康蘇水庫引調水工程棄渣場設計

孟冬梅

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院,新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

康蘇水庫引調水工程位于新疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州烏恰縣,作為康蘇水庫的配套引水工程,工程起點接康蘇水庫灌溉供水隧洞出口供水池,管道末端進入烏恰縣水廠沉淀池。工程的設計流量為0.41 m3/s~0.40 m3/s,年引水量564.70 萬m3,鋪設輸水管線長度30.86 km,涂塑鋼管,管道直徑DN700,輸水道型式為重力流輸水,工程規模為Ⅳ 等小（1）型工程。

本工程共設置棄渣場3 處,1#棄渣場回填料坑,2#和3#棄渣場均為坡地棄渣場,主要堆置管線開挖、沉砂池和各類閥井棄渣。各棄渣場情況見表1。

表1 棄渣場詳細情況表

2 水土流失危害分析

項目建設過程中人為活動造成水土流失的原因主要是清除、開挖、回填、占壓、碾壓等活動破壞地表植被、表層土壤結皮以及臨時堆渣的堆放,在大風和暴雨季節產生水土流失。

（1）本工程屬于線狀工程,工程建設對土地資源的影響主要體現為：輸水管道、沉砂池、閘閥等建設期對地表的擾動面積較大,如果不采取有效的水土保持措施,施工產生的臨時棄土棄渣受到暴雨沖刷,易產生流失。同時,工程建設中占用土地,擾動地表、破壞植被,可能導致工程區土壤養分流失,結構破壞,其保水保肥能力下降、可利用土地資源減少。

（2）項目區原生地表結構穩定,風力侵蝕為輕度,工程建設擾動后地表穩定層被破壞,在當地自然條件（最大風速26.7 m/s）下將會使土壤侵蝕量大幅增加,增加大風天氣下的揚塵量,進而加大下風向地區沙塵天氣的危害。

（3）項目區自然環境惡劣,自然植被生長緩慢且覆蓋度低,施工期對地表的擾動以及棄渣堆置將會對原有的地表和植被產生破壞,破壞生態環境并加劇當地的水土流失規模。

3 棄渣場選址

棄渣場選址嚴禁影響周邊公共設施、工業企業、居民點的安全；涉及河道的,應符合河流治理規劃及防洪行洪規定、不得在河道、湖泊管理范圍內設置棄渣場；不能避開過水流量較大的溝道時,應進行防洪論證；過水流量較大的溝道不宜布設棄渣場；山丘區優先在凹地、支毛溝選址,平原區優先在凹地、荒地選址,風沙區選址避開風口和易產生風蝕的地方。

1#棄渣場結合取料坑布置,不存在安全威脅,不會對當地原地表和植被造成明顯破壞,亦不會對當地景觀造成不良影響。2#、3#棄渣場避開過水流量較大的溝道,選擇在支毛溝前段的坡地堆渣,沒有占用生產力高的土地,棄渣場的布置不會影響當地居民的生產生活。

4 設計標準

康蘇水庫引調水工程等別和規模為Ⅳ等小（1）型工程,其輸水管線、條形沉砂池、穩壓水池、管線穿渠建筑物、閥井等附屬建筑物為4 級建筑物,臨時工程為5 級建筑物。輸水管線（4 級建筑物）過洪建筑物（4 級建筑物）、閘閥井（4 級建筑物）等附屬建筑物洪水標準按10 年一遇設計,30 年一遇校核。

水土保持工程按5級建筑物設計,設計防洪標準為10 年一遇。

5 棄渣場攔渣工程

5.1 攔渣方案選擇

棄渣場設計應按照安全可靠、經濟合理的原則,棄渣攔渣工程包括擋渣墻、攔渣堤、攔渣壩等,通過現場查勘,按就地取材、安全可靠、經濟合理的原則選擇攔擋工程型式。

擋渣墻是為了防止堆積體變形失穩,發生滑塌、崩塌而修建的構造物,一般用于坡地型棄渣場的攔擋措施。

攔渣堤是指修建于溝道或河岸的,用以攔擋棄土、棄石、棄渣等廢棄物的建筑物。有攔渣與防洪兩種功能。

攔渣壩是在溝道中修建的攔蓄棄土、棄石、棄渣等廢棄物的的工程,因其地形要求位于渣源附近,口小肚大,溝道平緩,工程量小,庫容大。

本工程1#棄渣場位于料場料坑,2#和3#棄渣場均為坡地棄渣場,3處棄渣場均不涉及河道及大的沖溝,棄渣場的設計重點是棄渣的攔擋及排水措施。所以選擇擋渣墻為康蘇水庫引調水工程的擋渣措施并在擋渣墻外側設置排水溝。

5.2 擋渣墻選型

擋渣墻按結構型式的不同,可分為重力式、懸臂式和扶臂式三種。重力式擋渣墻是依靠墻身自重來維持穩定的,墻體用漿砌塊石砌筑,該墻型適用于墻高小于5 m、地基土質較好的情況。懸臂式擋渣墻采用鋼筋混凝土建造,由立壁和底板組成,具有三個懸臂即立壁、趾板和踵板,該墻型墻身斷面小,結構穩定性不依靠本身的重量,而主要依靠踵板上的填土重量來保證,自重輕、省材料,適用于墻高大于5 m、地基土質較差的情況。扶臂式擋渣墻的扶臂,以保持擋渣墻的整體性,加強擋渣能力,墻體采用鋼筋混凝土材料,適用于防護要求高、墻高大于10 m的情況。康蘇水庫引調水工程的3 處棄渣場均為5 級棄渣場（棄渣量＜50 萬m2,棄渣最大堆高＜20 m）,并且棄渣場最大堆高均小于5 m,因此重力式擋渣墻結構型式最符合本工程棄渣攔擋需求。

5.3 擋渣墻設計

5.3.1棄渣場地質條件

2#棄渣場地面高程2235 m~2239 m,為坡地型棄渣場。棄渣量為19500 m3,規劃占地面積6433 m2,平均堆渣高度2 m,棄渣場級別5級。渣場內出露的地層主要為侏羅系（J2）和第四系全新統洪積物（Q4pl）。據現場調查及勘探資料,場址地下水位埋深大于5 m。渣場位于洪積臺地,地形相對平坦,后緣基巖山體,基巖裸露,岸坡穩定。

3#棄渣場地面高程2225 m~2229 m,為坡地型棄渣場。棄渣量為25400 m3,規劃占地面積8357 m2,平均堆渣高度2.5 m,棄渣場級別5 級。渣場內出露的地層主要為侏羅系（J2）和第四系全新統洪積物（Q4pl）。據現場調查及勘探資料,場址地下水位埋深大于5 m。場址區未發現有區域性活動斷裂通過。

5.3.2擋渣墻斷面設計

2處棄渣場擋渣墻均為漿砌石擋墻,地面以上墻高0.8 m,地下埋深1.25 m,墻頂寬0.5 m,面坡垂直,背坡1∶0.3,墻底寬0.74 m。為排除渣體中降水形成的滲透水流,減小墻身水壓力,增加墻體穩定性,在墻體上布置一排排水孔,水平間距1 m,孔內預埋φ50 PVC管,排水孔比降5%,出口距地面0.2 m。漿砌石擋墻砌筑后期在擋墻頂部采用M10 砂漿壓頂,厚度2 cm。

圖1 擋渣墻斷面圖

5.3.3棄渣場穩定性分析

（1）計算方法

按照《水土保持設計規范》（GB 51018-2014）,棄渣場邊坡穩定性分析可采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧滑動法計算,計算公式如下：

式中：b為條塊寬度,m；W為條塊重力,kN；W1為在邊坡外水位以上的條塊重力,kN；W2為在邊坡外水位以下的條塊重力,kN；Q、V為水平和垂直地震慣性力（向上為負,向下為正）,kN；u為作用于土條底面的孔隙壓力,kPa；a為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角,（°）；c＇、φ為土條底面的有效應力抗剪強度指標；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩,kN·m；R為圓弧半徑,m；k為抗滑穩定安全系數。

（2）計算工況

根據《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）規定棄渣場穩定計算應分為正常運用工況和非常運用工況。

①正常運用工況：指棄渣場在正常和持久的條件下運用,棄渣場處在最終棄渣狀態時,渣體無滲流或穩定滲流的工況。

②非常運用工況Ⅰ：指棄渣場在正常工況下遭遇Ⅶ度以上（含Ⅶ度）地震。

③非常運用工況Ⅱ：指棄渣場處于暴雨或連續降雨狀態下的工況。

正常運用工況和非常運用工況計算斷面均選取堆渣體最大堆高處斷面作為穩定性計算斷面。

根據《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）,采用瑞典圓弧法計算時,棄渣場抗滑穩定安全系數見表2。

表2 棄渣場抗滑穩定安全系數表

本工程2 處棄渣場均為5 級,正常工況棄渣場抗滑穩定安全系數取值為1.15,非常工況取值均為1.05。

（3）計算參數

表3 棄渣場基礎和渣料物理力學參數表

（4）計算結果

表4 棄渣場穩定計算結果匯總表

圖3 2#棄渣場非常運用工況I

圖4 2#棄渣場非常運用工況II

圖5 3#棄渣場正常運用工況

圖6 3#棄渣場非常運用工況I

圖7 3#棄渣場非常運用工況II

5.4 截排水工程

5.4.1計流量

為防止降雨對渣場邊坡和擋墻造成沖蝕,在渣場擋渣墻外圍設置漿砌石襯砌排水溝,將匯集的雨水通過排水通道排入天然溝道或坑洼處。

排水溝設計排水流量根據《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）確定,采用小流域面積設計流量,設計標準采用5年一遇10 min降雨歷時,公式如下：

式中：Qm為設計洪峰流量,m3/s；q為設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度,mm/min；φ為徑流系數；為匯水面積,km2；q5,10為5年重現期和10分鐘降雨歷時的標準降雨強度,mm/min；Cp為重現期轉換系數；Ct為降雨歷時轉換系數。

5.4.2排水溝縱橫斷面設計

（1）計算方法

排水溝斷面尺寸通過以下公式確定：式中：Q為排水溝流量,m3/s；A為過水面積,m2；R為水力半徑,m；i為水力坡降；n為糙率系數。

（2）計算參數

表5 棄渣場排水溝水文計算參數表

表6 棄渣場排水溝水文計算結果表

（4）計算結果

圖8 排水溝斷面圖

6 結語

棄渣場堆置應根據渣場地形地質條件、棄渣巖土組成及物理力學參數等確定堆置要素,應滿足渣場穩定,在棄渣場設計過程中應堅持安全可靠、經濟合理原則。本文從康蘇水庫引調水工程棄渣場選址、攔擋工程選擇入手給出棄渣場的擋渣墻和截排水工程設計。