惠州市三斗種礦區(qū)花崗巖礦項(xiàng)目水土保持方案設(shè)計(jì)

艾杏琦

（廣東海納工程管理咨詢(xún)有限公司，廣東 惠州516000）

1 引言

水土流失是一種極為嚴(yán)重的水土資源浪費(fèi)現(xiàn)象，我國(guó)是一個(gè)水土流失較為嚴(yán)重的國(guó)家［1-2］。隨著工程建設(shè)進(jìn)程的加快，對(duì)原有地形地貌的擾動(dòng)，在一定程度上加大了水土流失現(xiàn)象［3-4］。因此，工程施工、運(yùn)行期間應(yīng)當(dāng)注重水土保持工作。土壤侵蝕模數(shù)是影響水土流失的一個(gè)重要參數(shù)，準(zhǔn)確獲取該值是預(yù)測(cè)水土流失量的關(guān)鍵因素。目前，較為常用的方法為工程類(lèi)比法［5-6］。結(jié)合三斗種礦區(qū)工程，對(duì)花崗巖礦項(xiàng)目水土流失進(jìn)行預(yù)測(cè)，并研究水土保持方案。

2 工程概況

三斗種礦區(qū)花崗巖礦項(xiàng)目屬大型礦山，礦區(qū)面積約0.502 km2，開(kāi)采標(biāo)高為+276.15～+30 m，礦區(qū)范圍由6個(gè)拐點(diǎn)圈定。礦山設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為300萬(wàn)m3/a，采用露天開(kāi)采，從上往下分水平臺(tái)階開(kāi)采。備案的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量為3257.95萬(wàn)m3，開(kāi)采儲(chǔ)量為2776.21萬(wàn)m3，總剝離量為1217.66萬(wàn)m3（其中全～強(qiáng)～中風(fēng)化層剝離量1053.56萬(wàn)m3，全部利用加工成建筑用砂），平均剝采比為0.44 m3/m3，平均生產(chǎn)剝采比為0.43 m3/m3，生產(chǎn)期年均剝離量為129萬(wàn)m3。礦山總服務(wù)年限約為11.0年，其中：基建期1.5年，生產(chǎn)期9.0年，閉坑治理期0.5年。

圖1 礦區(qū)航拍影像

3 水土保持方案設(shè)計(jì)

3.1 水土流失預(yù)測(cè)

3.1.1 土壤侵蝕模數(shù)

工程擾動(dòng)后土壤侵蝕模數(shù)確定，采用“現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量”和“參考類(lèi)比工程監(jiān)測(cè)值”相結(jié)合來(lái)確定，經(jīng)篩選確定“惠州市光大水泥企業(yè)有限公司上窩石場(chǎng)工程”為類(lèi)比工程?，F(xiàn)從降雨、土壤、植被、地形等幾個(gè)環(huán)節(jié)分析，以確定此資料的可比性。

兩項(xiàng)目對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 項(xiàng)目地理自然特性對(duì)比表

惠州市光大水泥企業(yè)有限公司上窩石場(chǎng)工程于2011年7月動(dòng)工，2011年12月完成基建工程，2012年1月投入生產(chǎn)運(yùn)行，由惠州市華禹水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司對(duì)該工程建設(shè)期水土流失進(jìn)行監(jiān)測(cè)，取得了較為詳盡的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其土壤侵蝕強(qiáng)度監(jiān)測(cè)成果具體見(jiàn)表2。

表2 類(lèi)比工程工程施工期侵蝕模數(shù)監(jiān)測(cè)值 單位：t/（km2·a）

2）本礦區(qū)土壤侵蝕模數(shù)確定

本方案在基于類(lèi)比工程監(jiān)測(cè)的土壤侵蝕模數(shù)上進(jìn)行修正，其他分區(qū)的侵蝕模數(shù)直接采用類(lèi)比工程各分區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

確定本礦區(qū)在接下來(lái)的各時(shí)段的土壤侵蝕模數(shù)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 本礦區(qū)各分區(qū)土壤侵蝕模數(shù)類(lèi)比結(jié)果 單位：t/（km2·a）

3.1.2 水土流失預(yù)測(cè)

根據(jù)上述預(yù)測(cè)的各單元土壤流失強(qiáng)度、面積和各時(shí)段預(yù)測(cè)時(shí)間，按下列公式計(jì)算土壤流失量。

式中：W土壤流失量，t；ΔW新增土壤流失量，t；Fji預(yù)測(cè)面積，km2；Mji土壤侵蝕模數(shù)，t/（km2·a）；ΔMji新增土壤侵蝕模數(shù)，t/（km2·a）；Tji預(yù)測(cè)時(shí)間，a；i預(yù)測(cè)單元，i=1、2、3、……n；j預(yù)測(cè)時(shí)段。

根據(jù)以上公式，計(jì)算本項(xiàng)目的水土流失量，工程建設(shè)期間可能造成的水土流失總量102661.20 t，背景水土流失量3921.83 t，新增水土流失總量為98739.38t。其中基建期可能造成的水土流失總量4730.23 t，新增水土流失總量為4439.68 t。生產(chǎn)運(yùn)行期可能造成的水土流失總量96310.71 t，新增水土流失總量為93423.06 t。閉坑期期可能造成的水土流失總量430.47 t，新增水土流失總量為281.74 t。自然恢復(fù)期可能造成的水土流失總量1189.80 t，新增水土流失總量594.90 t。采區(qū)、排土場(chǎng)是本項(xiàng)目重點(diǎn)流失區(qū)域，應(yīng)對(duì)該區(qū)域重點(diǎn)預(yù)防。生產(chǎn)運(yùn)行期是重點(diǎn)水土流失時(shí)段。

3.2 水土保持總體布局

防治措施體系總體上按“分片集中治理、分單元控制”的方式進(jìn)行布局。以采區(qū)、工業(yè)場(chǎng)地、礦區(qū)道路區(qū)、排土場(chǎng)區(qū)和施工營(yíng)造區(qū)等5個(gè)分區(qū)為單元進(jìn)行綜合治理。閉坑期，全區(qū)采用素土回填+復(fù)墾綠化措施。礦山水土流失防治措施總體布局見(jiàn)表4。

表4 礦區(qū)水土流失防治措施總體布局

3.3 水土保持工程設(shè)計(jì)

3.3.1 截水溝工程設(shè)計(jì)

（1）項(xiàng)目截、排水溝的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇洪水設(shè)計(jì)。項(xiàng)目地的一小時(shí)平均點(diǎn)雨量為49.4 mm，C v=0.37，C s=3.5C v，取P=10%，查《皮爾遜III型頻率曲線的模比系數(shù)KP值表》得KP=10%=1.50以此計(jì)算本次設(shè)計(jì)采用的H10%=74 mm。

（2）洪峰流量

式中：Qs洪峰流量；k徑流系數(shù)；I降雨強(qiáng)度；F集水面積。

表5 匯水面積、洪水流量計(jì)算表

（3）計(jì)斷面及過(guò)水能力校核

截排水溝根據(jù)設(shè)計(jì)頻率暴雨匯流洪峰流量，按明渠均勻流公式計(jì)算過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。

式中：Q設(shè)計(jì)流量；C謝才系數(shù)；A斷面面積；R水力半徑；i為渠底縱坡。

具體溝道規(guī)格選擇和過(guò)流能力校核見(jiàn)表6。

表6 各排水溝設(shè)計(jì)斷面過(guò)水能力校核情況表

經(jīng)過(guò)流校核，本方案設(shè)計(jì)的各截排水溝尺寸滿(mǎn)足排水要求。

3.3.2 排土場(chǎng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)利于方案共設(shè)置兩座排土場(chǎng)，均位于采區(qū)東側(cè)，為溝道型排土場(chǎng)。其中1號(hào)排土場(chǎng)布置在采區(qū)東南側(cè)小山窩，1號(hào)排土場(chǎng)面積約10.97 hm2，分五級(jí)堆放，每級(jí)邊坡高度為10 m，邊坡總高度50 m，最終設(shè)計(jì)堆土高程為129.00 m，容積約227.80萬(wàn)m3，渣場(chǎng)級(jí)別為三級(jí)，上游匯水面積為15.78 hm2；2號(hào)排土場(chǎng)布置在采區(qū)東側(cè)小山窩，2號(hào)排土場(chǎng)面積約5.76 hm2，分三級(jí)堆放，每級(jí)邊坡高度為10 m，邊坡總高度30 m，最終設(shè)計(jì)堆土高程為90 m，容積約75.62萬(wàn)m3，渣場(chǎng)級(jí)別為四級(jí)，上游匯水面積為5.43 hm2。

（1）排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)開(kāi)發(fā)利用方案，排土場(chǎng)方案設(shè)計(jì)邊坡參數(shù)如下：

1）1號(hào)排土場(chǎng)邊坡與階段高度參數(shù)

①排土場(chǎng)每級(jí)邊坡高度為10 m，減輕邊坡徑流危害；②分五級(jí)；③每級(jí)邊坡坡面角小于40°；④最終平臺(tái)寬度6.0 m；⑤排土場(chǎng)整體邊坡角小于30°。

2）2號(hào)排土場(chǎng)邊坡與階段高度參數(shù)

①排土場(chǎng)每級(jí)邊坡高度為10 m，減輕邊坡徑流危害；②分三級(jí)；③每級(jí)邊坡坡面角小于40°；④最終平臺(tái)寬度6.0 m；⑤排土場(chǎng)整體邊坡角小于30°。

1號(hào)排土場(chǎng)邊坡坡比為1∶3，2號(hào)排土場(chǎng)邊坡坡比為1∶2.5。

參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，回填土容重取1.8 t/m3，內(nèi)摩擦角取15°，粘聚力取16 kPa；擋墻容重取2.4 t/m3，內(nèi)摩擦角取45°；下臥層按風(fēng)化巖考慮，容重取2.5 t/m3，內(nèi)摩擦角取30°，粘聚力取28 kPa。計(jì)算采用采用圓弧法中的總應(yīng)力法（簡(jiǎn)化畢肖普法）進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算。

計(jì)算公式：

式中：W土條重量；Q、V為水平、垂直地震慣性力；u孔隙壓力；b土條寬度；α土條重力線與通過(guò)此土條底面重心的半徑之間的夾角；c"、φ"抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；MC水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩；R圓弧半徑。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7、圖2。

表7 排土場(chǎng)邊坡整體穩(wěn)定分析成果表

圖2 排土場(chǎng)整體穩(wěn)定計(jì)算成果

3.3.3 擋土墻穩(wěn)定性分析

根據(jù)開(kāi)發(fā)利用方案，本項(xiàng)目排土場(chǎng)擋墻設(shè)計(jì)采用漿砌毛石墻，頂寬0.5 m，高2.0 m，擋墻頂距排土場(chǎng)邊坡坡腳3 m。擋墻穩(wěn)定允許系數(shù)按《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51018-2014）中擋渣墻的安全穩(wěn)定要求。排土場(chǎng)等級(jí)最高為3級(jí)，擋墻基礎(chǔ)為土質(zhì)基礎(chǔ)，其擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.25，抗傾覆安全系數(shù)不小于1.45。

參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，擋墻穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，回填土容重取1.8 t/m3，等效內(nèi)摩擦角取35°；擋墻容重取2.4 t/m3，地基土摩擦系數(shù)取0.3。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 擋土墻穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

（1）通過(guò)工程類(lèi)比確定土壤侵蝕模數(shù)，并對(duì)項(xiàng)目區(qū)水土流失進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，結(jié)果表明：采區(qū)、排土場(chǎng)是重點(diǎn)流失區(qū)域，生產(chǎn)運(yùn)行期是重點(diǎn)水土流失時(shí)段。

（2）該項(xiàng)目采用分區(qū)/分時(shí)段治理，總體上采用截洪溝、沉砂池等工程措施+綠化措施+臨時(shí)措施綜合治理。

（3）通過(guò)對(duì)典型工程設(shè)計(jì)分析，采用截排水溝可滿(mǎn)足排水需求，排土場(chǎng)及擋土墻穩(wěn)定性滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。