攔溝型棄渣場(chǎng)水土保持措施設(shè)計(jì)

趙 鴻，寇曉梅，李紅星

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710065)

近年來(lái)，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，大量的公路、水電和礦山等開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目緊緊抓住西部大開發(fā)、災(zāi)后重建和擴(kuò)大內(nèi)需等契機(jī)，在秦巴山地迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇。然而，由于受地形地貌、地質(zhì)和施工(運(yùn)距)等條件的限制，該區(qū)域的各類建設(shè)項(xiàng)目不可避免地將產(chǎn)生的大量棄渣(尾礦)堆棄于溝道內(nèi)，形成溝道型棄渣場(chǎng)。按照棄渣在溝道中的具體堆放位置及與溝中水流相對(duì)位置的不同，溝道型棄渣場(chǎng)可細(xì)分為攔溝型棄渣場(chǎng)、順溝型棄渣場(chǎng)和填溝型棄渣場(chǎng)［1］。

本文以秦巴山地鎮(zhèn)安抽水蓄能電站西磨溝攔溝型棄渣場(chǎng)為例，分析了攔溝堆渣可能產(chǎn)生的水土流失危害，詳細(xì)闡述了一套適用于具有較大設(shè)計(jì)洪水流量、地形地質(zhì)條件復(fù)雜的攔溝型棄渣場(chǎng)的水土保持措施體系。該措施體系在保障棄渣場(chǎng)安全運(yùn)行的同時(shí)，也為區(qū)域生態(tài)景觀修復(fù)奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 棄渣場(chǎng)概況

西磨溝棄渣場(chǎng)為鎮(zhèn)安抽水蓄能電站規(guī)劃的唯一棄渣場(chǎng)，棄渣場(chǎng)布設(shè)于下庫(kù)月河右岸的西磨溝溝內(nèi)，距離西磨溝溝口約1.35 km，溝口距下水庫(kù)壩址約2.0 km，距下游月河鎮(zhèn)約5.0 km。棄渣場(chǎng)地勢(shì)總體西南高、東北低，植被覆蓋率大于80%;兩岸山體陡峻，局部近似直立，巖性為震旦系燈影組條紋條痕大理巖和花崗閃長(zhǎng)巖，溝底寬度一般8.0 m～20.0 m，溝床縱比降約11.6%;溝底覆蓋層物質(zhì)為塊碎石及砂卵石夾大塊石層，溝谷兩側(cè)有洪積臺(tái)地;溝底局部有架空，局部巖溶現(xiàn)象發(fā)育。

西磨溝為常年性流水溝，常流量約0.5 m3/s，溝內(nèi)發(fā)育有東磨溝和陳家坡溝兩個(gè)沖溝。棄渣場(chǎng)布設(shè)于東、西磨溝匯合口下游。根據(jù)水文計(jì)算成果，棄渣場(chǎng)處匯水面積 10.7 km2，10 a、20 a、50 a、100 a 一遇洪水設(shè)計(jì)成果分別為118 m3/s、150 m3/s、179 m3/s和231 m3/s。

根據(jù)工程棄渣規(guī)劃并結(jié)合西磨溝地形地質(zhì)條件，棄渣場(chǎng)占地面積 7.11 hm2，堆渣總量 298.0萬(wàn)m3，棄渣攔溝堆放并與下游中轉(zhuǎn)料場(chǎng)相連布設(shè)，堆渣高程892.0 m ～990.0 m，棄渣分層厚度1.0 m，每10.0 m高差設(shè)一2.0 m寬?cǎi)R道，棄渣按邊坡1∶1.75堆放。

2 攔溝型棄渣場(chǎng)水土流失危害

攔溝型棄渣場(chǎng)由于渣體堆放方向與溝道來(lái)水方向垂直，阻斷了溝水排泄通道，在棄渣場(chǎng)上游蓄積了大量溝道來(lái)水，并淤積抬高溝床，如果處理不當(dāng)，將頻繁出現(xiàn)“小洪水、高水位、多險(xiǎn)情”的嚴(yán)峻局面。一旦失事，在降雨和上游來(lái)水等外營(yíng)力作用下，渣體內(nèi)部凝聚力、粘聚力等物理參數(shù)降低［2］、渣體浸潤(rùn)曲線抬高，導(dǎo)致渣體失穩(wěn)，將造成嚴(yán)重的水土流失，更有甚者可能誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)危害。

3 水土保持措施體系及防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)西磨溝棄渣場(chǎng)建設(shè)施工活動(dòng)引發(fā)水土流失的特點(diǎn)和可能造成的危害程度，本方案水土保持措施體系布設(shè)遵循“治理措施布局合理、技術(shù)指標(biāo)可行、方案實(shí)施后經(jīng)濟(jì)有效”的原則，將工程措施、植物措施和臨時(shí)防護(hù)措施有機(jī)結(jié)合，形成工程完整的水土保持措施體系［3］。具體表現(xiàn)為:棄渣前，按照“先攔后棄”的原則，先期實(shí)施工程攔擋、排洪等工程措施，以控制集中、高強(qiáng)度的水土流失;施工過程中及時(shí)實(shí)施有效的臨時(shí)防護(hù)措施，以盡量減少新增水土流失量;棄渣結(jié)束后，結(jié)合棄渣場(chǎng)立地條件，采取喬灌草結(jié)合的植物措施，恢復(fù)和改善區(qū)域生態(tài)景觀。

由于西磨溝棄渣場(chǎng)為大型、攔溝型棄渣場(chǎng)，所有工程措施均為永久性建筑物，其等級(jí)和防洪標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮設(shè)計(jì)規(guī)范要求、棄渣場(chǎng)規(guī)模、周圍防護(hù)對(duì)象的重要性等來(lái)確定［4］。西磨溝棄渣場(chǎng)水土流失防治措施體系及防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)見表1［5］。

表1 西磨溝棄渣場(chǎng)水土保持措施體系及防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)一覽表

4 水土保持措施設(shè)計(jì)

4.1 工程措施

4.1.1 攔擋工程

西磨溝棄渣場(chǎng)攔擋工程包括上游漿砌石重力攔洪壩［6］和下游漿砌石重力擋墻。

攔洪壩布設(shè)于東磨溝和西磨溝匯合口的下游、棄渣場(chǎng)的上游坡腳處，壩頂高程940.0 m，溝底段壩體建基高程 926.0 m，最大壩高 14.0 m，壩頂長(zhǎng)141.24 m，共分為6個(gè)壩段，每個(gè)壩段長(zhǎng)20.0 m ～28.0 m等;壩頂寬4.0 m;上游壩坡鉛直，下游壩坡1∶0.65。溝底段壩體基礎(chǔ)為砂卵礫石層，滲透系數(shù)較大，為強(qiáng)透水層。擋水壩修筑前，應(yīng)先清除壩體基礎(chǔ)表面松動(dòng)石塊、凹?jí)K積土和孤石，并開挖至砂卵礫石層以下1 m，使基礎(chǔ)面大致平坦;為加強(qiáng)壩基與卵礫石層間的結(jié)合，提高地基抗滑穩(wěn)定性和抗?jié)B性，建基高程以上設(shè)1.0 m厚C15混凝土墊座。

堆渣結(jié)束后，在棄渣場(chǎng)下游側(cè)渣體坡腳修建M7.5 漿砌石擋渣墻，擋渣墻高 3.0 m，頂寬 1.0 m，面坡傾斜坡度為0.3，背坡垂直。漿砌石擋渣墻頂高程894.0 m，基礎(chǔ)埋深 1.0 m，墻體內(nèi)布設(shè) Φ80 mmPVC排水管，間距2.0 m，排水管始端用土工布包裹。擋墻修筑前先將墻底埋深高程以上的覆蓋層清除，確保墻體基礎(chǔ)為塊石、碎石層。

4.1.2 排洪工程

鑒于西磨溝棄渣場(chǎng)和中轉(zhuǎn)料場(chǎng)相連布設(shè)，故工程占地范圍內(nèi)排洪設(shè)計(jì)一并考慮。排洪隧洞進(jìn)口設(shè)在棄渣場(chǎng)攔洪壩左側(cè)壩前30.0 m處的山體內(nèi)，出口設(shè)在溝道左側(cè)下游。為保證排洪隧洞的運(yùn)行安全可靠，隧洞設(shè)計(jì)采用無(wú)壓洞型式。

根據(jù)渣場(chǎng)范圍以及實(shí)際地形，排洪隧洞洞線全長(zhǎng)約764.0 m，布置上分為引渠段、進(jìn)口漸變段、洞身段、出口段、出口消能段等。其中引渠段長(zhǎng)12.0 m，首斷面底板高程931.0 m，側(cè)邊墻墻頂高程940.0 m。進(jìn)口段長(zhǎng)10.0 m，斷面為城門洞型，斷面尺寸5.0 m ×7.5 m，底坡為 7.4%，鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度1.0 m。進(jìn)口漸變段長(zhǎng)20 m，首斷面為城門洞型，斷面尺寸5.0 m×7.5 m，末斷面亦為城門洞型，斷面尺寸4.5 m ×6.0 m，底坡為 7.4%，鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.5 m。洞4身段長(zhǎng)724.0 m，平面布置上有兩個(gè)彎段，1#彎段轉(zhuǎn)彎半徑40 m，轉(zhuǎn)角 50°，2#彎段轉(zhuǎn)彎半徑 40.0 m，轉(zhuǎn)角 25°，斷面為城門洞型，斷面尺寸 4.5 m ×5.5 m，底坡為7.4%，鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度0.5 m。出口段長(zhǎng)10.0 m，斷面為城門洞型，斷面尺寸4.5 m×5.5 m，底坡為7.4%，鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度1.0 m，隧洞出口高程872.8 m。出口消能段長(zhǎng)20.0 m，底坡為2%，末端設(shè)置齒墻防止回流淘刷，兩側(cè)邊墻墻頂高程882.0 m。出口消能段下游采用塊石護(hù)底。

4.1.3 護(hù)坡工程

棄渣過程中由低到高，按設(shè)計(jì)體型，先外后內(nèi)分層壓實(shí)，分層厚度1.0 m，每10 m高差設(shè)一2 m寬?cǎi)R道，棄渣結(jié)束后及時(shí)清坡，使其以邊坡1∶1.75穩(wěn)定堆放。在漿砌石擋墻頂至渣頂高程范圍內(nèi)采用三維植被網(wǎng)護(hù)坡防護(hù)。三維植被網(wǎng)采用EM5型NSS塑料三維土工網(wǎng)，其縱橫向拉伸強(qiáng)度不低于3.2 kN/m，抗老化等級(jí)應(yīng)達(dá)到Ⅲ級(jí)。三維植被網(wǎng)墊鋪設(shè)后，自坡頂向下充填土壤和肥料，并采用液壓噴播機(jī)將混有種籽、肥料、土壤改性劑和水的混合物均勻噴灑在坡面上。

4.1.4 截排水措施

為防止降雨及坡面匯水沖刷渣體，在棄渣場(chǎng)堆渣范圍外山體兩側(cè)基巖上開挖截水溝，開挖后形成的截水溝表面用水泥砂漿抹平。截水溝體型為梯形斷面，底寬 0.7 m，深0.7 m，坡比 1∶0.5，底坡坡降為0.01。截水溝上游出口設(shè)于攔洪壩前緣，通過排洪隧洞排泄，下游與西磨溝原排洪溝道順接。同時(shí)在渣頂前后緣及馬道內(nèi)側(cè)設(shè)置矩形漿砌石排水溝，排水溝深 0.4 m，底寬0.4 m。

4.1.5 土地整治措施

棄渣結(jié)束后，渣頂將形成面積約3.03 hm2的平緩大平臺(tái)，從水土保持綜合治理角度出發(fā)，將采取土地整治措施和植被恢復(fù)措施以綠化美化環(huán)境。土地整治措施包括場(chǎng)地平整和覆土兩部分。渣場(chǎng)坡面、頂面進(jìn)行場(chǎng)地平整后，全部覆土，按照土地恢復(fù)功能，綠化覆土厚度按0.3 m考慮，土料全部來(lái)源于工程施工前剝離的表層腐殖土。

4.2 植物措施

4.2.1 立地條件分析

項(xiàng)目區(qū)屬北亞熱帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)氣候區(qū)，區(qū)域氣候溫和、四季分明、雨量較多，氣候條件適宜林草植物生長(zhǎng)，渣頂經(jīng)過土地整治，地形較平緩，形成面積約3.03 hm2的平緩大平臺(tái)，地形條件有利于蓄水保墑，適合植物措施的實(shí)施。但從土壤組成看，渣體中棄石多，棄土少，土壤養(yǎng)分貧瘠，對(duì)植物生長(zhǎng)不利，需經(jīng)必要的土壤改良措施后，才能成為宜林地類。

4.2.2 立地改良措施

為了提高土壤肥力、肥效，防止養(yǎng)分下滲，在棄渣場(chǎng)覆土層底部設(shè)置一層透水率較低的防滲層，防滲層由厚度不低于0.3 m的黏土、沙子、發(fā)泡劑和水等復(fù)合組成。防滲層鋪設(shè)前，先覆一層土石渣，土石渣粒徑不小于1.5 cm，并適當(dāng)壓實(shí)，作為基礎(chǔ)過渡層，防滲層鋪設(shè)完畢后進(jìn)行覆土。為提高苗木成活率，對(duì)棄渣場(chǎng)覆土層進(jìn)行蓄水保肥處理，蓄水保肥處理采取保水劑和保水緩釋肥，其中保水劑用量3.5 g/m2～5 g/m2，保水緩釋肥用量12 g/m2～15 g/m2，蓄水保肥措施在植被種植時(shí)進(jìn)行。

4.2.3 植物配置

考慮“區(qū)域生態(tài)景觀修復(fù)應(yīng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)，適地適樹和當(dāng)?shù)匚锓N優(yōu)先”，渣頂平臺(tái)植被恢復(fù)采用喬灌草結(jié)合，以形成結(jié)構(gòu)合理穩(wěn)定和功能高效協(xié)調(diào)的水土保持林模式。其中渣頂四周采取灌草配置，渣頂內(nèi)部平臺(tái)以喬木為主體;喬木選擇鎮(zhèn)安板栗，株行距為2 m×2 m，灌木選擇紫穗槐，株行距為1 m×1 m，草種選擇紫花苜蓿和火絨草，草籽播種量為20 g/m2，種子混合比例為1∶1。造林后，實(shí)施封育保護(hù)與撫育管理相結(jié)合的管護(hù)措施，并加強(qiáng)對(duì)病蟲害的監(jiān)測(cè)及防治。

4.3 臨時(shí)防護(hù)措施

考慮施工后期綠化覆土需要，工程棄渣前，先將棄渣場(chǎng)占地范圍內(nèi)耕地的表層耕作土實(shí)施剝離，平均剝離厚度約0.3 m。剝離的表土采取集中堆放和臨時(shí)攔擋、壓護(hù)、排水和綠化措施。

堆渣期間，為防止渣體滾落影響下游中轉(zhuǎn)料場(chǎng)施工，在棄渣場(chǎng)下游坡腳設(shè)置鋼筋石籠擋墻進(jìn)行臨時(shí)攔擋，鋼筋石籠擋墻高3.0 m，頂寬1.0 m。

5 結(jié)語(yǔ)

棄渣場(chǎng)是開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失發(fā)生、發(fā)展和防治的重點(diǎn)區(qū)域。具有地形地質(zhì)較復(fù)雜、設(shè)計(jì)洪水流量較大、立地條件差等特點(diǎn)的攔溝型棄渣場(chǎng)，一旦失事，水土流失后果最為嚴(yán)重。本文分析了其可能產(chǎn)生的水土流失危害，有針對(duì)性的進(jìn)行了攔擋、排洪、坡面防護(hù)、臨時(shí)防護(hù)以及植被綠化美化等措施設(shè)計(jì)，這些措施實(shí)施后可有力保障主體工程的順利建設(shè)，有利于區(qū)域生態(tài)景觀修復(fù)。也可為具有類似特征的攔溝型棄渣場(chǎng)防護(hù)措施設(shè)計(jì)提供借鑒價(jià)值。

［1］周天佑，卿太明.四川省開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目棄渣量、棄渣場(chǎng)的類型與防洪標(biāo)準(zhǔn)［J］.四川水利，2004，(3):55-56.

［2］趙 芹，鄭創(chuàng)新.溝道型棄渣場(chǎng)的水土流失危害及工程防護(hù)措施分析［C］//中國(guó)水土保持學(xué)會(huì)規(guī)劃設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì)2009年年會(huì)暨學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2009.

［3］杜運(yùn)領(lǐng)，吳 偉.白鶴灘水電站特大型棄渣場(chǎng)水土保持設(shè)計(jì)［C］//中國(guó)水土保持學(xué)會(huì)水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì)2011年年會(huì)論文集，2011.

［4］操昌碧.水利水電工程棄渣場(chǎng)水土保持工程措施研究［J］.水電站設(shè)計(jì)，2001，17(4):39-41.

［5］趙 鴻，等.陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站水土保持方案報(bào)告書［R］.西安:西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2013.

［6］皮 漫，路 寧.陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站西磨溝棄渣場(chǎng)攔洪壩及排洪隧洞設(shè)計(jì)計(jì)算書［R］.西安:西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2013.