水力風力雙侵蝕地區棄渣場防治措施設計

［關鍵詞］

棄渣場；措施設計；水力侵蝕；風力侵蝕；甘肅玉門抽水蓄能電站

［摘" 要］

以甘肅玉門抽水蓄能電站下庫棄渣場為例，介紹了在項目區存在天然降水量小、土壤貧瘠、無植被存活條件等不利因素，且伴隨著風蝕水蝕雙侵蝕作用的情況下，棄渣場抗水蝕、風蝕的水土流失綜合防治措施。在抗水力侵蝕方面，主要在棄渣場下游末端、堆渣平臺左右兩側位置及棄渣場首部共設置4道擋渣墻，對棄渣場外圍因地制宜采用導排渠結合截水溝設計，對渣場平臺、馬道、下游采用排水溝及渣底預埋混凝土圓管涵等防洪排導措施；在抗風力侵蝕方面，主要結合項目區實際情況就地取材，利用現有較大粒徑的碎（塊）石進行地表壓蓋。從措施空間布局上看，能有效解決雙侵蝕地區水土流失的防治難題。

［中圖分類號］ S157.2" ［文獻標識碼］ B" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.11.021

［引用格式］ 詹銳生，胡利強.水力風力雙侵蝕地區棄渣場防治措施設計：以甘肅玉門抽水蓄能電站下庫棄渣場為例［J］.中國水土保持，2024（11）：85-88.

1" 工程簡況及棄渣場概況

1.1" 工程簡況

甘肅玉門抽水蓄能電站位于甘肅省玉門市境內，距玉門市區直線距離約40 km，距酒泉市區直線距離約150 km。電站裝機容量1 200 MW，額定水頭425 m。樞紐工程主要建筑物由上水庫、下水庫、地下輸水系統及地面發電廠房等組成，建成后承擔甘肅省電力系統調峰、填谷、儲能、調頻、調相、緊急事故備用等任務［1］，電站工程級別為Ⅰ等大（1）型。

1.2" 下庫棄渣場概況

工程下庫區經土石方平衡后共產生堆渣量約716.3萬m3（松方），運至下庫棄渣場統一堆置。下庫棄渣場位于下水庫東側北大窯溝內，屬于北大窯溝上游溝頭范圍，總占地面積52.44 hm2，最大堆渣高度96 m，渣場級別為1級，規模為特大型。下庫棄渣場平面布置見圖1。

1.2.1" 地形地質條件

下庫棄渣場布置在北大窯溝主溝道上游溝頭處，渣場堆填區利用北大窯溝主溝的中上游段，在主溝修筑攔渣壩，利用主溝、兩岸支溝及低矮山坳堆渣。堆渣區為溝、梁相間的地貌，地形起伏變化大。堆渣區主溝溝底高程為2 332～2 412 m，長1 075 m，平均坡降為7.5%，溝寬60～110 m。

堆渣區主要在沖溝內，溝谷較開闊，上、下游無建筑物分布。除溝底分布密實狀碎石土外，其余地段基巖多裸露，有白堊系下統泥質砂礫巖和志留系中-下統泥質砂礫巖，均為穩定巖體。堆渣區上游地段及堆填范圍均無地表水系分布，且沖溝常年干枯（短歷時暴雨除外）。地下水在溝底埋深12～15 m、兩岸山梁埋深大于30 m。區內除陡崖、陡坎見有崩落外，未見有大規?；?、不穩定塊體分布，且未見有較大規模的軟弱結構面分布。總體堆填區無不良地質現象發育，地層巖層穩定連續，作為堆渣區場地適宜。

1.2.2" 水文、氣象情況

項目區主要河流為疏勒河，該河為甘肅省河西走廊內流水系的第二大河，發源于祁連山脈西段托來南山與疏勒南山之間，匯集疏勒南山北坡諸冰川支流，入昌馬盆地。項目區屬溫帶干旱氣候和高寒半干旱氣候過渡區。根據實測資料統計，玉門市國家基本氣象站多年平均氣溫7.4 ℃，極端最高氣溫38.0 ℃，極端最低氣溫－35.1 ℃；多年平均降水量64 mm，多年平均水面蒸發量1 805.1 mm。受流域地理位置和地形影響，盛吹西北風，最大風速可達25.0 m/s［2］。

2" 棄渣場防治難點

1）水力及風力侵蝕共同作用下，水土流失防治難度大。項目區地處甘肅省河西走廊西部，屬于降水稀少、生態環境脆弱的裸地（荒漠戈壁）風沙區，土壤侵蝕類型以風力侵蝕為主，兼有水力侵蝕、凍融侵蝕，屬于以風力侵蝕為主的“三北”戈壁沙漠及沙地風沙區。在水力及風力的共同侵蝕作用下，雖然年均降水量較少，但是仍應考慮對短歷時暴雨進行及時疏導，同時實施有效的防風固沙措施以防治風蝕［3-5］。

2）泥石流災害對下庫棄渣場的影響。下庫棄渣場位于北大窯溝主溝道上游溝頭位置，溝內有一定規模的季節性泥石流。北大窯溝流域形態呈上大下小的樹冠狀，上游匯水面積大，下游溝口處逐漸收窄，是典型的溝谷形態泥石流溝。北大窯溝泥石流易發程度為中等，溝口100 a一遇泥石流規模為中型，流量為227.85 m3/s，一次最大沖出量為3.10萬m3。為安全起見，本著從嚴治理的原則，對泥石流進行重點設防［6-7］。

3）立地條件差，水土流失危害大，無植被生長條件。根據現場調查，項目區植被稀少，地表大部分被砂礫石所覆蓋；土壤貧瘠，現有土壤肥力較低且有機質含量較少，含氮量低，pH值呈微堿性［8］，表層多含礫石或卵石，礫石含量大于10%，其土壤質地、剖面構型、土壤有機質含量及土壤酸堿度情況等均不具備后續作為復綠覆土綜合利用的條件，且水分和土壤是限制植物生長的主要因子。因此，項目區施工結束后對現場施工跡地的恢復屬于水土流失防治的另一重點［9-11］。

3" 棄渣場防護設計

3.1" 堆渣方案

下庫棄渣場位于北大窯溝，劃分為上、下游兩個堆渣區，上游堆渣區堆放高程從2 334 m開始至2 408 m結束，下游堆渣區堆放高程從2 310 m開始至2 340 m結束。下游堆渣區于2 310 m高程處修建攔渣設施，墻頂高程2 320 m，2 320～2 340 m為渣場分級平臺堆置范圍，按每10～20 m高度設置一級馬道，馬道寬2 m，并設馬道排水溝，共布設1個分級平臺，平臺邊坡坡比1∶3，下游堆渣平臺高程為2 340 m；上游堆渣區于2 334 m高程處修建攔渣設施，墻頂高程2 344 m，2 344～2 408 m繼續采用自下而上分級平臺堆置，按每10～20 m高度設置一級馬道，馬道寬2 m，共布設4個分級平臺，第一級平臺邊坡坡比1∶3，第二級平臺邊坡坡比1∶2.75，第三、四級平臺邊坡坡比1∶2.5。

3.2" 攔渣工程

下庫棄渣場在啟用前，于下游末端坡腳布置第一道擋渣墻，編號擋渣墻A。下游堆渣區堆渣平臺形成后，于2 334 m高程堆渣范圍右側方位布設第二道擋渣墻，編號擋渣墻B，墻頂高程2 344 m；于左側方位布設第三道擋渣墻（依據地形高差具體實施），編號擋渣墻C，墻頂高程2 344 m。為預防上游泥石流發生，擬在渣場首部設置擋渣墻，編號擋渣墻D，采用重力式擋墻。擋渣墻A、B、C出露地面約8.0 m，基礎埋深2.0 m，頂寬1.5 m，墻背比1∶0.2，墻胸比1∶0.8；擋渣墻D出露地面約5 m，基礎埋深1.0 m，頂寬0.75 m，墻背比1∶0.2，墻胸比1∶0.3。棄渣場擋渣墻斷面設計見圖2。

3.3" 防洪排導工程

1）導排渠。下庫棄渣場級別為1級，按規范，設計防洪標準為100 a一遇洪水，相應洪峰流量為15.1 m3/s。為疏導棄渣場左側大面積匯水，在棄渣場右側設置導排渠，為明渠，梯形斷面，底寬3 m、深2 m，左側坡比1∶0.5、右側坡比1∶1。導排渠由渠道和急流槽組成，渠道長988 m，急流槽長419 m。導排渠斷面設計見圖3。

2）渣底涵管。渣場施工期導流標準采用20 a一遇洪水標準，洪峰流量7.8 m3/s。施工期在渣場底部設置直徑2 m的C30混凝土圓管涵主管，另布設直徑1 m的C30混凝土圓管涵支管，其中主管長1 260 m，支管長460 m。棄渣場排水涵管斷面設計見圖4。

3）截、排水溝。包括渣場上游的截水溝和渣場平臺、馬道及下游坡腳的永久排水溝。排水標準根據《水土保持工程設計規范》（GB 51018—2014）要求，按10 a一遇最大10 min短歷時設計暴雨確定。流量計算參照《水土保持工程設計規范》（GB 51018—2014）截排水工程設計流量計算確定，其中徑流系數取0.15，重現期轉換系數Cp取1.34，降雨歷時轉換系數Ct取1.0，5 a一遇10 min降雨量q5，10取1.0 mm/min，依據公式計算相應的截、排水溝設計流量。驗算后棄渣場截、排水溝斷面及過水能力計算結果見表1。棄渣場截水溝斷面設計見圖5，排水溝斷面設計見圖6。

3.4" 防風固沙工程

堆渣結束后，篩揀現場渣料粒徑較大的碎（塊）石作為壓蓋材料對棄渣場地表進行壓蓋，壓蓋材料就地取材［12］。防風固沙工程斷面設計見圖7。

3.5" 臨時防護工程

1）臨時攔擋。施工期堆渣期間于下庫棄渣場下邊坡坡腳布置鋼筋石籠臨時攔擋措施進行防護。

2）臨時苫蓋。施工期對下庫棄渣場堆填形成的裸露邊坡采取密目網苫蓋措施進行防護，以防風力侵蝕，同時雨季時可減少水土流失。

3）沉沙池。在下庫棄渣場下游排水溝末端布設沉沙池，兼具消能作用。

4）臨時灑水。對下庫棄渣場擾動的地面，在施工結束并土地整治后進行灑水，一方面抑塵，另一方面加速地表結皮的形成，以促進自然修復?？筛鶕數貙嶋H天氣情況具體調整灑水次數。

5）拉控制線。施工期對下庫棄渣場用地范圍拉控制紅繩，劃定區域，禁止施工人員及車輛隨意擾動此區域，以保護原地貌、減少水土流失。

3.6" 棄渣場穩定性分析計算

3.6.1" 擋渣墻穩定性計算

下庫棄渣場穩定性計算采用的地勘材料參數見表2，擋渣墻穩定安全系數計算結果見表3。計算結果表明，擋渣墻穩定安全系數滿足要求。

3.6.2" 邊坡穩定性計算

1）上庫施工區渣料由碎石、土組成，主要來自上庫大壩、庫岸庫盆開挖料及上庫區洞挖料，碎石料、土料分別占上庫總棄渣量的60%、40%，渣體凝聚力一般，排水性能較好。下庫施工區渣料由碎石、土組成，主要來自下庫大壩及下庫進出水口開挖料、下庫區洞挖料，碎石占主要成分，占比約70%，渣體凝聚力低，排水性良好，滲透系數高，可作為無黏性土考慮［13］。

2）在渣體的堆積過程中，粒徑較大的粒料將先到達溝底，這樣在渣體底部自然形成較好的排水墊層，對降低渣體浸潤線、提高渣體穩定性有利。

3）渣體不同于水工結構中經過層層碾壓的土石壩，在堆積過程中只經過運輸汽車和推土機械的初步碾壓，隨著時間推移，在自身重力及滲透水作用下會逐漸固結沉降，密實性會有所提高，這對渣體的穩定有利。

棄渣場巖體物理力學參數按相關技術規范，石方可用量自然安息角取38°，石方不可用量自然安息角取35°，覆蓋層自然安息角取25°。邊坡穩定性計算結果見表4，計算結果表明，渣體邊坡滿足穩定性要求。

4" 結束語

筆者以西北地區實例工程下庫棄渣場為例，結合項目區水力風力雙侵蝕的特征，介紹了棄渣場抗水蝕、風蝕的水土流失綜合防治措施。在棄渣場下游末端、堆渣平臺左右兩側位置及棄渣場首部共設置4道擋渣墻進行攔擋，堆渣前渣底預埋混凝土涵管以疏導上游來水，外圍及平臺、馬道、下游位置通過修建導排渠、截（排）水溝外排水，施工結束后篩揀現有較大粒徑的碎（塊）石進行地表壓蓋以防風蝕。從措施空間布局上看，攔渣工程、防洪排導工程、防風固沙工程能有效解決雙侵蝕地區水土流失的防治難題，可為同類渣場的防護提供技術借鑒。

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收稿日期： 2024-07-25

第一作者： 詹銳生（1985—），男，廣東惠來人，高級工程師，碩士，主要從事水土保持設計工作。

通信作者： 胡利強（1985—），男，湖南臨武人，高級工程師，碩士，主要從事水土保持設計工作。

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（責任編輯" 徐素霞）