水庫工程棄渣場水土保持措施設計

楊建偉

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

1 概況

某水庫工程位于新疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣境內,是一項控制性水利樞紐工程,具有灌溉、防洪、發電等綜合利用任務。工程由擋水建筑物、泄水建筑物（表孔溢流道、導流兼泄洪沖沙洞）、發電引水系統（進水閘、上平洞、壓力鋼管）、電站廠房等組成。工程壩型為瀝青混凝土心墻壩,最大壩高82 m,總庫容1.25 億m3,電站裝機24 MW。依據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》確定本工程等別為Ⅱ等大（2）型工程,其中主要建筑物為2 級建筑物,次要建筑物為3 級建筑物,臨時建筑物為4 級建筑物。工程設計洪水標準大壩及泄水建筑物為100 年一遇。工程區地震基本烈度為Ⅷ度。

工程所在區域位于新疆維吾爾自治區西南部,地處塔里木盆地西緣、帕米爾高原之東,地貌類型屬中山區。區域巖性主要有西域礫巖、砂卵礫石、含土塊碎石、黃土、碎石土等。區域內地下水主要有二類,一種為第四系松散地層內的孔隙潛水；另一類為基巖裂隙水。氣候類型屬于典型的北溫帶大陸性干旱氣候,多年平均氣溫為11.1℃,多年平均降水量為88.5 mm,多年平均蒸發量為1734.2 mm,多年平均風速為2.4 m/s,最大風速為30 m/s,最大凍土深度為131 cm。

項目區植被類型主要為荒漠植被,平均植被覆蓋度約10%。工程區土壤侵蝕的主要類型為水力侵蝕和風力侵蝕,侵蝕強度均為輕度。原地貌土壤侵蝕模數確定為1000 t/（km2·a）,項目區土壤容許流失量確定為1000 t/（km2·a）。

2 棄渣場合理性分析與評價

棄渣場選址按照水土保持規范的規定嚴格執行,棄渣場選址不在泥石流易發區、固定半固定沙丘區等易引起嚴重水土流失的地區,工程征占地范圍內不涉及國家級水土流失重點預防保護區和重點治理成果區,工程不占用國家水土保持定位觀測站,棄渣場周邊無公共設施、工業企業、居民點等,棄渣場選址不存在水土保持制約性因素,符合水土保持要求[1]。

本工程共布置4 處永久棄渣場,1#棄渣場用于堆放大壩左岸上游側施工棄渣,2#棄渣場用于堆放大壩左岸下游側施工棄渣,3#棄渣場用于堆放大壩右岸、導流洞、發電洞進口施工棄渣,4#棄渣場用于堆放導流洞、發電洞、施工支洞、溢洪道、廠房、交通洞施工棄渣。棄渣場平均堆渣高度按15 m控制。

各棄渣場特性見表1。

表1 棄渣場特性統計表

3 棄渣場水土保持措施設計

3.1 設計標準

根據《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）棄渣場及攔擋工程設計要求[2],棄渣場和擋土墻工程為5 級,排洪工程為5 級,林草工程為2級。設計洪水標準為20 年一遇,校核洪水標準為30 年一遇。

3.2 工程措施設計

3.2.1 邊坡與堆高設計

棄渣場棄渣主要為大壩右岸、導流洞、發電洞進口、施工支洞、溢洪道、廠房、交通洞等施工棄渣。渣料主要由碎石土、卵石混合土、砂卵礫石等組成。棄渣場的高度和堆放邊坡是影響渣體穩定的主要因素。因此棄渣場堆高與邊坡的確定至關重要。本工程考慮棄渣場地基、棄渣料物理力學參數等資料,最終確定棄渣場堆渣邊坡為1∶2,堆渣高度11 m～20 m。

3.2.2 擋渣墻設計

本工程擋渣墻為重力式擋渣墻,墻高4 m,地下埋深2 m,墻頂寬1 m,墻背坡比1∶0.5。擋渣墻為M7.5漿砌石擋渣墻,坡面防護采用30 cm厚的M7.5 漿砌石護坡,破面漿砌石護坡每隔2 m布置直徑5 cm的PVC排水管,比降5%,呈梅花形布置[3]。擋渣墻每隔10 m設置一道伸縮縫,1#棄渣場擋渣墻設計長度532 m,根據擋渣墻尺寸,需漿砌石1757 m3,φ100 PVC管318 m。2#棄渣場擋渣墻設計長度600 m,需漿砌石1844 m3,φ100PVC管334 m。3#棄渣場擋渣墻設計長度630 m,需漿砌石1903 m3,φ100PVC管345 m。4#棄渣場擋渣墻設計長度650 m,需漿砌石1903 m3,φ100PVC管345 m。

3.2.3 穩定性計算

本文重點為通過計算和分析棄渣場及其擋渣墻在自重條件和地震條件下的穩定性,從而保證棄渣場無論在何種工況下都能夠穩定,不會發生邊坡滑動及擋渣墻的滑動和傾覆。本工程棄渣場均位于大壩兩岸的階地上,地表為上更新統沖洪積（Q3alp）含土砂礫石層,厚度20 m～60 m。棄渣料物理力學參數：天然容重18 kN/m3,飽和容重20 kN/m3,內摩擦角38.3°。渣場地基物理力學參數：天然容重21 kN/m3,飽和容重23 kN/m3,內摩擦角31°,粘聚力5 kPa。

（1）渣場抗滑穩定計算方法

按照《水利水電工程水土保持技術規范》（SL 575-2012）相關要求,棄渣場邊坡抗滑穩定性分析計算按采用畢肖普法進行計算,選取最大堆高處作為計算斷面。采用中國水利水電科學研究院的土質邊坡穩定分析程序（STAB）進行計算。計算結果見表2。

表2 棄渣場邊坡穩定安全系數計算結果

由表2可知,棄渣場邊坡安全穩定計算結果均大于允許值,均滿足規范和設計指標要求,棄渣場邊坡穩定。

（2）擋渣墻抗滑、抗傾覆穩定計算方法

根據地質勘探實驗資料及相關工程的經驗,各類巖土體的物理力學參數值如下：砌體容重23 kN/m3,墻后填土綜合內摩擦角38.3°,墻后填土容重18 kN/m3,墻背與墻后填土摩擦角17.5°,地基土容重21 kN/m3,墻底摩擦系數0.4[4],地基土內摩擦角31°,粘聚力5 kPa 。

根據《水工擋土墻設計規范》（SL379-2007）,抗滑穩定驗算公式：

式中：Kc為擋土墻沿基底面的抗滑穩定安全系數；∑G 為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載,kN；∑H 為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載,kN；A為擋土墻基底面的面積,m2；?o為擋土墻基底面與土質地基之間的摩擦角,（°）；c0為擋土墻基底面與土質地基之間的粘聚力,kPa。

根據《水工擋土墻設計規范》（SL 379-2007）,抗傾覆穩定驗算公式：

式中：Ko為擋土墻抗傾覆穩定安全系數；∑MV為對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩,kN·m；∑MH為對擋土墻基底前趾的傾覆力矩,kN·m。

擋渣墻的抗滑、抗傾覆穩定性采用理正軟件進行驗算,計算結果見表3。

表3 擋渣墻抗滑、抗傾覆安全系數計算結果

由表3可知,擋渣墻抗滑、抗傾覆安全穩定系數計算結果均大于允許值,均滿足規范和設計指標要求,擋渣墻抗滑、抗傾覆穩定。

3.3 植物措施設計

植物措施是指在水利工程建設期間為防治項目區水土流失,保護、改良和合理利用水土資源所采取的造林、種草等措施。主要作用是增加地表植被覆蓋,避免坡面土壤受到雨滴擊濺和暴雨徑流的沖刷[5]。本工程棄渣場植物措施恢復應遵循因地制宜、適地適樹、注重生態景觀協調性的原則,統一規劃,合理布局[6～7]。工程項目區地表植被蓋度不足5%,地表土壤以淡棕鈣土、礫質土為主,多年平均降雨量88.5 mm,項目建設區占地以荒漠草地為主。經現場調查,項目區土壤貧瘠,植物措施應選耐干旱、耐貧瘠的鄉土植物種類。

棄渣場堆渣后地表被棄渣覆蓋,無植被生長的土壤條件,為提高植物措施的成活率,對植物措施實施區域進行覆土,覆土厚度按30 cm控制,覆土方量為51930 m3。覆土后對覆土區域采取播撒草籽措施,草種主要選擇芨芨草、狗牙根、假木賊等混合草種,草籽用量按120 kg/hm2播撒,共需草籽2077 kg。

4 結論

本文通過對某水庫工程地貌、地質、氣象以及棄渣物理力學參數等條件分析,遵循“先攔后棄”原則,確定棄渣場設計邊坡為1∶2、設計高度11 m～20 m、棄渣場坡腳采用重力式漿砌石擋渣墻防護,棄渣場坡面和渣頂采用播撒草籽植物措施,利用工程措施的時效性和植物措施的遠期恢復效果,有效防止渣場區域的水土流失,減少水土流失量,符合水土保持要求。