溝道型棄渣場排水設施設計

蘭景濤，叢日亮，趙會林

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 引言

溝道型棄渣場是指將棄渣堆放在溝道內，堆渣體將溝道全部或部分填埋，適用于溝底平緩、肚大口小的溝谷[1-2]。由于堆渣阻隔了溝道天然洪水的自然下泄，在棄渣場上游匯集了大量的匯水，棄渣場的安全穩定受到影響，導致渣體內部凝聚力和黏聚力等物理參數降低，渣體失穩，甚至誘發滑坡和泥石流等災害[3-6]；同時棄土棄渣被水流沖蝕進入下游河道，造成河道淤積，毀壞水利設施，影響正常行洪和水利工程效益的發揮，甚至引起洪澇或者地質災害[7]。

因此，排水設施是溝道型棄渣場水土流失綜合防治的重要設施之一，可保障降水和溝道上游來水安全排泄，對棄渣場及其下游基礎設施的安全、棄渣場植被恢復、復墾利用等具有重要的意義。

2 工程概況

2.1 工程基本情況

垣曲東南莊至嶺溝道路工程位于山西運城市垣曲縣解峪鄉境內，線路總長度15.672 km，起點為東南莊村口北側約200 m處，終點為嶺溝高程950 m附近，沿線布置兩條隧道，#1隧道長約808 m，#2隧道長411 m。工程設計等級為公路三級，設計行車速度30 km/h，行車道寬6.5 m，兩側土路肩寬0.5 m，采用水泥混凝土路面，交通荷載分級為重交通等級，橋涵荷載為公路-Ⅱ級荷載。

工程占地面積58.08 hm2，其中永久占地面積為44.30 hm2，臨時占地面積為13.78 hm2。工程土石方總量228.20萬m（3自然方，下同），其中土方開挖64.35萬m3，石方開挖102.25萬m3，填方61.60萬m3，余方105.00萬m3（松方146.21萬m3）。工程總投資29 996.27萬元，其中土建投資22 075.02萬元。工程于2020年8月開工，2022年1月完工，建設總工期18個月。

2.2 氣象特征

項目區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明。春季干旱多風，夏季雨量集中，冬季少雪干燥。多年平均氣溫13.3 ℃。多年平均降水量628.2 mm，降水量年內分配不均，降雨量主要集中在夏季，7月～9月降雨量占全年降水量的56.5%。多年平均蒸發量1999.1 mm。多年平均風速2.6 m/s，相應風向為NW。多年平均日照時數達2088.0 h，≥10 ℃積溫4899.2 ℃，無霜期236 d，最大凍土深度37 cm，最大積雪深度19 cm。

2.3 棄渣場布設

本工程沿線共設置11個棄渣場地，占地面積總計13.78 hm2，占地類型為林地，均屬于溝道型棄渣場，棄渣總量為146.21萬m3。棄渣場基本情況見表1。

表1 棄渣場基本情況表

3 排水設施設計

3.1 設計標準

（1）棄渣場級別。根據《水土保持工程設計規范》（GB 51018—2014），按照各渣場堆渣量、最大堆渣高度、渣場失事對主體工程或環境造成的危害程度，確定#3、#7、#8、#9棄渣場級別為3級，其余棄渣場級別為4級。

（2）排水工程級別及設計標準。根據《水土保持工程設計規范》（GB 51018—2014），#3、#7、#8、#9棄渣場排洪工程級別為3級；其余棄渣場排洪工程級別為4級。因工程地處國家級水土流失重點治理區，排洪工程級別提高1級，確定#3、#7、#8、#9棄渣場排洪工程級別為2級；其余棄渣場擋排洪工程別為3級。

（3）設計洪峰流量。根據《水土保持工程設計規范》（GB 51018—2014），并結合各渣場排洪工程級別，確定各渣場的防洪標準。根據各棄渣場的匯水面積，計算設計洪峰流量，具體見表2。

表2 棄渣場水土保持工程設計標準及防洪標準

3.2 排水設施布設

參照《水電工程棄渣場設計規范》（NB/T35111—2018），本工程棄渣場的排水設施主要包括渣體底部排水盲溝，馬道內側和渣頂前沿排水溝，渣頂和渣坡排（截）水溝，以及施工期臨時排水溝[8]。

（1）排水盲溝。溝底清表后，在渣場底部低洼處布設塊石排水盲溝，盲溝溝槽底寬1.0 m，頂寬2.0 m，兩側邊坡坡比1∶0.5，深1.0 m，延伸至下游擋渣墻。塊石回填后，在盲溝頂部鋪設土工布。

（2）馬道排水溝。在渣體馬道內側和渣頂前沿設置預制混凝土排水溝，將渣頂和坡面上的匯水引至渣場截水溝內，防止對渣體穩定產生影響。排水溝為矩形斷面，斷面尺寸為0.4m×0.5m（寬×深）。

（3）渣頂排（截）水溝。#1渣場、#4渣場和#10渣場上游側道路設置涵洞排水，涵洞出口高程高于棄渣場渣頂高程，設計在涵洞出口設置順接工程，在渣頂和渣坡設置排（截）水溝，將上游來水導入棄渣場排（截）水溝。

#5渣場、#6渣場、#7渣場和#9渣場上游側道路設置涵洞排水，涵洞出口高程低于棄渣場渣頂高程，設計在涵洞出口設置順接工程，在渣頂和渣坡設置排（截）水溝，排（截）水溝高程低于涵洞出口高程，將上游來水導入棄渣場排（截）水溝。

#2渣場、#3渣場、#8渣場和#11渣場不涉及道路涵洞，在渣頂和渣坡設置排（截）水溝，將上游來水導入棄渣場排（截）水溝。

排（截）水溝陡坡處設置階梯式跌水，末端布置消力池，最終排入下游天然溝道。

（4）臨時排水溝。棄渣堆放過程中，為防止雨季溝道集中地表徑流對棄渣場的沖刷，設計在雨季來臨前在渣頂和渣坡采取臨時排水溝進行排水，排水溝底部及兩側進行壓實，并鋪設塑料薄膜。

3.3 斷面尺寸計算

排（截）水溝斷面尺寸采用明渠均勻流公式確定，公式如下：

式中:Q為最大洪峰流量（m3/s）；A為過水面積（m）2，A=（b+mh）h，其中b為底寬（m），m為邊坡系數，h為深度（m）；C為謝才系數，用公式C=R1/6/n計算，其中n為糙率；R為水力半徑（m），R=A/S，其中S為濕周（m），為底坡。

排（截）水溝斷面尺寸計算情況見表3。

表3 排（截）水溝斷面尺寸計算成果表

排（截）水溝設計考慮30 cm安全超高，即排（截）水溝設計水深+30 cm為各排（截）水溝的斷面高度，同時根據排（截）水溝地形坡度，在排（截）水溝末端布置階梯式跌水，并在出口設置漿砌石消力池。

3.4 設計驗證

排水溝設計驗證主要包括設計過流能力和流速，具體包括：

（1）排水溝設計過流能力應≥設計洪峰流量，如設計過流能力小于設計洪峰流量，應重新進行設計，增大設計斷面。

（2）流速應同時滿足不沖不淤的要求，即排水溝設計流速≥最小允許流速（0.40 m/s），且≤最大允許流速（3～5 m/s）。如排水溝設計流速小于最小允許流速，應增大縱坡，提高流速；如排水溝設計流速大于最大允許流速，應減小縱坡降低流速，或者采取溝道加固措施。

3.5 其他應注意的問題

棄渣場的排水設施設計除滿足上述要求外，還需關注以下問題：

（1）排水溝宜布置在低洼地帶、并盡量利用天然溝道。

（2）排水溝之間及其與承泄河道之間的交角宜為30°～60°，出口宜采用自排方式。

（3）排水溝應分段設置跌水，末端設置消能設施，當坡度緩，流量小時，可用消力池消能；當坡度陡，流量大時，應采用多級跌水或加糙消能。

（4）排水溝比降取決于沿線地形、土質條件等，不宜小于0.5%。

（5）排水溝設計應符合因地制宜、因材制宜、便于施工和管理、造價低廉等要求。

4 結語

溝道型棄渣場排水措施是一個較為復雜的系統工程，本工程采用渣體內排水盲溝排除渣體內滲水，采用馬道和渣頂前沿排水溝排除渣面及渣坡匯水，采用周邊排（截）水溝排除溝道及渣體周邊匯水，采用渣頂臨時排水溝解決施工期的排水問題，各排（截）水措施之間相互連接，構成棄渣場的排水系統，最終將渣面匯水及溝道上游來水安全排泄至下游溝道，保證了棄渣場的安全，有效地減少了水土流失。