陜南低山區排土場水土保持防洪排導措施配置模式

靳宇蓉,王 琦,高羽邦

(1.陜西環保集團生態建設管理有限公司,陜西 西安 710043; 2.北京新橋技術發展有限公司,北京 100088)

排土場亦被稱為廢石場,主要是指采礦類項目集中堆排廢棄物的場所,多建在山區。排土場堆積的大多為廢石、廢土,是一種巨型人工松散堆墊體,存在嚴重的安全隱患。排土場排土過程中極易破壞原始地形地貌,大量的松散堆積體在降雨時極易產生水土流失[1-2];水是排土場形成滑坡或泥石流的“潤滑劑”,是排土場穩定與否的敏感因素,排土場失穩會導致地質災害或重大工程事故發生,對排土場下游的設施造成嚴重威脅,同時會造成嚴重的水土流失,破壞生態環境[3]。因此,做好排土場防洪排導措施配置具有十分重要的意義。本研究以陜西省鎮安縣境內東陽鎢礦直溝排土場為例,著重論述排土場防洪標準的確定、水文計算過程、措施配置及優選等,以期為陜南低山區排土場水土保持措施配置提供科學依據。

1 概況

東陽鎢礦為鎢礦采選項目,露天+地下開采規模1 000 t/d,礦山總服務年限為15 a,場址位于陜西省商洛市鎮安縣月河鎮菩薩殿村,處于陜西省長江流域水土流失最為嚴重的陜南低山區,占地面積40.71 hm2,設置排土場兩處,分別為直溝排土場和內排排土場,其中直溝排土場為本次的研究對象。

直溝排土場位于直溝中游位置、沿溝道方向長約600 m處(見圖1),距離下游月河700 m,占地面積6.80 hm2,占地類型為坡耕地、農用地及其他草地。直溝是典型的“V”形溝谷,溝道走向呈近直線形,溝長約2.5 km,匯水面積約1.7 km2,溝內植被覆蓋率80%以上;直溝切割深10～30 m,高程850～1 600 m,整體地形北高南低,主溝縱坡坡降約22%,溝道整體較窄,溝底寬3～12 m;兩側山坡較陡,坡度40°～70°。直溝內無長流水,僅在汛期因雨水匯集而形成少量連續水流,水量較小;流域內出露巖性以厚層白云巖為主,表層風化較強烈,新鮮面巖石結構較完整。直溝溝頭及溝道兩側基本沒有松散堆積物,僅在溝道兩側道路邊有少量人工堆土,溝口處未發現有明顯扇形堆積區。

圖1 直溝排土場位置示意

直溝排土場渣料成分為土石混合物,土石比約為1∶2.33。排土場采用多平臺排土,排土標高1 070～1 190 m,共分6級排土平臺,每級平臺堆置高20 m、寬10 m、邊坡比1∶2.0,頂部平臺標高1 190 m、寬280 m;排土場總堆置高度120 m,有效容積110.31萬m3,總坡面角18.19°。經過安全穩定性分析,以上直溝排土場堆置方案可確保排土場安全穩定。

2 排土場等級及防洪標準

根據《水土保持工程設計規范》(GB 51018—2014),確定直溝排土場等級為二級,設計防洪標準為50 a一遇,校核標準為100 a一遇。

3 水文計算

直溝排土場水文計算采用匯水面積相關法與綜合參數法兩種方法進行。

1)匯水面積相關法,其計算公式為

QP=KPFn

(1)

式中:QP為設計頻率P的洪峰流量,單位m3/s;F為設計流域面積,單位km2;KP為設計頻率P的經驗參數;n為區內綜合經驗性指數。

采用式(1)計算直溝排土場洪峰流量,其結果見表1。

表1 匯水面積相關法計算結果

2)綜合參數法,其計算公式為

QP=KPFnJαHPβ

(2)

式中:J為主河道平均比降;HP為設計頻率P的點暴雨量,單位mm;α、β為區內綜合經驗性指數;其余字母含義同前。

采用式(2)計算直溝排土場洪峰流量,其結果見表2。

表2 綜合參數法計算結果

由表1、表2可知,按匯水面積相關法計算,直溝排土場洪峰流量較大,從防洪安全上考慮,防洪排導措施設計時,應采用表1計算結果,即設計洪峰流量為51.18 m3/s,校核流量為61.84 m3/s。

4 防洪排導措施配置

4.1 配置方案

排土場防洪排導措施的配置,應在充分研究排土場水文地質資料及現場勘查的基礎上開展。針對直溝排土場,提出了三種措施配置方案。

1)方案一。在排土場下游修建砌石攔渣壩;在左右岸修建排洪溝,沿排土場溝底設置盲溝,邊排土邊修筑邊界排洪溝,沿排土場平臺設置平臺排水溝;在下游出口處修建消力池消能;對渣面及平臺進行綠化。

2)方案二。在排土場下游修建砌石攔渣壩;在排土場上游兩條支溝溝口處修建截洪壩,配置排洪隧洞及豎井,將排土場上游來水通過排洪隧洞排至排土場西側溝道內;沿排土場溝底設置盲溝,邊排土邊修筑邊界排洪溝,沿排土場平臺設置平臺排水溝;在下游出口處修建消力池消能;對渣面及平臺進行綠化。

3)方案三。在排土場下游修建砌石攔渣壩;在排土場上游邊界處修建攔洪溢流壩,將上游來水攔擋后導入左右岸排洪溝排至下游;沿排土場溝底設置盲溝,邊排土邊修筑邊界排洪溝,沿排土場平臺設置平臺排水溝;在下游出口處修建消力池消能;對渣面及平臺進行綠化。

直溝排土場三種防洪排導措施配置明細見表3。

表3 直溝排土場三種防洪排導措施配置方案明細

4.2 排洪溝尺寸設計

直溝排土場防洪排導三種措施配置方案有所不同,導致排土場流水的走向不同、排洪溝過水流量不同,因此針對不同方案,設計排洪溝尺寸。

1)方案一中,直溝排土場上游無攔水設施,溝道來水僅靠排土場邊界排洪溝導排,因此邊界排洪溝的尺寸應滿足下泄流量的要求。依據設計洪峰流量51.18 m3/s、校核流量61.84 m3/s,以及達西定律進行演算,排洪溝尺寸見表4。

表4 方案一排洪溝尺寸

2)方案二中,在上游支溝修建截洪壩,將上游溝道來水通過涵洞和豎井排至相鄰溝道內,緩解上游來水對排土場造成的影響,因此上游來水僅需考慮截洪壩以下至排土場兩側山坡來水。截洪壩下游至直溝排土場兩側山坡匯水面積均為0.25 km2,根據匯水面積相關法計算,Q2%=17.29 m3/s,Q1%=20.90 m3/s。根據設計的來水流量演算排洪溝的尺寸,其結果見表5。

表5 方案二排洪溝尺寸

3)方案三中,在直溝排土場上游修建攔洪溢流壩,將上游來水均勻地導流至直溝排土場左、右岸排洪溝,因此左、右岸排洪溝的過流能力需滿足設計的洪峰流量(Q2%=51.18 m3/s、Q1%=61.84 m3/s)的一半,即Q設2%=25.59 m3/s,Q校1%=30.92 m3/s。根據設計的來水流量演算排洪溝的尺寸,其結果見表6。

表6 方案三排洪溝尺寸

5 防洪排導措施比選

在確保排土場安全運行、建筑材料統一采購的情況下,結合最終造價確定直溝排土場防洪排導措施配置的最優模式。對三種防洪排導措施方案經濟性及優缺點進行對比分析,其結果見表7。

表7 直溝排土場防洪排導措施方案比選

由表7可知,方案三安全性高,施工相對容易,造價適中,故優選此方案。

6 結論

1)根據直溝排土場兩種水文計算方法,通過匯水面積相關法計算的洪峰流量大于通過綜合參數法計算的,實際工程應用中應選取較大的洪峰流量作為設計標準。

2)直溝排土場三種防洪排導措施配置方案中,配套的防洪建筑物種類越多(方案二),渣場安全性越高,施工也相應更復雜,造價更高,而其配套的排洪溝尺寸卻較小,這是由于其他防洪建筑物分流導流,排洪溝的排洪負擔相應減輕;直溝排土場上游無擋水、攔水建筑物時(方案一),會導致兩側排洪溝承擔的排洪流量較大,排洪溝尺寸相應較大,如排土場上游來水較大時,將直接進入渣體,對排土場安全造成隱患;直溝排土場上游配套的防洪建筑物僅有擋水建筑物時(方案三),兩側排洪溝尺寸適宜,不僅可確保渣體的穩定,而且造價適中,可在工程中推廣應用。