水土保持防治措施典型設計
——以寧夏鹽池縣黃土丘陵溝壑區第五副區棄渣場為例

謝 濤，馮海林，馬 翔，2

（1．寧夏博源眾航水利工程咨詢有限公司，銀川 750000；2.寧夏清潤雨澤水利生態環境工程有限公司，銀川 750000）

近幾年，隨著國民經濟的高速發展，寧夏鹽池縣境內重點工業項目的開工建設、城鄉公共設施及新農村建設步伐加快，不可避免地產生大量棄渣，需設置棄渣場來進行堆存。棄渣場一般設置在項目區附近地形較為低洼處，由于棄渣的堆存，將形成裸露的松散堆體平臺和邊坡，在降雨或上游來水等影響下，會造成嚴重的區域水土流失，同時可能誘發滑坡、泥石流等地質災害，一旦失事會嚴重威脅項目區及周邊公共設施、基礎設施、工業企業和居民點等有重大影響的區域，因此棄渣場的防治工作尤為重要，同時也是生產建設項目水土保持工作的核心內容。

1 棄渣場概況

協同處置固體廢物技術改造及配套安全填埋場項目位于寧夏吳忠市鹽池縣惠安堡鎮，主要依托現有4 500 t/d 新型干法水泥生產線進行危險廢物處置，同時配套建設安全填埋場。棄渣場位于安全填埋場東北側的坡地，周邊匯水面積0.068 km2，堆渣堆放最低點高程1 583.0 m，頂部高程1 595.6 m，最大堆渣高度12.6 m，堆存量15.23 萬m3，占地面積3.36 hm2，地貌類型為黃土丘陵溝壑區第五副區，占地類型為荒草地，渣場類型為坡地型。

1.1 堆渣成分

安全填埋場多余土石方主要為黃土類土、粘砂土，黃土類土、粘砂土質地疏松、孔隙度大、黏結性差、透水性好、富水性差，屬于自重濕陷性黃土，濕陷等級為II 級。

1.2 地質構造

棄渣場所在區域大地構造位于華北板塊鄂爾多斯地塊西緣坳陷帶韋州坳陷。區域性構造以褶皺為主，自西向東有羅山背斜、韋州向斜、青龍山復背斜、惠安堡復向斜。

1.3 地層巖性

棄渣場所在區域發育第四系馬蘭黃土，土黃色褐—黃色，稍濕—濕，稍密—中密，土質均勻，含有呈絲狀分布白色物，有濕陷性，垂直節理較為發育，層厚大于50.0 m；在底部出露古近系清水營組紅色的泥巖、砂巖，為一套近海的內陸相碎屑巖沉積建造，地層由老至新依次為奧陶系、石炭-二疊系太原組、二疊系山西組、第四系。

1.4 地場穩定性

經工程地質調查及鉆孔揭露，棄渣場內及周邊未發現崩塌、泥石流和地面塌陷等地質災害作用，未發現有斷層、破碎帶。

2 棄渣場攔擋工程等級及防洪標準

棄渣場所在區域屬于黃河多沙粗沙國家級水土流失重點治理區，根據GB/T 50433—2018《生產建設項目水土保持技術標準》，對無法避讓水土流失重點預防區和重點治理區的生產建設項目，棄渣場截排水、攔擋工程等級和防洪標準應提高一級。因此，棄渣場擋渣墻級別為4 級、排洪工程級別為4 級。

3 棄渣場水土保持防治措施

3.1 防治措施總體布局

堆渣前，對棄渣場占地范圍內可剝離表土區域進行表土剝離，集中堆放并采取防塵網苫蓋；堆體下游坡腳布設擋渣墻。堆渣過程中，堆體頂部平臺和邊坡裸露區域采取防塵網苫蓋，施工活動頻繁場地采取灑水降塵；堆體與自然山體交接處布設排水溝，接入急流槽、消力池并順接至下游自然溝道；堆體較陡邊坡進行削坡減載。堆渣結束后，堆體頂部平臺和邊坡進行土地整治，植草恢復植被，堆體頂部平臺布設擋水埂。

3.2 工程措施典型設計

3.2.1 穩定性分析

（1）計算工況。穩定性計算不考慮地震因素影響，只考慮降雨因素，采用以下2 種工況類型：工況1 自重+地下水（正常運用）；工況2 自重+地下水+暴雨（非常運用）。

（2）計算方法。采用瑞典圓弧法，計算公式為：

式中：b-條塊寬度，m；W-條塊重力，kN；Q-在水平地震慣性力，kN；V-在垂直地震慣性力，kN；u-作用于土條底面的孔隙壓力，kN；α-條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，°；c′、φ′-土條底面的有效應力抗剪強度指標；MC-水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；R-圓弧半徑，m。

經計算，棄渣場抗滑穩定安全系數：正常運用1.579（＞1.150），非常運用1.210（＞1.050），棄渣場穩定。

3.2.2 擋渣墻典型設計

（1）擋渣墻位置與結構形式擬定。根據擋渣墻設計原則，在堆渣坡腳處布設3.5 m 高的漿砌石重力式擋渣墻262.3 m。擬定擋渣墻設計尺寸，見表1。

表1 擬定擋渣墻設計尺寸表

（2）主動土壓力計算。根據堆渣成分選定設計參數，堆渣內摩擦角φ=22°，堆渣與墻背之間的摩擦角δ=15°，墻頂以上回填角1∶1.5，墻胸直立，墻背1∶0.3，基底與地基之間的摩擦系數μ=0.35，地基容許承載力[R]=0.3 MPa。主動土壓力計算采用庫侖公式，計算公式為：

式中：Pa-主動土壓力，kN；γ-回填土容重，kN/m3；H-擋渣墻高度，m；Ka-土壓力系數，其中Ka計算公式為：

式中：φ-堆渣內摩擦角，°；ε-墻背面與豎直面的傾角，°；δ-堆渣與墻背之間的摩擦角，°；β-墻頂以上堆渣面與豎直面的傾角，°。

（3）抗滑穩定驗算公式為：

式中：Kh-抗滑安全系數；W-墻身自重，kN；Pax-主動土壓力水平分力，kN；Pay-主動土壓力垂直分力，kN。

（4）抗傾覆穩定驗算公式為：

式中：Kq-抗傾覆安全系數；W-墻身自重，kN；Pax-主動土壓力水平分力，kN；Pay-主動土壓力垂直分力，kN；a-墻身自重W對墻趾的力臂，m；b-主動土壓力水平分力Pax對墻趾的力臂，m；h-主動土壓力垂直分力Pax對墻趾的力臂，m。

（5）地基應力驗算公式為：

式中：∑M-合力矩，kN·m。

經穩定校核計算，棄渣場擋渣墻是安全的。擋渣墻設計參數計算，見表2。擋渣墻穩定計算結果，見表3。

表2 擋渣墻設計參數計算表

表3 擋渣墻穩定計算結果表

（6）排水措施與伸縮縫。為了排除擋渣墻后滲水，沿墻長每隔10.0 m 設一道寬3.0 cm 的瀝青麻絮伸縮縫，按墻身水平間距3.0 m、豎直間距1.0 m 呈“品”字形布設孔徑為10.0 cm 的PVC 排水孔，排水孔進口處包裹0.25 m×0.25 m 的土工布，排水孔口鋪設復合土工膜2.0 m（采用0.5 m×0.5 m“兩布一膜”）。

經計算，在堆渣坡腳處設置3.5 m 高的漿砌石重力式擋渣墻262.3 m。其斷面結構為基礎埋深1.5 m，底板寬1.7 m，厚1.5 m，頂寬0.6 m，底寬1.2 m，墻胸直立，墻背比1∶0.3，采用M7.5 漿砌塊石砌筑并勾縫，C20 混凝土現澆20.0 cm 厚壓頂，基礎原土翻夯30.0 cm 厚。

3.2.3 排水溝典型設計

為防止雨水沖刷，堆體與自然山體交接處布設排水溝442.2 m。根據GB 50288—99《灌溉與排水工程設計規范》，按10 年一遇1 h 最大雨強設計。

（1）水文計算公式為：

式中：QB-最大流量，m3/s；K-徑流系數；I-設計頻率的平均1 h 降雨強度，mm/h；F-匯水面積，km2。排水溝水文計算，見表4。

表4 排水溝水文計算表

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（2）水力計算。排水溝流量設計按照明渠均勻流，計算公式為：

式中：Q-過水流量，m3/s；A-過水斷面面積，m2；C-謝才系數；i-底坡比降（取1.00%）；R-水力半徑，m。其中水力半徑R、謝才系數C、過水斷面面積A，分別采用下式計算：

式中：X-濕周，m；n-糙率（材料為混凝土，取0.017）；b-渠道底寬，m；m-渠道內坡比（取0.50）；h-水深，m。排水溝水力計算，見表5。

表5 排水溝水力計算表

（3）斷面確定。根據安全超高要求，排水溝安全超高取0.10 m；經計算，排水溝設計流速為1.65 m/s，滿足混凝土排水溝V不淤=0.40 m/s＜V=1.65 m/s≤V不沖=4.00 m/s 的要求，并依據施工規范和施工最小斷面的要求，最終確定的排水溝設計尺寸，見表6。

表6 排水溝設計尺寸表

（4）工程量。排水溝采用C20 混凝土預制塊襯砌，規格為壁厚8.0 cm，每塊長50.0 cm，采用水泥砂漿勾縫，基礎采用原土翻夯10.0 cm 厚。

3.2.4 急流槽典型設計

急流槽上接排水溝，沿堆體坡面布設，根據棄渣場所在區域排水溝實際布設及排水溝導入場區外自然溝道情況，需布設急流槽23.0 m，采用C20 混凝土現澆，為梯形斷面。設計流量按排水溝流量加大30%計算，為0.36 m3·s-1；急流槽底寬假設0.40 m，急流槽水力計算，見表7。

表7 急流槽水力計算表

式中：i-坡率；h0-正常水深，m。

h0經過試算求得（試算至K0=K時為止），經計算K=0.66 m3/s，h0=0.11 m。根據水力計算，初步確定矩形急流槽斷面為底寬0.40 m，深0.11 m，并依據施工規范和安全超高要求，安全超高取0.19 m。最終確定急流槽矩形斷面，尺寸為底寬0.40 m，深0.30 m。采用C20 混凝土現澆，底部及壁厚8.0 cm，每5.0 m 長設一道2.0 cm 寬的伸縮縫，利用瀝青麻絮填塞，基礎采用原土翻夯。

3.2.5 消力池典型設計

消力池上接急流槽，在急流槽尾部接消力池，共1座。消力池設計深采用以下公式計算：

式中：d-消力池設計深，m；h1-水躍第一共軛水深，h1=h0=0.11 m；h2-水躍第二共軛水深，m；h下-下游水深，m；b-上游進水口渠寬（為急流槽底寬0.40 m）。

根據計算結果，消力池設計凈尺寸取值為長4.50 m，寬0.70 m，深1.10 m，側墻凈高1.60 m。采用C20 混凝土現澆，底部及壁厚20.0 cm，基礎采用原土翻夯。

3.2.6 尾水排水溝典型設計

為保證上游來水經消力后不再對下游區域造成侵蝕，在消力池尾部增加尾水排水溝，并做好與自然溝道的銜接。消力池后設尾水排水溝10.0 m，矩形斷面，采用C20 混凝土現澆，防洪標準和設計方法同棄渣場排水溝。尾水排水溝水力計算，見表8。

表8 尾水排水溝水力計算表

根據安全超高要求，尾水排水溝安全超高取0.10m；經計算，尾水排水溝設計流速為1.82 m/s，滿足混凝土尾水排水溝V不淤=0.40 m/s＜V=1.82 m/s≤V不沖=4.00 m/s的要求。尾水排水溝設計尺寸，見表9。

表9 尾水排水溝設計尺寸表

根據計算結果，考慮施工方便，則尾水排水溝設計寬0.60 m，深0.50 m，采用C20 混凝土澆筑厚10.0 cm，基礎采用原土翻夯。

3.2.7 表土剝離典型設計

堆渣前，對棄渣場占地范圍內可剝離表土區域進行表土剝離，集中堆放并采取防塵網苫蓋。棄渣場占地范圍內可剝離表土面積1.22 hm2，剝離厚度0.30 m，剝離量0.37 萬m3。

3.2.8 土地整治典型設計

堆渣結束后，對堆體頂部平臺及邊坡區域進行土地整治，其工作內容包括：清除項目占地范圍內的雜物及建筑垃圾，將凹地回填整平。棄渣場土地整治面積3.36 hm2。

3.2.9 擋水埂典型設計

為了防止堆體頂部平臺匯水對堆體邊坡的沖刷，堆體頂部平臺布設擋水埂。擋水埂斷面為頂寬50.0 cm，高60.0 cm，內外坡比1∶1，共設擋水埂長431.6 m，開挖土方量285.43 m3。

3.2.10 削坡減載典型設計

堆渣結束后，對堆體較陡邊坡進行削坡減載，每堆高達到6.0 m 時設一道1.5 m 寬的馬道，馬道上下坡比均為1∶1.5，共設馬道總長199.4 m，削坡減載面積0.32 hm2，開挖土方量2 104.0 m3。

3.3 植物措施典型設計

堆渣及土地整治結束后，在4-7 月土壤墑情較好時對堆體頂部平臺及邊坡區域采取人工撒播草籽措施促進恢復植被。草種選用紫花苜蓿、冰草，設計播種量為紫花苜蓿7.5 kg/hm2、冰草15.0 kg/hm2，按20%考慮補播量，播種比例1∶1，種植方法為撒播。棄渣場人工撒播草籽面積3.36 hm2，需紫花苜蓿15.12 kg、冰草30.24 kg。

3.4 臨時措施典型設計

3.4.1 防塵網苫蓋

對集中堆放剝離表土、堆體頂部平臺和邊坡裸露區域采取防塵網苫蓋，四周采用木樁進行固定，共需防塵網1 238.0 m2，木樁75 根。

3.4.2 灑水降塵

對棄渣場施工活動頻繁場地采取灑水降塵，每天灑水1 次，每次灑水按3.0 mm 計，灑水天數15 d，灑水量1 120.0 m3。

4 結束語

文章以位于寧夏鹽池縣黃土丘陵溝壑區第五副區生產建設項目“協同處置固體廢物技術改造及配套安全填埋場項目”為例，對其設置的棄渣場水土保持防治措施進行典型設計，提出該區域同類型棄渣場經濟、安全以及可靠的水土保持防治措施設計思路與計算方法，并對棄渣場邊坡及擋渣墻穩定性進行分析計算，驗證所設計水土保持防治措施的可行性和有效性，同時對棄渣場的防洪排導工程進行詳細設計，避免雨季棄渣場出現滑坡、坍塌等事故。