某水庫工程水土保持設(shè)計(jì)中棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)分析

周 琳

（海城市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 海城 114200）

1 工程概況

某水庫工程是為解決該地區(qū)長(zhǎng)期干旱、水資源供需矛盾突出而建設(shè)的以灌溉為主的?。?）型水庫，工程由水庫樞紐工程、灌溉管道工程組成。大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高23.3 m。溢洪道位于大壩左岸，控制段為開敞式寬頂堰，堰寬2.0 m，全長(zhǎng)157 m；導(dǎo)流輸水隧洞位于大壩左岸，全長(zhǎng)242.5 m，洞身斷面為有壓段1.5 m×1.8 m矩形、無壓段1.5 m×1.8 m城門洞型。灌溉管道工程總長(zhǎng)9.391 km，由主管、支管及調(diào)蓄水池組成。

本工程在施工中共需布置2個(gè)棄渣場(chǎng)來堆放棄渣，方案初步選定棄渣場(chǎng)均選用M7.5漿砌石擋土墻進(jìn)行攔擋，在棄渣場(chǎng)上游設(shè)置漿砌石截（排）水溝疏導(dǎo)雨水，并在截（排）水溝末端設(shè)置沉砂池，同時(shí)在馬道及平臺(tái)頂部設(shè)置排水溝防止產(chǎn)生坡面徑流沖刷渣體。本工程棄渣由石料、土料、風(fēng)化層及部分有機(jī)成分組成，石料為主要成分，可作為無粘性土考慮，密實(shí)性低，對(duì)維持渣體穩(wěn)定不利。因此，為保證安全棄渣和施工安全，必須保證渣體穩(wěn)定，主體工程開挖完工后，應(yīng)按照設(shè)計(jì)堆渣坡比進(jìn)行渣體修整，使其滿足穩(wěn)定要求[1]。

2 渣場(chǎng)設(shè)計(jì)

2.1 堆渣高度

水庫工程中大壩、溢洪道及導(dǎo)流輸水隧洞開挖產(chǎn)生的渣料由碎石、土及部分有機(jī)質(zhì)組成，土占主要成分，渣體有一定凝聚力。渣體的邊坡坡角及渣體高度是影響渣體邊坡穩(wěn)定的主要因素，在施工期間杜絕因棄渣不當(dāng)造成的高陡邊坡，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)要確定合理的邊坡坡角，充分利用渣料自身的穩(wěn)定。本工程在渣場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮棄渣特性并結(jié)合渣場(chǎng)實(shí)際情況，參照同類工程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[2]，本項(xiàng)目渣場(chǎng)安息角在8°～30°之間，初步確定堆渣體永久邊坡為1∶2.0～1∶2.5，堆渣高度在7.0 m～55 m之間。

2.2 擋渣墻確定

本工程設(shè)計(jì)的擋渣墻高度為5 m，擋墻斷面尺寸為:迎渣面墻趾埋深1.2 m，背渣面墻趾埋深0.8 m，地面部分墻高5.0 m，頂寬0.5 m，墻面坡比1∶0.1，墻背坡比1∶0.5；兩側(cè)墻趾寬0.6 m。在擋渣墻基礎(chǔ)以上每隔50 cm處布設(shè)Φ10排水孔，間排距為2 m×2 m，比降5%，向下游傾斜，呈菱形分布，每10 m設(shè)伸縮縫，擋渣墻所采用的砌石石料極限抗壓強(qiáng)度不低于50 MPa。擋渣墻墻斷面示意圖見圖1。

圖1 擋渣墻橫斷面設(shè)計(jì)圖

3 渣場(chǎng)穩(wěn)定分析

3.1 渣體穩(wěn)定分析

本文重點(diǎn)進(jìn)行渣體在自重條件下的穩(wěn)定計(jì)算與分析，保證渣體在自然條件下有足夠的穩(wěn)定，不致發(fā)生通過渣體或渣體與渣場(chǎng)基礎(chǔ)的整體剪切破壞[3]。由于本項(xiàng)目所選渣場(chǎng)均位于相對(duì)較為平緩的溝箐，底坡坡度在20°左右，故基本不存在渣體與渣場(chǎng)底部的接觸面發(fā)生整體剪切破壞，導(dǎo)致渣體整體滑動(dòng)的現(xiàn)象。由于永久堆渣體最陡的坡比為1∶2.5，對(duì)應(yīng)坡角為21.8°，雖然緩于渣體的自然休止角（取28°），但是仍存在受到外應(yīng)力作用時(shí)發(fā)生通過渣體的剪切破壞而導(dǎo)致渣體的邊坡失穩(wěn)的可能。因此，采用條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普（Simplified Bishop）法，運(yùn)用理正巖土軟件5.2版（北京理正軟件設(shè)計(jì)院）中的邊坡穩(wěn)定分析模塊對(duì)各個(gè)渣場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)如下:

渣體粘聚力C=10.0 kPa，內(nèi)摩擦角φ=28°；基礎(chǔ)層粘聚力C=10 kPa，土條總數(shù)18，單個(gè)土條寬1 m，地震裂度Ⅶ級(jí)，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 棄渣場(chǎng)渣體抗滑穩(wěn)定性計(jì)算成果表

通過計(jì)算可知，棄渣場(chǎng)的渣體可以達(dá)到穩(wěn)定且有一定的安全裕度。

3.2 擋土墻穩(wěn)定計(jì)算

（1）擋土墻穩(wěn)定計(jì)算計(jì)算應(yīng)滿足以下2個(gè)基本假定:

①按庫侖土壓力計(jì)算；

②清除覆蓋層，地基按碎石地基。

（2）相關(guān)參數(shù)取值

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查并類比有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，提出各類巖（土）體的物理力學(xué)參數(shù)建議值，參數(shù)選取:砌體容重23.0 kN/m3，墻后填土綜合內(nèi)摩擦角28.0°，粘聚力10.0 kN/m3，墻后填土容重19.0 kN/m3，墻背與墻后填土摩擦角17.5°，地基土容重18.0 kN/m3，墻底摩擦系數(shù)0.4，地基土內(nèi)摩擦角30°。

（3）穩(wěn)定計(jì)算方法及結(jié)果

穩(wěn)定計(jì)算主要包括抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性兩個(gè)方面[4]，計(jì)算分析如下:

①抗滑穩(wěn)定性

式中:Ks為抗滑安全系數(shù)；W為墻身自重，kN；Pax為主動(dòng)渣壓力水平分力，kN；Pay為主動(dòng)渣壓力垂直分力，kN；μ為基底摩擦系數(shù)，其中，Pax、Pay計(jì)算公式如下:

式中:&為墻背傾斜角度，°；ε為墻摩擦角，°；Pa為主動(dòng)土壓力，kPa；γ為渣體容重；H為壩高，含基礎(chǔ)埋深，m；Ka為庫侖主動(dòng)土壓力系數(shù)，查表或按下式計(jì)算，庫侖主動(dòng)土壓力系數(shù)的計(jì)算公式:

式中:φ為渣體內(nèi)摩擦角，°，本例取21°；ε為墻背與豎直線間夾角，本例取7°；φ0為渣體與墻背摩擦角，本例取18°；α為填渣坡面與水平線夾角，本例取25°。

②抗傾覆穩(wěn)定性

主要通過抗傾覆最小安全系數(shù)的計(jì)算進(jìn)行分析[5]，抗傾覆最小安全系數(shù)應(yīng)滿足Kt＞1.5。

式中:Kt為抗傾覆最小安全系數(shù)；∑MR為作用于墻身各力對(duì)前趾的穩(wěn)定力距，m·N；∑MT為作用于墻身各力對(duì)前趾的傾覆力距，m·N；G0、Z0分別為壩體自重、壩體重心到前壩趾處的力臂；Gc、Zc分別為壩上渣體重量、壩上渣體重心至前壩趾處的力臂，t、m；PaY、ZY分別為主動(dòng)土壓力豎向分力、對(duì)應(yīng)力臂 t、m；PaX、ZX分別為主動(dòng)土壓力水平向分力、對(duì)應(yīng)力臂t、m。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 擋渣墻穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果表

經(jīng)分析計(jì)算，設(shè)計(jì)擋渣墻整體抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，并且留有一定的安全裕度，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.3 渣場(chǎng)截（排）水溝設(shè)計(jì)

3.3.1 水力計(jì)算

保證排水體系通暢對(duì)于防治渣場(chǎng)小流域范圍內(nèi)的水土流失是十分重要的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在渣場(chǎng)周圍的山坡上設(shè)置通暢的截（排）水溝，通過這些相互貫通的排水體系，保證渣場(chǎng)小流域范圍內(nèi)設(shè)計(jì)洪水安全排出。截（排）水溝斷面形式采用漿砌石砌筑，設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)水文資料[6]，結(jié)合地形地質(zhì)條件，選擇合理的布置形式、形狀、尺寸、縱坡、建筑材料，保證在設(shè)計(jì)洪水情況下水溝道不沖不淤，保證渣體穩(wěn)定。

（1）洪峰流量

洪峰流量公式根據(jù)下式確定:

式中:q為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度，mm/min；φ為徑流系數(shù)，根據(jù)實(shí)據(jù)地形坡度和植被情況取值；F為山坡匯水面積，km2。棄渣場(chǎng)5年一遇洪峰流量計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 P=20%最大洪峰流量計(jì)算表

（2）截（排）水溝斷面設(shè)計(jì)

由于棄渣場(chǎng)徑流面積較為對(duì)稱，截（排）水溝的過水量采用徑流區(qū)來水量一半進(jìn)行計(jì)算。采用明渠均勻流公式進(jìn)行斷面復(fù)核計(jì)算:

式中:A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q為設(shè)計(jì)坡面匯流洪峰流量，m3/s；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；i為溝底坡降；n為糙率。

表4 排水溝設(shè)計(jì)斷面過水能力計(jì)算表

根據(jù)表4，棄渣場(chǎng)截（排）水溝計(jì)算出的流量仍比設(shè)計(jì)流量大，能滿足過流要求。

3.3.2 棄渣場(chǎng)措施工程量

（1）工程措施

1#、2#兩個(gè)棄渣場(chǎng)修建需M7.5漿砌石擋渣墻44.6 m，開挖土石230.6 m3，M7.5漿砌石654.7 m3；M7.5漿砌石截水溝總長(zhǎng)1488.4 m，土石方開挖253.9 m3，M7.5漿砌石853.4 m3，M10砂漿抹面2060.3 m2；馬道及渣頂排水溝279.0 m，開挖土方89.3 m3；修建沉砂池2座，開挖土石方16.0 m3，M7.5漿砌石7.2 m3。

（2）植物措施

堆渣結(jié)束后，在棄渣場(chǎng)區(qū)栽植旱冬瓜6625株，人工換土6625株，撒播黑麥草和車桑子各2.650 hm2，撫育管理面積為2.650 hm2。

（3）臨時(shí)措施

本方案設(shè)計(jì)對(duì)表土臨時(shí)堆存場(chǎng)利用編織土袋擋墻進(jìn)行臨時(shí)攔擋，并在使用結(jié)束后拆除編織土袋臨時(shí)擋墻。編織袋臨時(shí)擋墻采用“品”字形緊密排列的堆砌方式，頂寬0.5 m，邊坡1∶0.5，高1.5 m，編織袋裝土直接利用剝離出的表土，恢復(fù)植被時(shí)將編織袋清理干凈，袋中的表土用于綠化覆土。1#～12#臨時(shí)堆土場(chǎng)共設(shè)置編織袋臨時(shí)攔擋398.7 m，編織袋裝土及拆除757.6 m3，土工布覆蓋7129.5 m2。

4 結(jié)論及建議

棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)是水庫施工中水土流失防治的關(guān)鍵技術(shù)，水利工程棄渣場(chǎng)的設(shè)置對(duì)減小工程棄渣擾動(dòng)、加強(qiáng)水土保持至關(guān)重要，棄渣場(chǎng)水土保持設(shè)計(jì)必須納入水庫工程前期設(shè)計(jì)規(guī)劃之中。該水庫于2017年開始施工，施工中嚴(yán)格按照水土保持設(shè)計(jì)進(jìn)行棄渣、堆渣，渣場(chǎng)擋墻及周邊排水工施工，后期進(jìn)行了必要的工程措施恢復(fù)，棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)合理、安全，在施工中預(yù)防水土流失作用顯著。