某水利樞紐工程溝道型棄渣場選址及防護方案研究

李瑞鴻，李躍強

(1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.河北省水利水電勘測設計研究院集團有限公司，天津 300220)

0 引言

黃河流域某水利樞紐工程采用一級開發高壩方案，土石方開挖工程量大，棄渣量大，工程區地貌主要為高山峽谷，兩岸山坡為陡峭的弧形山地，棄渣場選址困難[1-3]；由于黃河兩岸山體陡峻，沖溝比降大，地表徑流呈短時峰高量大的特點，棄渣場防護措施布設難度大。以上問題對工程設計的安全經濟合理性至關重要，需在項目前期對棄渣場選址及防護方案進行專題研究[4-6]。結合主體工程土石方平衡設計確定的棄渣量，本工程確定了4處適宜的棄渣場位置。本文主要針對其中的2#棄渣場開展選址、防護方案比選和設計工作，最終確定了最優的防護方案。

1 工程概況

黃河流域某水利樞紐工程位于西北地區黃河干流上，壩址以上控制流域面積25.2萬km2，多年平均天然年徑流量317.9億m3，占黃河流域天然徑流量的65%。

工程總庫容為117.45億m3，電站裝機容量為2600MW，工程等別為Ⅰ等，工程規模為大(1)型。樞紐工程主要建筑物包括擋水建筑物、泄水排沙建筑物、發電引水建筑物、發電廠房及開關站、供水建筑物、過魚建筑物等。大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高為188.00m。水庫正常蓄水位1380m，相應庫容為114.51億m3，設計洪水位1373.82m，死水位1330m，相應死庫容為13.62億m3。

2 項目區自然條件

工程區屬于西北黃土高原區，土壤侵蝕類型主要為水力侵蝕，兼有風力侵蝕，侵蝕強度以輕度為主。根據現場調查，工程區原地貌土壤侵蝕模數約為2350t/(km2·a)。根據SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》[7]，工程區容許土壤流失量為1000t/(km2·a)。

3 棄渣場選址合理性分析

本工程4#棄渣場為坡地型棄渣場，1#～3#棄渣場均為溝道型棄渣場，這4處棄渣場均位于壩址下游，經分析棄渣場選址均滿足棄渣場的約束性規定，不存在水土保持制約性因素?？紤]篇幅限制，本文選取其中堆渣量大、最大堆渣高度大、棄渣場級別較高的2#棄渣場為例對其選址合理性進行說明。

(1)該棄渣場選址不涉及生態紅線、生態公益林、自然保護區、飲用水源保護區、風景名勝區、永久基本農田保護區等環境敏感區域，也未設置在河湖管理范圍及水庫淹沒區內。

(2)該棄渣場類型為溝道型，選址盡可能與施工場地布置相結合，棄渣場運輸相對便利，在滿足安全的前提下，選擇主體工程附近右岸溝道內棄渣，最大限度地縮短了棄渣道路長度，節約了占地，符合水土保持要求。

(3)該棄渣場占地類型主要為草地，選址遵循了“少占壓耕地，少損壞水土保持面積”的原則，保護了當地居民的生產生活條件，減少了棄渣場設置對區域水土保持的影響。

(4)該棄渣場地質條件總體較好，承載力滿足上覆荷載要求。根據地勘報告，該棄渣場場區內不良地質作用弱發育，地質災害危險性低，渣場場地基本穩定，場地整體適宜性為較適宜。

(5)該棄渣場所在沖溝地表水系較發育，洪水對棄渣場有一定影響，但在采取了安全可靠的防洪排導工程后，可有效解決洪水對棄渣場造成的不利影響。

其作用主要是強調了這場愛情的悲劇性，突出妻子的無結果付出的可悲情感，特意重復使用大段落，使得這種情緒更溢出聽者心房。

(6)該棄渣場下游1km范圍內無公共設施、工業企業、居民點等重要設施，沒有布設在對重要基礎設施、人民群眾生命財產安全及行洪安全有重大影響的區域；在堆渣前采取攔擋工程、防洪排導工程等有效的防護措施，堆渣過程中分層進行碾壓后，可保障棄渣場安全穩定。

綜上所述，2#棄渣場基本符合GB 50433—2018《生產建設項目水土保持技術標準》[8]、SL 575—2012《水利水電工程水土保持技術規范》[9]及其補充技術要點(水總環[2019]635號)中關于棄渣場選址的約束性規定，不存在水土保持制約性因素；2#棄渣場場區自然山坡穩定性較好，有利于長期堆渣，且周邊交通條件較好，下游1km范圍無重要保護對象，棄渣場容量也滿足工程堆渣需求；同時該棄渣場也具備采取有效水土保持防護措施的條件，因此符合水土保持要求。

4 棄渣場防護措施研究

2#棄渣場防護措施布局為：在堆渣坡腳修建攔擋工程，在堆渣區域內布置排洪設施，根據溝道分布情況在棄渣場上游布置攔洪壩和攔沙壩，在最終堆渣邊線周邊布設截水溝，在馬道及堆渣頂面上分別布設馬道排水溝和堆渣頂面排水溝，棄渣結束后在最終堆渣斜邊坡采取斜坡防護工程，施工期間設置臨時排洪設施度汛。

4.1 攔擋工程比選和設計

4.1.1攔擋工程比選

結合地形條件，分別選取混凝土重力壩、均質土壩、透水堆石壩、格賓石籠攔渣壩4種壩體型式進行分析。

從地形地質條件、筑壩材料、排水條件、施工條件、安全性、投資綜合分析，均質土壩方案和透水堆石壩方案較優，但考慮到均質土壩壩身不透水，施工期間堆渣區域需另外設置排洪設施，投資增加較多，且一旦堆渣區域滲水排放不及時，將會對土壩壩體穩定造成威脅，因此確定攔擋工程型式采用透水堆石壩型式。

4.1.2攔擋工程設計

在堆渣坡腳修建攔渣壩，壩體結構型式采用透水堆石壩，壩高為35.0m，壩底高程1250.0m，壩頂高程1285.0m，壩頂寬6.0m，上游坡比1∶2，下游坡比1∶2，壩長174m，上游坡設置1層500g/m2的土工布作為反濾層，土工布2側分別用20cm厚和30cm厚碎石作為保護層，最外層設置40cm厚的干砌石護坡。攔渣壩建設前應清除壩肩及壩基表面風化土層及植物層，設計要求攔渣壩壩基坐落在碎石土層上，并在壩基設置2層500g/m2的土工布作為反濾層。攔渣壩典型斷面圖如圖1所示。

圖1 攔渣壩典型斷面圖

4.2 防洪排導工程比選和設計

4.2.1防洪排導工程比選

2#棄渣場位于壩址下游右岸某沖溝內，匯流面積較大，施工期間受洪水影響較大，沖溝100年一遇最大洪峰流量為115.4m3/s。防洪排導方式一般多采用截洪溝、溢洪道、排洪涵洞、暗管或排洪隧洞等型式，考慮到該棄渣場洪峰流量大，不適宜采用截洪溝排洪，亦不具備布設溢洪道的條件，為疏導和攔截棄渣場上游匯水，擬采用地下排洪方式，即布置排洪涵(隧)洞進行排洪涵，排洪涵(隧)洞入口修建1座攔洪壩；為減少攔洪壩前淤積泥沙，減少進入排洪系統的泥沙量，在上游依次布置2座攔沙壩。地下排洪方式在棄渣期間可滿足臨時導流的需要。

考慮到排洪隧洞方案長度較長，且地質條件較排洪涵洞方案復雜，施工難度較大，而排洪涵洞方案采用明挖，施工工期易于保證，且排洪涵洞方案投資也較低，因此確定防洪排導工程型式采用排洪涵洞方案。

4.2.2防洪排導工程設計

(1)排洪涵洞

為減少排洪涵洞距離、優化水流條件，排洪涵洞隨溝底布設，并穿過高程1336m的埡口通向下游再繼續沿溝底布設。排洪涵洞采用單孔箱涵泄洪，單孔凈斷面尺寸為3.7m×3.7m(寬×高)。

(2)攔洪壩

為疏導和攔截棄渣場上游匯水，根據地形條件和匯水規律在棄渣場上游修建1道攔洪壩。攔洪壩為重力壩，壩頂高程1331m，壩基高程1320.5m，壩高10.5m，壩頂寬度2m，上游壩坡坡比1∶0.1，下游壩坡坡比1∶0.6，壩頂長度41m，沿壩軸線每隔10m設置一道橫縫，縫寬2cm，縫內設置止水。攔洪壩典型斷面圖如圖2所示。

圖2 攔洪壩典型斷面圖

(3)攔沙壩

為減少攔洪壩前淤積泥沙，從而減少進入排洪系統的泥沙量，根據地形條件在攔洪壩上游分別修建2道攔沙壩，均為混凝土重力壩。其中，1#攔沙壩壩頂高程1336m，壩基高程1330.5m，壩高5.5m，壩頂寬度1.5m，上游壩坡坡比1∶0.7，下游壩坡坡比1∶0.1，壩頂長度83.6m，2#攔沙壩壩頂高程1333m，壩基高程1327.5m，壩高5.5m，壩頂寬度1.5m，上游壩坡坡比1∶0.7，下游壩坡坡比1∶0.1，壩頂長度63.5m，排水管、分縫、溢流口設置要求同1#攔沙壩。1#欄沙壩。1#和2#攔沙壩斷面圖分別如圖3—4所示。

圖3 1#攔沙壩斷面圖

圖4 2#攔沙壩斷面圖

(4)坡面排水工程

為防止降雨及坡面匯水沖刷渣面，同時排出最終渣面匯水，沿棄渣場周邊修建截水溝，沿每級馬道設置一道馬道排水溝，沿渣頂面每50m設置一道坡面排水溝，馬道排水溝和坡面排水溝兩端接入截水溝，其組成的排水系統將匯水平順引入攔渣壩下游天然溝道內，排水系統均采用混凝土結構。經計算，截水溝采用矩形斷面，側壁和底厚均為0.3m，斷面尺寸為2.2m(寬)×2.2m(高)，共布設截水溝長度3900m；馬道排水溝采用矩形斷面，斷面尺寸為0.5m(寬)×0.5m(高)，側壁和底厚均為0.2m；堆渣頂面排水溝采用矩形斷面，斷面尺寸為0.5m(寬)×0.5m(高)，側壁和底厚均為0.2m，共布設馬道排水溝1740m，堆渣頂面排水溝480m。

4.3 斜坡防護工程設計

堆渣結束后，在堆渣外邊坡采取C30混凝土框格梁植草護坡，護坡面積為5.47hm2?？蚋窳翰捎萌俗中谓厮徒Y構，由流水槽和人字形骨架組成，流水槽截面尺寸為0.8m×0.4m(寬×深)，中間設0.3m×0.1m(寬×深)的排水溝；人字形骨架截面尺寸為0.5m×0.4m(寬×深)，骨架外緣設10cm高排水凸坎，將坡面集水匯入流水槽，流水槽排入馬道排水溝內，坡頂布置0.7m寬混凝土封頂，并與渣頂排水溝相結合；在棄渣場堆渣頂面植喬灌草恢復植被，綠化面積19.22hm2，喬木選擇樟子松、刺槐行間混交，株行距3m×3m，灌木選擇沙棘，株行距2m×2m，草種選擇紅豆草、披堿草，混播比例1∶1，撒播量為100kg/hm2。

4.4 臨時防護工程設計

考慮到2#棄渣場規模較大，施工期較長，需加強施工期間的臨時防護措施。每年汛前結合棄渣排放能力，在堆渣區域的兩側各預先修建臨時排洪渠，排洪渠采用鉛絲石籠護砌，凈斷面尺寸均為1.2m(寬)×1.0m(高)，外側鋪設一層復合土工膜進行防滲，有利于保證棄渣場防洪安全。

5 棄渣場穩定性分析

2#棄渣場穩定性分析包括棄渣場整體穩定性分析和堆渣邊坡穩定性分析。采用摩根斯頓-普賴斯法進行計算，經計算，棄渣場的整體抗滑穩定安全系數和堆渣體邊坡抗滑穩定安全系數在各種工況(正常運用工況、地震工況、連續降雨工況)下均滿足規范要求，不存在棄渣場整體滑動和堆渣體邊坡滑動破壞的風險。

6 結語

本文介紹了黃河流域某水利樞紐工程棄渣場的選址過程，對其選址合理合規性進行充分論證，并以其中的2#棄渣場為例，提出了溝道型棄渣場規劃設計要點，可以為今后類似工程棄渣場的規劃設計和實施提供參考。對于匯流面積大、洪峰流量大的棄渣場，推薦采用透水性攔擋工程，以加快棄渣場場區內排水；合理可行的防洪排導方案是確保棄渣場安全穩定的關鍵因素之一，應綜合地形地貌、水文、地質及施工等多方面的因素確定適宜的防洪排導設計方案；斜坡防護工程推薦采用工程與植物相結合的綜合護坡型式，以更好地防治水土流失，體現生態治理的理念；對于規模大、施工期長的棄渣場，需加強施工臨時排洪設施，以提升棄渣場在施工期間的安全穩定性。