某水利枢纽工程沟道型弃渣场选址及防护方案研究

李瑞鸿，李跃强

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，天津 300220)

0 引言

黄河流域某水利枢纽工程采用一级开发高坝方案，土石方开挖工程量大，弃渣量大，工程区地貌主要为高山峡谷，两岸山坡为陡峭的弧形山地，弃渣场选址困难[1-3]；由于黄河两岸山体陡峻，冲沟比降大，地表径流呈短时峰高量大的特点，弃渣场防护措施布设难度大。以上问题对工程设计的安全经济合理性至关重要，需在项目前期对弃渣场选址及防护方案进行专题研究[4-6]。结合主体工程土石方平衡设计确定的弃渣量，本工程确定了4处适宜的弃渣场位置。本文主要针对其中的2#弃渣场开展选址、防护方案比选和设计工作，最终确定了最优的防护方案。

1 工程概况

黄河流域某水利枢纽工程位于西北地区黄河干流上，坝址以上控制流域面积25.2万km2，多年平均天然年径流量317.9亿m3，占黄河流域天然径流量的65%。

工程总库容为117.45亿m3，电站装机容量为2600MW，工程等别为Ⅰ等，工程规模为大(1)型。枢纽工程主要建筑物包括挡水建筑物、泄水排沙建筑物、发电引水建筑物、发电厂房及开关站、供水建筑物、过鱼建筑物等。大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高为188.00m。水库正常蓄水位1380m，相应库容为114.51亿m3，设计洪水位1373.82m，死水位1330m，相应死库容为13.62亿m3。

2 项目区自然条件

工程区属于西北黄土高原区，土壤侵蚀类型主要为水力侵蚀，兼有风力侵蚀，侵蚀强度以轻度为主。根据现场调查，工程区原地貌土壤侵蚀模数约为2350t/(km2·a)。根据SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》[7]，工程区容许土壤流失量为1000t/(km2·a)。

3 弃渣场选址合理性分析

本工程4#弃渣场为坡地型弃渣场，1#～3#弃渣场均为沟道型弃渣场，这4处弃渣场均位于坝址下游，经分析弃渣场选址均满足弃渣场的约束性规定，不存在水土保持制约性因素。考虑篇幅限制，本文选取其中堆渣量大、最大堆渣高度大、弃渣场级别较高的2#弃渣场为例对其选址合理性进行说明。

(1)该弃渣场选址不涉及生态红线、生态公益林、自然保护区、饮用水源保护区、风景名胜区、永久基本农田保护区等环境敏感区域，也未设置在河湖管理范围及水库淹没区内。

(2)该弃渣场类型为沟道型，选址尽可能与施工场地布置相结合，弃渣场运输相对便利，在满足安全的前提下，选择主体工程附近右岸沟道内弃渣，最大限度地缩短了弃渣道路长度，节约了占地，符合水土保持要求。

(3)该弃渣场占地类型主要为草地，选址遵循了“少占压耕地，少损坏水土保持面积”的原则，保护了当地居民的生产生活条件，减少了弃渣场设置对区域水土保持的影响。

(4)该弃渣场地质条件总体较好，承载力满足上覆荷载要求。根据地勘报告，该弃渣场场区内不良地质作用弱发育，地质灾害危险性低，渣场场地基本稳定，场地整体适宜性为较适宜。

(5)该弃渣场所在冲沟地表水系较发育，洪水对弃渣场有一定影响，但在采取了安全可靠的防洪排导工程后，可有效解决洪水对弃渣场造成的不利影响。

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(6)该弃渣场下游1km范围内无公共设施、工业企业、居民点等重要设施，没有布设在对重要基础设施、人民群众生命财产安全及行洪安全有重大影响的区域；在堆渣前采取拦挡工程、防洪排导工程等有效的防护措施，堆渣过程中分层进行碾压后，可保障弃渣场安全稳定。

综上所述，2#弃渣场基本符合GB 50433—2018《生产建设项目水土保持技术标准》[8]、SL 575—2012《水利水电工程水土保持技术规范》[9]及其补充技术要点(水总环[2019]635号)中关于弃渣场选址的约束性规定，不存在水土保持制约性因素；2#弃渣场场区自然山坡稳定性较好，有利于长期堆渣，且周边交通条件较好，下游1km范围无重要保护对象，弃渣场容量也满足工程堆渣需求；同时该弃渣场也具备采取有效水土保持防护措施的条件，因此符合水土保持要求。

4 弃渣场防护措施研究

2#弃渣场防护措施布局为：在堆渣坡脚修建拦挡工程，在堆渣区域内布置排洪设施，根据沟道分布情况在弃渣场上游布置拦洪坝和拦沙坝，在最终堆渣边线周边布设截水沟，在马道及堆渣顶面上分别布设马道排水沟和堆渣顶面排水沟，弃渣结束后在最终堆渣斜边坡采取斜坡防护工程，施工期间设置临时排洪设施度汛。

4.1 拦挡工程比选和设计

4.1.1拦挡工程比选

结合地形条件，分别选取混凝土重力坝、均质土坝、透水堆石坝、格宾石笼拦渣坝4种坝体型式进行分析。

从地形地质条件、筑坝材料、排水条件、施工条件、安全性、投资综合分析，均质土坝方案和透水堆石坝方案较优，但考虑到均质土坝坝身不透水，施工期间堆渣区域需另外设置排洪设施，投资增加较多，且一旦堆渣区域渗水排放不及时，将会对土坝坝体稳定造成威胁，因此确定拦挡工程型式采用透水堆石坝型式。

4.1.2拦挡工程设计

在堆渣坡脚修建拦渣坝，坝体结构型式采用透水堆石坝，坝高为35.0m，坝底高程1250.0m，坝顶高程1285.0m，坝顶宽6.0m，上游坡比1∶2，下游坡比1∶2，坝长174m，上游坡设置1层500g/m2的土工布作为反滤层，土工布2侧分别用20cm厚和30cm厚碎石作为保护层，最外层设置40cm厚的干砌石护坡。拦渣坝建设前应清除坝肩及坝基表面风化土层及植物层，设计要求拦渣坝坝基坐落在碎石土层上，并在坝基设置2层500g/m2的土工布作为反滤层。拦渣坝典型断面图如图1所示。

图1 拦渣坝典型断面图

4.2 防洪排导工程比选和设计

4.2.1防洪排导工程比选

2#弃渣场位于坝址下游右岸某冲沟内，汇流面积较大，施工期间受洪水影响较大，冲沟100年一遇最大洪峰流量为115.4m3/s。防洪排导方式一般多采用截洪沟、溢洪道、排洪涵洞、暗管或排洪隧洞等型式，考虑到该弃渣场洪峰流量大，不适宜采用截洪沟排洪，亦不具备布设溢洪道的条件，为疏导和拦截弃渣场上游汇水，拟采用地下排洪方式，即布置排洪涵(隧)洞进行排洪涵，排洪涵(隧)洞入口修建1座拦洪坝；为减少拦洪坝前淤积泥沙，减少进入排洪系统的泥沙量，在上游依次布置2座拦沙坝。地下排洪方式在弃渣期间可满足临时导流的需要。

考虑到排洪隧洞方案长度较长，且地质条件较排洪涵洞方案复杂，施工难度较大，而排洪涵洞方案采用明挖，施工工期易于保证，且排洪涵洞方案投资也较低，因此确定防洪排导工程型式采用排洪涵洞方案。

4.2.2防洪排导工程设计

(1)排洪涵洞

为减少排洪涵洞距离、优化水流条件，排洪涵洞随沟底布设，并穿过高程1336m的垭口通向下游再继续沿沟底布设。排洪涵洞采用单孔箱涵泄洪，单孔净断面尺寸为3.7m×3.7m(宽×高)。

(2)拦洪坝

为疏导和拦截弃渣场上游汇水，根据地形条件和汇水规律在弃渣场上游修建1道拦洪坝。拦洪坝为重力坝，坝顶高程1331m，坝基高程1320.5m，坝高10.5m，坝顶宽度2m，上游坝坡坡比1∶0.1，下游坝坡坡比1∶0.6，坝顶长度41m，沿坝轴线每隔10m设置一道横缝，缝宽2cm，缝内设置止水。拦洪坝典型断面图如图2所示。

图2 拦洪坝典型断面图

(3)拦沙坝

为减少拦洪坝前淤积泥沙，从而减少进入排洪系统的泥沙量，根据地形条件在拦洪坝上游分别修建2道拦沙坝，均为混凝土重力坝。其中，1#拦沙坝坝顶高程1336m，坝基高程1330.5m，坝高5.5m，坝顶宽度1.5m，上游坝坡坡比1∶0.7，下游坝坡坡比1∶0.1，坝顶长度83.6m，2#拦沙坝坝顶高程1333m，坝基高程1327.5m，坝高5.5m，坝顶宽度1.5m，上游坝坡坡比1∶0.7，下游坝坡坡比1∶0.1，坝顶长度63.5m，排水管、分缝、溢流口设置要求同1#拦沙坝。1#栏沙坝。1#和2#拦沙坝断面图分别如图3—4所示。

图3 1#拦沙坝断面图

图4 2#拦沙坝断面图

(4)坡面排水工程

为防止降雨及坡面汇水冲刷渣面，同时排出最终渣面汇水，沿弃渣场周边修建截水沟，沿每级马道设置一道马道排水沟，沿渣顶面每50m设置一道坡面排水沟，马道排水沟和坡面排水沟两端接入截水沟，其组成的排水系统将汇水平顺引入拦渣坝下游天然沟道内，排水系统均采用混凝土结构。经计算，截水沟采用矩形断面，侧壁和底厚均为0.3m，断面尺寸为2.2m(宽)×2.2m(高)，共布设截水沟长度3900m；马道排水沟采用矩形断面，断面尺寸为0.5m(宽)×0.5m(高)，侧壁和底厚均为0.2m；堆渣顶面排水沟采用矩形断面，断面尺寸为0.5m(宽)×0.5m(高)，侧壁和底厚均为0.2m，共布设马道排水沟1740m，堆渣顶面排水沟480m。

4.3 斜坡防护工程设计

堆渣结束后，在堆渣外边坡采取C30混凝土框格梁植草护坡，护坡面积为5.47hm2。框格梁采用人字形截水型结构，由流水槽和人字形骨架组成，流水槽截面尺寸为0.8m×0.4m(宽×深)，中间设0.3m×0.1m(宽×深)的排水沟；人字形骨架截面尺寸为0.5m×0.4m(宽×深)，骨架外缘设10cm高排水凸坎，将坡面集水汇入流水槽，流水槽排入马道排水沟内，坡顶布置0.7m宽混凝土封顶，并与渣顶排水沟相结合；在弃渣场堆渣顶面植乔灌草恢复植被，绿化面积19.22hm2，乔木选择樟子松、刺槐行间混交，株行距3m×3m，灌木选择沙棘，株行距2m×2m，草种选择红豆草、披碱草，混播比例1∶1，撒播量为100kg/hm2。

4.4 临时防护工程设计

考虑到2#弃渣场规模较大，施工期较长，需加强施工期间的临时防护措施。每年汛前结合弃渣排放能力，在堆渣区域的两侧各预先修建临时排洪渠，排洪渠采用铅丝石笼护砌，净断面尺寸均为1.2m(宽)×1.0m(高)，外侧铺设一层复合土工膜进行防渗，有利于保证弃渣场防洪安全。

5 弃渣场稳定性分析

2#弃渣场稳定性分析包括弃渣场整体稳定性分析和堆渣边坡稳定性分析。采用摩根斯顿-普赖斯法进行计算，经计算，弃渣场的整体抗滑稳定安全系数和堆渣体边坡抗滑稳定安全系数在各种工况(正常运用工况、地震工况、连续降雨工况)下均满足规范要求，不存在弃渣场整体滑动和堆渣体边坡滑动破坏的风险。

6 结语

本文介绍了黄河流域某水利枢纽工程弃渣场的选址过程，对其选址合理合规性进行充分论证，并以其中的2#弃渣场为例，提出了沟道型弃渣场规划设计要点，可以为今后类似工程弃渣场的规划设计和实施提供参考。对于汇流面积大、洪峰流量大的弃渣场，推荐采用透水性拦挡工程，以加快弃渣场场区内排水；合理可行的防洪排导方案是确保弃渣场安全稳定的关键因素之一，应综合地形地貌、水文、地质及施工等多方面的因素确定适宜的防洪排导设计方案；斜坡防护工程推荐采用工程与植物相结合的综合护坡型式，以更好地防治水土流失，体现生态治理的理念；对于规模大、施工期长的弃渣场，需加强施工临时排洪设施，以提升弃渣场在施工期间的安全稳定性。