貴州土石山區(qū)水利水電工程棄渣場選取及防護(hù)措施

朱　文　范永平　王　童　焦　瑩

貴州土石山區(qū)水利水電工程棄渣場選取及防護(hù)措施

朱文范永平王童焦瑩

貴州屬于典型的喀斯特地貌類型，山高坡陡，人口密度大，墾殖率高，暴雨多且強(qiáng)度大，是我國水土流失嚴(yán)重、治理難度大的地區(qū)之一。水利水電工程樞紐建筑物多，輸水工程建筑物位置分散，涉及工程施工點(diǎn)多、站線長，相應(yīng)棄渣堆置地點(diǎn)也較多。受地形條件限制，棄渣場選擇較為困難。結(jié)合貴州土石山區(qū)特點(diǎn)，對(duì)貴州水利水電工程棄渣場選取和防護(hù)措施進(jìn)行探討并提出相應(yīng)的建議。

棄渣棄渣場擋渣壩擋渣墻擋渣堤

貴州省氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降水量1 359 mm，多年平均氣溫16.3°C，≥10℃以上年積溫4 960℃，年平均風(fēng)速1.0 m/s，年平均相對(duì)濕度80.5%。20年一遇 1 h設(shè)計(jì)暴雨為79.9 mm，10年一遇1 h設(shè)計(jì)暴雨為69.1 mm。植被屬亞熱帶常綠闊葉林帶，林草植被覆蓋率約63%，主要以松、杉、柏占主要地位，大多數(shù)植被均為次生植被。區(qū)域土壤類型主要有黃壤、紅壤、石灰土、潮土及水稻土。區(qū)域水土流失類型主要以水力侵蝕為主，局部地區(qū)伴隨重力侵蝕，其中，水力侵蝕主要表現(xiàn)為集中降雨下的細(xì)溝侵蝕、面蝕，重力侵蝕表現(xiàn)為滑坡、崩塌、泥石流等。水土流失程度主要為輕度侵蝕，侵蝕模數(shù)在800～1000t/（km2·a）。

貴州地處我國西南部，是典型的喀斯特巖溶區(qū)，地形以山地和丘陵為主，山體雄厚，基巖裸露，地形起伏較大，且人口密度大，墾殖率高，河流水流急，河道比降大，工程棄渣難以堆放。在水利水電工程中由于水利工程樞紐建筑物多，同時(shí)在兼有輸水工程中建筑物位置分散，導(dǎo)致工程施工點(diǎn)多、戰(zhàn)線長，相應(yīng)棄渣堆置地點(diǎn)也較多。棄渣場因堆棄大量工程棄渣，形成高陡邊坡、重塑地貌形態(tài)、堆積體松散等因素導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，在強(qiáng)降雨的條件下有可能產(chǎn)生垮塌、失事等水土流失災(zāi)害，因此，鑒于貴州土石山區(qū)地形地貌特點(diǎn)，棄渣場選取在水利水電工程中尤為重要。

1　棄渣來源

1.1主體工程棄渣

主要包括主壩、溢洪道、導(dǎo)流洞開挖和引水管路開挖棄渣，開挖均對(duì)當(dāng)?shù)氐乇砀淖冚^大，除了解決開挖面保護(hù)外，還需解決棄渣防護(hù)問題。主體工程棄渣約占棄渣總量的90%以上。

1.2料場覆蓋層棄渣

石料場大多覆蓋層較厚，覆蓋層及廢石棄渣占棄渣總量的5%左右。

1.3施工道路棄渣

工程施工需修建對(duì)內(nèi)、對(duì)外交通道路，由于地形條件限制，施工道路大多盤山修建，對(duì)地表植被破壞較多， 棄渣占棄渣總量的5%左右。

1.4其他工程棄渣

施工營地及預(yù)制廠、加工場，移民村修建也會(huì)有一定量的棄渣，但絕大部分為場地平整，棄渣量較少。

2　棄渣場選取原則

針對(duì)貴州土石山區(qū)水利水電工程中棄渣堆放困難、棄渣場多、棄渣量大及棄渣時(shí)間長等特點(diǎn)，棄渣場的選取應(yīng)綜合考慮主體工程所處地形、棄渣量多少、施工條件及投資等因素綜合確定。

（1）棄渣場選取必需滿足施工堆渣的需要，要有足夠的容量，且盡量靠近施工現(xiàn)場，以減少棄渣運(yùn)距，但應(yīng)避開滑坡體等不良地質(zhì)條件地段，不宜在泥石流易發(fā)區(qū)設(shè)置棄渣場。

（2）充分利用山區(qū)有限的平坦地勢(shì)，盡量選擇凹地、河道以外的荒地，少占耕地、林地，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，但凹地堆渣不可堵塞地下水與地表水通道。

（3）受地形條件限制，大部分渣場選擇在壩址附近的沖溝，盡量選擇溝道不宜過長、流域面積較小、切割較深且容量較大、出口較窄的沖溝。不宜設(shè)置在匯水面積和流量大、溝谷縱坡陡、出口不易攔截的溝道。

（4）如附近無合適的小溝道而必須將場址選在較大河流灘地上時(shí)，應(yīng)符合河道管理和防洪行洪要求，并應(yīng)采取措施保障行洪安全。

3　棄渣場防護(hù)措施選擇

3.1攔渣工程

合理選擇攔渣措施，并充分利用棄渣和渣場占地，一方面可最大程度降低棄渣引起的水土流失對(duì)山區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響，另一方面可減少工程征地面積，保護(hù)山區(qū)相對(duì)稀少的土地資源。

根據(jù)棄渣場位置與地形特點(diǎn)，可供選擇的攔渣工程措施主要有攔渣壩、擋渣墻和攔渣堤等。

3.1.1擋渣壩

當(dāng)棄土 （石、渣）堆置于溝道內(nèi) （包括堆放于溝頭、溝中、溝口）時(shí)，應(yīng)修建攔渣壩。

3.1.1.1擋渣壩的位置

一般應(yīng)選在距渣源較近的河溝中，要求河溝地形狹窄、容積大、溝道平緩、地質(zhì)條件好，建筑材料具備施工方便、泥沙量小、耕地少及對(duì)周圍環(huán)境影響小的荒溝。河溝集水面積不宜過大，上游來水量少，洪水流量小，排水設(shè)施簡單，且不危害下游城鎮(zhèn)、村莊及道路等的安全。若棄渣量多，可以建造梯級(jí)擋渣壩。

3.1.1.2擋渣壩渣場的容積

擋渣壩渣場的容積取決于棄渣量的多少，若棄渣量多，則要求渣庫較大，相應(yīng)擋渣壩也高，但壩高增加，勘測設(shè)計(jì)技術(shù)復(fù)雜，施工難度大，投資亦大，相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)也增加。

3.1.1.3擋渣壩的壩型

根據(jù)攔渣量和當(dāng)?shù)亟ㄖ牧线x擇擋渣壩的壩型，一般有漿砌塊石或混凝土重力壩、土壩或堆石壩。土石壩基礎(chǔ)寬、體積大、占渣庫容積多，同時(shí)若洪水漫壩，垮壩機(jī)率高，對(duì)下游威脅大，安全性較差。填筑材料最好選用適合建土石壩的棄渣，既經(jīng)濟(jì)又不多占渣庫容積。重力壩抗沖力強(qiáng)、設(shè)計(jì)施工簡便、安全可靠，系首選型式。但要進(jìn)行壩體穩(wěn)定分析，才能確定其斷面尺寸。

3.1.1.4擋渣壩棄渣堆筑形式

棄渣堆筑的方式分為水平式堆筑和斜坡式堆筑兩種。水平式堆筑即渣體表面與攔渣壩壩頂齊平或略低，適合于渣庫容積較小的溝道。與斜坡式堆筑相比，在同樣容積條件下，擋渣壩較高，投資較大。斜坡式堆筑即在壩后按一定邊坡向上堆放，邊坡大小視渣體土石組成及粒徑大小而定?？捎萌鸬鋱A弧法 （條分法）進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，確定其邊坡坡比。渣面可植樹種草或做它用。此種形式多用于渣庫容積大的溝道，在相同容積的條件下，擋渣壩較矮，相應(yīng)投資較小。

3.1.1.5擋渣壩渣場的排水設(shè)施

當(dāng)擋渣壩建成、渣場棄渣堆滿后，截?cái)嗔嗽瓬系缽搅鞯某雎?，山洪將?huì)沿渣面漫流，沖毀渣體。為此，需布設(shè)排水工程，將暴雨洪水順暢排到下游河溝中，其排水型式要根據(jù)擋渣壩控制流域面積、降雨量、工程等級(jí)及相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)確定。

3.1.2擋渣墻

當(dāng)棄渣等堆置物易發(fā)生滑塌或堆置在坡面時(shí)，應(yīng)修建擋渣墻。擋渣墻一般應(yīng)建在緊靠棄渣及相對(duì)高度較高的坡面上，這樣可以有效降低擋渣墻的高度及其對(duì)溝道行洪的影響。

3.1.2.1擋渣墻的位置

一般布置在渣體坡腳。要求地形坡度較緩，且耕地少的荒坡，地質(zhì)條件良好，建筑材料充足，施工方便，工程量和投資少，保證渣體安全穩(wěn)定，防止棄渣流失。

3.1.2.2擋渣墻的型式

應(yīng)根據(jù)棄渣場的地形坡度、當(dāng)?shù)亟ú摹Φ母甙珱Q定。其型式有重力式、仰臥式及扶壁式等。扶壁式結(jié)構(gòu)輕，適合軟基基礎(chǔ)，但所需鋼材多，投資較大。仰臥式抗滑力弱，適合棄渣量少、地形坡度緩的渣場，其工程量相對(duì)較小，投資少。重力式墻靠自重穩(wěn)定，設(shè)計(jì)施工簡便，能就地取材，安全可靠，屬常用擋渣型式。

3.1.2.3擋渣墻的渣體堆筑形式

擋渣墻的渣體堆筑采取多級(jí)邊坡。其邊坡大小與山坡坡度和渣體物質(zhì)及粒徑等有關(guān)，堆渣量大的渣體邊坡要用瑞典圓弧法進(jìn)行穩(wěn)定分析，安全系數(shù)與工程等級(jí)有關(guān)。為了防止渣體遭雨水侵蝕沖刷，渣體頂部不宜有過大的集水面積，并在渣面與坡腳交界處布置排洪溝，將雨水排入天然溝道。在馬道上布置橫向排水溝，沿渣體長度方向布設(shè)縱向排水溝。渣面植樹種草，防止棄渣流失。

3.1.3擋渣堤

當(dāng)棄渣堆放于溝道岸邊或河灘及河岸時(shí)，應(yīng)在河、溝岸邊修建擋渣堤。擋渣堤是將棄渣圍在堤內(nèi)的擋渣建筑物，具有攔渣和抵御洪水的作用。多用于堤防和水利樞紐等地形較平的棄渣場。

3.1.3.1擋渣堤的位置

應(yīng)選在地形寬闊的河岸灘地或階地上的渣體坡腳。要求地基條件較好，具有擋水防洪功能，適合棄渣量小，不影響河道下游城鎮(zhèn)、村莊及農(nóng)田防洪安全的棄渣場。

3.1.3.2擋渣堤的型式

擋渣堤相對(duì)較低，若擋渣堤在洪水位以上，堤的高度由堆渣量和地面面積確定。若堆渣體與防洪堤結(jié)合，堤的高度應(yīng)按防洪堤標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，臨水面需布置防沖、防滲措施。擋渣堤的斷面多采用重力式。

3.1.3.3擋渣堤的渣體堆筑方式

渣體邊坡坡度大小與棄渣顆粒粒徑有關(guān)，為了防止雨水沖刷渣面邊坡，渣面邊緣設(shè)排水溝，渣面植樹種草，防止棄渣流失。

3.2復(fù)耕還田

由于山區(qū)土地資源稀缺，在土地征用期滿以后，對(duì)渣場頂部進(jìn)行覆土復(fù)耕。要求將渣場占地內(nèi)有肥力的表土先行剝離，臨時(shí)存放，待棄渣完成后重新回填，為渣場復(fù)耕創(chuàng)造有利條件。

3.3種植經(jīng)濟(jì)林

山區(qū)土壤量少，肥力不高，種植農(nóng)作物產(chǎn)量較低，且頻繁耕作也會(huì)加劇坡面的水土流失，造成土壤流失、肥力下降、產(chǎn)量降低和開墾面積增大，形成越墾越窮的惡性循環(huán)。對(duì)于棄渣多為開挖石方且地表原有土壤較少、附近缺乏表土來源的渣場，可以結(jié)合區(qū)域環(huán)境選擇具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的適生樹種進(jìn)行種植，不僅可以解決西部山區(qū)的經(jīng)濟(jì)問題，還能有效地防止水土流失。

4　案例分析

4.1貴州省銅仁市松桃縣妙隘水庫工程概況

妙隘水庫工程建于貴州省銅仁市松桃縣妙隘鄉(xiāng)平皋村，松桃河一級(jí)支流妙隘河上游，是以灌溉為主兼顧農(nóng)村人畜飲水的小型水利工程。工程規(guī)模為小 （1）型，工程等別為Ⅳ等。水庫樞紐由混凝土面板堆石壩、開敞式溢洪道、取水口及壩下取水管、輸水管道及交叉建筑物和附屬建筑物等組成。水庫正常蓄水位451 m，總庫容242萬m3，輸水設(shè)計(jì)流量0.44 m3/s。擋水建筑物定為混凝土面板堆石壩，最大壩高34.5 m。工程供水線路水平投影總長5.76 km，采用重力流有壓輸水方式。工程施工總工期24個(gè)月，工程總投資為1.39億元。

工程占地面積45.30 hm2，其中永久占地29.01 hm2，臨時(shí)占地16.29 hm2。工程土石方開挖28.74 萬m3（自然方），土石方回填20.60萬m3（自然方），棄渣總量為16.05萬m3（自然方）。

4.2棄渣場選擇

根據(jù)工程土石方平衡，工程建設(shè)產(chǎn)生棄渣量為16.05萬m3，共布置5個(gè)棄渣場。其中：

1#～3#棄渣場位于水庫淹沒區(qū)，可充分利用水庫死庫容，不新增占地，節(jié)約土地面積，且距大壩樞紐施工區(qū)較近，運(yùn)距較短，施工結(jié)束被水庫淹沒。

4#渣場位于臨妙隘河一側(cè)的臺(tái)地上，遠(yuǎn)離周邊公共設(shè)施、工業(yè)企業(yè)和居民點(diǎn)，沒有在河道管理范圍內(nèi)，緊靠管線施工區(qū)域，且有施工臨時(shí)道路相連，運(yùn)渣便利，不影響河道行洪且不受河道洪水影響。

5#棄渣場位于壩址下游800 m處的沖溝內(nèi)，占地類型主要為耕地，屬溝道型渣場。該沖溝集水面積較小，溝深口窄，溝內(nèi)常年無水，且下游出口無重要基礎(chǔ)設(shè)施及群眾，有施工道路相連，棄渣便利。

4.3棄渣場防護(hù)措施

4.3.1攔渣工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)和建筑物級(jí)別

洪水標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)SL 575—2012《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》確定，小溝道中棄渣量小于50萬m3，洪水標(biāo)準(zhǔn)取10年一遇，建筑物級(jí)別為5級(jí)。

4.3.21#～3#棄渣場

1#～3#棄渣場位于壩址上游妙隘河右岸階地，屬庫區(qū)型棄渣場。渣場堆渣高程為431～438 m，棄渣場底高程低于5年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，施工期渣場可能會(huì)受到洪水影響。堆渣前，在臨妙隘河一側(cè)建鉛絲石籠擋渣墻，擋墻高2 m、頂寬0.6 m、基礎(chǔ)埋深0.5 m，擋渣墻面坡垂直，背坡1∶0.5，前趾0.5 m，墻踵0.5 m。

4.3.34#棄渣場

4#棄渣場位于妙隘河左岸的管線一側(cè)，占地類型為耕地，棄渣平均堆高4 m，屬臨河型渣場。擬在臨妙隘河側(cè)建漿砌石擋渣墻攔擋棄渣，防止棄渣滑落阻塞河道，擋墻上部削坡，坡面恢復(fù)植被，渣頂平整覆土復(fù)耕還田，渣場四周上游設(shè)置截排水溝排導(dǎo)坡面匯水。

堆渣前，在臨妙隘河側(cè)建漿砌石擋渣墻，擋渣墻高2 m、頂寬0.6 m、基礎(chǔ)埋深0.5 m，擋渣墻面坡鉛直，背坡1∶0.5，前趾0.5 m，墻踵0.5 m。

為排導(dǎo)渣場上游坡面匯水，在渣場四周設(shè)置截水溝，截水溝末端設(shè)沉沙池，最后將匯水排入下游河道。

4.3.45#棄渣場

項(xiàng)目區(qū)降雨量大且集中，溝道型棄渣場匯流量大，若排水不當(dāng)，將會(huì)成沖刷，使棄渣發(fā)生垮塌形成泥石流，因此，合理有效的排水方案是棄渣場穩(wěn)定的關(guān)鍵。通過認(rèn)真分析棄渣溝道的水文條件，遵循 “明暗結(jié)合，就近分流，臨時(shí)與永久相結(jié)合”的原則，在渣場坡面及頂面布設(shè)各種類型排水溝，并進(jìn)行消能處理，使渣體及周邊滲水形成通道，在棄渣場形成完善的排水系統(tǒng)，保證了棄渣的穩(wěn)定，為工程順利施工奠定了基礎(chǔ)。

5#棄渣場位于壩址下游800 m處的沖溝，占地類型為耕地，棄渣從446 m高程堆至465 m高程處，屬溝道型渣場。堆渣前，在溝口處建漿砌石擋渣壩，擋渣壩高3 m、頂寬0.6 m、基礎(chǔ)埋深0.6 m，擋渣壩面坡鉛直，背坡1∶0.5，前趾0.5 m，墻踵0.5 m。

為排導(dǎo)渣場上游坡面匯水，在渣場四周設(shè)置截水溝，截水溝末端設(shè)沉沙池，最后將匯水排入下游河道。

朱文女高級(jí)工程師中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

范永平男高級(jí)工程師中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

王童女工程師中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

焦瑩女工程師中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

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