采用30 cm厚M7.5浆砌石砌筑。

马道排水沟主要排除上一级坡面汇水，为浆砌石矩形断面，底宽0.4 m，深0.4 m，采用30 cm厚M7.5浆砌石砌筑。

坡面排水沟主要排除渣顶排水沟、马道排水沟汇水，共布置4条，为浆砌石矩形断面，底宽0.8 m，深0.4 m，采用30 cm厚M7.5浆砌石砌筑。

坡脚1#排水沟主要排除部分堆渣区及外侧坡面汇水，为浆砌石梯形断面，底宽0.4 m，深0.5 m，边坡坡度为1∶0.5，采用30 cm厚M7.5浆砌石砌筑。

坡脚2#排水沟主要排除部分堆渣区及外侧坡面汇水，为浆砌石梯形断面，底宽0.4 m，深0.4 m，边坡坡度为1∶0.5，采用30 cm厚M7.5浆砌石砌筑。

4.5 斜坡防护工程

堆渣结束后，对堆渣坡面及顶面进行平整。在平整完工后，对堆渣坡面采取浆砌石网格进行防护。网格尺寸为3.0 m×3.0 m，框架采用M7.5浆砌块石砌筑，宽度为40 cm，高度为40 cm。

4.6 土地整治工程

项目占地区主要为林草地，周边土源较少，为满足后期恢复植被用土需要，在堆渣前应尽量剥离拟占压区的表土，剥离厚度约20～30 cm，剥离的表土运至指定的堆存区堆存并采取临时拦挡和苫盖措施。

在堆渣结束后，根据弃渣场顶面平整度情况，对凹凸不平的区域进行必要的平整。在平整结束后，对弃渣场顶面和堆渣坡面框格内回覆前期剥离的表土，覆土厚度30 cm。

4.7 植被恢复与建设工程

在覆土完工后，根据弃渣场顶面和坡面立地条件，拟将弃渣场顶面恢复为林地，堆渣坡面采取框格内灌草护坡。其中，顶面乔灌木选择当地适生的木棉和黄檀混交，株行距均为3.0 m。采取穴状整地，穴径0.5 m，穴深0.5 m。林下撒播狗牙根、野菊草籽，撒播量为100 kg/hm2。

堆渣坡面网格内覆土结束后，在堆渣坡面菱形网格内栽植小檗、花椒，株行距均为2.0 m。采取鱼鳞坑整地，长径0.6 m，短径0.4 m，深0.4 m。林下撒播狗牙根、野菊草籽，撒播量为100 kg/hm2。

5 结束语

本文通过对卡洛特水电站1#渣场布置及防护进行回顾，总结了具有临河型和沟道型特点的复合型弃渣场的布置及防护方案，主要有以下4点。

第一，弃渣场的布置，应结合场址的地形地质条件、上下游水文条件等确定。在临河侧需结合河道行洪安全考虑弃渣场的坡脚布置方案。对位于大流量沟道内的弃渣场，从长期安全运行、后期管护等角度出发，在渣场布置时宜优先考虑采用排洪沟（渠）的方式导排堆渣区上侧的沟道汇水。

第二，对于具有沟道型和临河型特点的复合型弃渣场，通过将开挖的石渣料堆置在渣场底部及渣场上下游临空侧，并分区分层堆放弃渣，以加速渣体的沉降，提高渣体的密实度和稳定性。在1#渣场弃渣堆填施工后，根据渣场安全监测成果，高程480 m以下的堆渣坡面变形在两年内逐渐收敛，已实施的表面框格护坡保存完好，未出现破损或裂隙等，充分说明弃渣场的布置和分区分层堆放弃渣方案是合理的。

第三，在考虑复合型弃渣场的防护方案时，需要兼顾临河侧河道水位消落对堆渣边坡的影响。可根据河道水文情势、堆渣坡脚处的水位、流速等，采取干砌石、浆砌石、混凝土板、框格梁+干砌石、框格梁+混凝土板等护坡型式，以控制河道水流对堆渣边坡的冲刷。

第四，根据弃渣场的布置条件和水土流失特点，制定系统性的防护措施体系，既解决了临河侧河道和沟道的行洪安全问题，又保障了工程顺利弃渣和弃渣场长期稳定安全，具有很好的水土保持效果。

参考文献

[1] SL575-2012.水利水电工程水土保持技术规范[S].

[2] 吴吴伟，杜运领.水电工程复合型弃渣场水土保持设计探讨[J].中国水土保持，2014（01）：40-42.

[3] 王治国，李世锋，陈宗伟.生产建设项目水土保持设计理念与原则[J].中国水土保持科学，2011，9（06）：27-31.

[4] 黄斌，方舒，仲康. 巴基斯坦卡洛特水电站1号渣场排洪设计[J].水利水电快报，2021，42（11）：111-115.

[5] 纪强，王治国.新形势下加强水利水電工程弃渣场设计与审查的思考[J].水利规划与设计，2016（12）：117-120.

[6] 孟繁斌，马力，黄斌.沟道型弃渣场排水方案研究：以白马航电枢纽螃蟹溪弃渣场为例[J].人民长江，2015，46（S1）： 150-152.

[7] 刘洪超，刘伟，吕军等.吉林中部城市引松供水工程弃渣场场址选择及防护措施设计[J].中国水土保持，2016（07）：20-21.

[8] 阳凤，蔡德文，徐洪霞，等.水电工程沟道型弃渣场水土保持措施设计探讨[J].水利规划与设计，2017（11）：175-178.

[9] 史小栋，尹嫚，操昌碧.金沙江上游叶巴滩水电站特大型弃渣场堆置方案研究[J].中国水土保持，2017（01）：28-30.

收稿日期：2023-09-12

作者简介：黄斌（1981—），男，湖北孝感人，研究生，高级工程师，从事水土保持设计及研究工作。