水利建設(shè)過程中棄渣處理方案設(shè)計

李光明

( 遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義563002)

1 工程概況

貴州省務(wù)川縣巖溪水庫工程位于務(wù)川縣涪洋鎮(zhèn)當陽村境內(nèi)，壩址處于洪渡河上游左岸一級支流羊崗河上游的張家寨河段。水庫壩址距涪洋集鎮(zhèn)22 km，距務(wù)川縣城45 km，距遵義市城區(qū)165 km，現(xiàn)有簡易鄉(xiāng)村公路經(jīng)過庫區(qū)，交通較為方便。該水庫擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高60 m，正常蓄水位庫容1 030 萬m3，總庫容1 240 萬m3，水庫為中型水庫; 灌區(qū)渠系由總干渠、神溪干渠、桐木干渠及5 條支渠組成，渠系總長91.30 km，其中渠系建筑物渡槽1 座、隧洞1 座、倒虹管20 座。水庫工程的建設(shè)，可解決灌區(qū)面積0.414 萬hm2用水問題的同時，還可解決灌區(qū)內(nèi)集鎮(zhèn)及農(nóng)村2.25 萬人及1.16 萬頭牲畜飲水安全問題。

工程建設(shè)共開挖土石方117.83 萬m3( 含圍堰拆除) ，回填利用土石方49.64 萬m3，廢棄土石方68.19 萬m3( 含 表 土 剝 離) 。本 工 程 扣 除19.26 萬m3的表土利用和土方回覆耕地后，永久棄渣量為48.93 萬m3。為了處理建設(shè)過程中的棄渣問題，在工程設(shè)計中考慮壩區(qū)棄渣場和渠系區(qū)棄渣場，其中壩區(qū)棄渣場接納棄渣量為32.09 萬m3，渠系區(qū)棄渣場接納棄渣量為16.84 萬m3。

2 棄渣場工程設(shè)計要求

2.1 渣場類型及選址設(shè)計要求

開發(fā)建設(shè)項目的棄渣場一般分為攔溝型、臨河型、谷坡型以及水庫型4 種［1］。攔溝型( 俗稱沖溝型) 棄渣場是將棄渣堆積在溪溝的溝道內(nèi)，在溝口設(shè)置攔擋措施攔，欄擋措施上游的洪水由棄渣場設(shè)置的明渠或涵洞排出; 臨河型棄渣場是將棄渣堆積在河道岸邊，渣體底部高程低于溝道中防護渣體的設(shè)計洪水位，需要考慮渣場對溝道防洪的影響; 谷坡型( 俗稱緩坡型) 棄渣場是指將渣體堆放于河道或施工管線兩側(cè)的灘地或臺地上，渣體底部高程高于溝道中防護渣體的設(shè)計洪水位，不需要考慮渣場對溝道防洪的影響;水庫型棄渣場是將棄渣堆積在水庫中，按照棄渣堆積高程與水庫正常蓄水位和死水位的相對位置，有可分庫面型、庫中型和庫底型3 種。

棄渣場設(shè)計的地形要求為肚大口小、坡度較緩、地質(zhì)條件較好、施工運輸方便、耕地較少及對周邊環(huán)境影響小的溝道。根據(jù)《開發(fā)建設(shè)項目水土保持技術(shù)規(guī)范》( GB 50433—2008) 的規(guī)定，棄土( 石、渣) 場選址以下規(guī)定: ①不得影響周邊公共設(shè)施、工業(yè)企業(yè)、居民點的安全; ②涉及河道的，應(yīng)符合治導規(guī)劃及防洪行洪的規(guī)定，不得在河道、湖泊管理范圍內(nèi)設(shè)置棄土( 石、渣) 場。

2.2 渣腳防護設(shè)計要求

根據(jù)先攔后棄的原則，該棄渣場必須對渣腳進行防護，可以通過采取擋渣壩、擋渣墻( 堤) 和工程護坡等方式實現(xiàn)。

2.3 渣面防護設(shè)計要求

渣場的渣面防護措施主要有: 工程護坡、植物護坡和綜合護坡3 種。工程護坡分為干砌塊石護坡、漿砌塊石護坡、混凝土護坡、鐵絲( 或鋼筋) 石籠護坡、預(yù)制塊護坡等; 植物護坡主要分為草皮護坡、種植喬木護坡、種植灌木護坡、喬灌草結(jié)合護坡等; 綜合護坡指采用工程措施和植物措施相結(jié)合的綜合型護坡。對于長期受到水的沖刷或侵泡的渣面，如水庫型棄渣場的渣面應(yīng)采用工程護坡，其它的石質(zhì)邊坡、土質(zhì)邊坡、土石均衡的邊坡等均建議采用綜合護坡，綜合護坡既能節(jié)約工程投資，又能改善渣場的景觀，同時提高項目的綠化率。棄渣場表面采用清淤棄土或清除的地表耕作土、表土等覆蓋，覆土厚度≥0.5 m，復耕或撒播草籽、喬灌結(jié)合綠化。

2.4 排水措施設(shè)計要求

棄渣場的排水措施應(yīng)分為臨時排水措施和永久排水措施。施工期間的臨時性排水措施主要是根據(jù)棄渣場堆渣進程能滿足渣場及周邊排水要求而設(shè)置的臨時性排水系統(tǒng); 永久性排水措施主要是在堆渣結(jié)束后，根據(jù)渣面及堆渣高程而布設(shè)在棄渣場周圍1～5 m外設(shè)一道截排水溝，攔截山體坡面匯水，水溝基礎(chǔ)要開挖在自然邊坡穩(wěn)定土體上或巖石上。截排水溝的設(shè)計尺寸是根據(jù)棄渣場擋土墻( 堤) 控制的集雨面積來設(shè)定，截排水溝設(shè)計斷面可分為梯形、矩形、深溝型、寬淺型等，溝道側(cè)墻材料可分為漿砌石、混凝土等，溝槽基礎(chǔ)做成臺階型，以增加穩(wěn)定性。截水溝的排水坡度≥1%。

3 巖溪水庫棄渣場工程設(shè)計［2］

巖溪水庫棄渣場由壩區(qū)棄渣場和渠系區(qū)棄渣場組成。

3.1 棄渣場選址設(shè)計

巖溪水庫壩區(qū)棄渣場選在大壩下游右岸650 m處的沖溝槽谷內(nèi)，該沖溝槽谷720 m高程以上長約250 m、寬25 ～65 m、深20 ～45 m;沖溝730 m高程以下有部分坡耕地，兩岸及后緣多為灌木林，局部為陡崖絕壁;沖溝下游側(cè)為羊崗河及緊靠河岸的現(xiàn)有簡易進場公路，無村民住房和其他設(shè)施。該棄渣場占地3.22 hm2，堆渣高程721 ～790 m，渣體外坡1∶2.0，堆渣容量45 萬m3。壩區(qū)棄渣場屬于攔溝型棄渣場，渣場下游需設(shè)置漿砌石擋渣墻，上游側(cè)布設(shè)截排水溝。

巖溪水庫灌區(qū)渠道呈樹枝狀分布，渠道開挖棄渣呈線狀分布，根據(jù)渠道及建筑物沿線的地形地貌，考慮棄渣場運距、渣場容量大致接近因素，在渠道沿線及建筑物附近擬選了11個攔溝型棄渣場和4個谷坡型棄渣場，共15個棄渣場。各棄渣場堆渣高度5 ～10 m，渣體外坡按1∶2.0 放坡，所有的渣場布置高程在710 ～740 m，渠道區(qū)棄渣場總庫容約26 萬m3。渠道區(qū)棄渣場下游需設(shè)置漿砌石擋渣墻，上游側(cè)布設(shè)截排水溝，以下將渠道區(qū)2 號攔溝型棄渣場擋渣墻和4 號谷坡型棄渣場擋渣墻作為典型設(shè)計。棄渣場布設(shè)情況見表1。

3.2 渣腳防護設(shè)計

通過以上分析，本工程的棄渣場的渣腳防護采用的重力式擋渣墻，攔渣墻斷面尺寸見表2。擋渣墻采用M7.5漿砌塊石砌筑，M10水泥砂漿勾縫，渣墻背豎直，墻面1∶0.3。擋渣墻設(shè)排水孔孔徑10 cm，間排距1 m，梅花型布置，排水孔靠土體側(cè)設(shè)碎石反濾層。擋土墻每隔15 m設(shè)置一道2 cm寬的沉降伸縮縫，伸縮縫考慮采用橡膠條或瀝青麻筋塞填。

按《開發(fā)建設(shè)項目水土保持技術(shù)規(guī)范》(50433—2008) 并參照《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》( SL379—2007) 進行擋渣墻的穩(wěn)定驗算，擋墻抗滑穩(wěn)定計算根據(jù)主動土壓力計算如下:

表1 棄渣場分布表

3.2.1 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks 采用下式計算:

式中:Ks為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù); W 為每單位長度擋渣墻自重; Pax、Pay分別為作用于擋渣墻上的庫侖主動土壓力Pa在水平方向和垂直方向的分力; μ 為擋渣墻底與地基間的摩擦系數(shù)。

3.2.2 抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)Kt

抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)Kt采用下式計算:

式中:Kt為抗傾覆安全系數(shù); Wa 為擋渣墻重力W 對墻趾的力矩;Pyb 為主動土壓力P 在垂直方向的分力對墻趾的力矩; Pxh 為主動土壓力P 在水平方向分力對墻趾的力矩。

3.2.3 地基承載力驗算

式中: B 為墻體底部寬度; x 為合力作用點與墻址點的距離，x = ∑M/N; N 為作用在基礎(chǔ)底面上的豎向力; F 為墻體底面面積。

根據(jù)上述計算公式，計算結(jié)果見表2。

表2 重力式攔渣墻斷面設(shè)計尺寸及抗滑穩(wěn)定驗算成果表

通過以上穩(wěn)定驗算，擋土墻斷面的抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、以及地基承載力均滿足規(guī)范要求。

圖1 棄渣場擋渣墻設(shè)計尺寸圖

巖溪水庫棄渣場擋渣墻設(shè)計見圖1。

3.3 坡面防護設(shè)計

根據(jù)本工程地基范圍內(nèi)的土壤力度，計算該棄渣場渣體穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，確定工程護坡采用綜合護坡，堆渣體護坡厚度≥40 cm，每隔10 m高程設(shè)置馬道，馬道寬2 m，穩(wěn)定邊坡為1∶2.0，漿砌塊石護坡下設(shè)置墊層厚20 cm 的砂礫石墊層，防止綜合護坡發(fā)生破壞。

3.4 排水措施設(shè)計

為避免坡面徑流沖刷渣體，在棄渣場堆渣表面的上游側(cè)修建漿砌石截水溝將棄渣場上游山體來水排入羊崗河中。棄渣場截排水溝斷面設(shè)計為梯形斷面，渠道底坡i =5%。側(cè)墻采用M7.5漿砌石塊石砌筑和M10水泥砂漿抹面，側(cè)墻厚0.4 m，M10水泥砂漿抹面厚0.02 m，底板采用碎石墊層厚0.10 m，和C15混凝土護底厚0.08 m。

3.4.1 防洪標準

根據(jù)《防洪標準》( GB 50201—94) 中的相關(guān)規(guī)定，確定棄渣場排水工程防洪標準為20 a一遇設(shè)計、50 a一遇校核。

3.4.2 排水工程設(shè)計

經(jīng)查《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》，取用《貴州省年最大1 h點雨量均值等值線圖》、《貴州省年最大1 h點雨量Cv 值等值線圖》，得項目區(qū)的最大1 h平均點雨量為45 mm，Cv =0.42，Cs = 3.5Cv; 查《皮爾遜III 型頻率曲線的模比系數(shù)KP 值表》，當P =2%，得KP =2.1467，50 a一遇降雨強度96.6 mm。

3.4.2.1 洪峰流量QS

采用公式:

式中: Qs 為洪峰流量; K 為徑流系數(shù)，取0.8; I 為50 a一遇降雨強度96.6 mm; F 為山坡集雨面積。

3.4.2.2 水力學計算

1) 計算假定。棄渣場截排水溝水力學計算公式:

2) 斷面選定。棄渣場截排水溝計尺寸及水力計算見表3。

巖溪水庫渣場水土保持工程措施示意見圖2。

表3 棄渣場截排水溝斷面尺寸及水力計算表

圖2 巖溪水庫棄渣場水土保持工程措施示意圖

5 結(jié) 語

水利工程在建設(shè)過程中都會產(chǎn)生大的棄土棄渣，尤其是工程的開挖，其數(shù)量大，造成的水土流失較為嚴重，防治困難，因此在建設(shè)過程中棄渣的處理方案設(shè)計要合理可行。同時，在工程施工中，嚴格遵守國家環(huán)境保護部門及有關(guān)規(guī)范的規(guī)定，采取有效措施以預(yù)防和消除因施工造成的環(huán)境污染。

［1］周天佑，卿太明. 四川省開發(fā)建設(shè)項目棄渣量、棄渣場的類型與防洪標準［J］. 四川水利，2004(3) :55 －56.

［2］遵義水利水電勘測設(shè)計研究院. 貴州省務(wù)川縣巖溪水庫工程水土保持方案報告書［R］. 遵義: 遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，2011.

［3］操昌碧. 水利水電工程棄渣場水土保持工程措施研究［J］. 水電站設(shè)計，2001 (4) :39.