水力風(fēng)力雙侵蝕地區(qū)棄渣場防治措施設(shè)計

［關(guān)鍵詞］

棄渣場；措施設(shè)計；水力侵蝕；風(fēng)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(qū)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(fēng)蝕水蝕雙侵蝕作用的情況下，棄渣場抗水蝕、風(fēng)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(cè)位置及棄渣場首部共設(shè)置4道擋渣墻，對棄渣場外圍因地制宜采用導(dǎo)排渠結(jié)合截水溝設(shè)計，對渣場平臺、馬道、下游采用排水溝及渣底預(yù)埋混凝土圓管涵等防洪排導(dǎo)措施；在抗風(fēng)力侵蝕方面，主要結(jié)合項目區(qū)實際情況就地取材，利用現(xiàn)有較大粒徑的碎（塊）石進(jìn)行地表壓蓋。從措施空間布局上看，能有效解決雙侵蝕地區(qū)水土流失的防治難題。

［中圖分類號］ S157.2" ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ B" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.11.021

［引用格式］ 詹銳生，胡利強(qiáng).水力風(fēng)力雙侵蝕地區(qū)棄渣場防治措施設(shè)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(nèi)，距玉門市區(qū)直線距離約40 km，距酒泉市區(qū)直線距離約150 km。電站裝機(jī)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(tǒng)及地面發(fā)電廠房等組成，建成后承擔(dān)甘肅省電力系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等任務(wù)［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(qū)經(jīng)土石方平衡后共產(chǎn)生堆渣量約716.3萬m3（松方），運(yùn)至下庫棄渣場統(tǒng)一堆置。下庫棄渣場位于下水庫東側(cè)北大窯溝內(nèi)，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(guī)模為特大型。下庫棄渣場平面布置見圖1。

1.2.1" 地形地質(zhì)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(qū)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(qū)為溝、梁相間的地貌，地形起伏變化大。堆渣區(qū)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(qū)主要在沖溝內(nèi)，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(tǒng)泥質(zhì)砂礫巖和志留系中-下統(tǒng)泥質(zhì)砂礫巖，均為穩(wěn)定巖體。堆渣區(qū)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(qū)內(nèi)除陡崖、陡坎見有崩落外，未見有大規(guī)?；隆⒉环€(wěn)定塊體分布，且未見有較大規(guī)模的軟弱結(jié)構(gòu)面分布?？傮w堆填區(qū)無不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，地層巖層穩(wěn)定連續(xù)，作為堆渣區(qū)場地適宜。

1.2.2" 水文、氣象情況

項目區(qū)主要河流為疏勒河，該河為甘肅省河西走廊內(nèi)流水系的第二大河，發(fā)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(qū)屬溫帶干旱氣候和高寒半干旱氣候過渡區(qū)。根據(jù)實測資料統(tǒng)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(fā)量1 805.1 mm。受流域地理位置和地形影響，盛吹西北風(fēng)，最大風(fēng)速可達(dá)25.0 m/s［2］。

2" 棄渣場防治難點

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

2）泥石流災(zāi)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(nèi)有一定規(guī)模的季節(jié)性泥石流。北大窯溝流域形態(tài)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(tài)泥石流溝。北大窯溝泥石流易發(fā)程度為中等，溝口100 a一遇泥石流規(guī)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(yán)治理的原則，對泥石流進(jìn)行重點設(shè)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(jù)現(xiàn)場調(diào)查，項目區(qū)植被稀少，地表大部分被砂礫石所覆蓋；土壤貧瘠，現(xiàn)有土壤肥力較低且有機(jī)質(zhì)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(zhì)地、剖面構(gòu)型、土壤有機(jī)質(zhì)含量及土壤酸堿度情況等均不具備后續(xù)作為復(fù)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(qū)施工結(jié)束后對現(xiàn)場施工跡地的恢復(fù)屬于水土流失防治的另一重點［9-11］。

3" 棄渣場防護(hù)設(shè)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(qū)，上游堆渣區(qū)堆放高程從2 334 m開始至2 408 m結(jié)束，下游堆渣區(qū)堆放高程從2 310 m開始至2 340 m結(jié)束。下游堆渣區(qū)于2 310 m高程處修建攔渣設(shè)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(shè)置一級馬道，馬道寬2 m，并設(shè)馬道排水溝，共布設(shè)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(qū)于2 334 m高程處修建攔渣設(shè)施，墻頂高程2 344 m，2 344～2 408 m繼續(xù)采用自下而上分級平臺堆置，按每10～20 m高度設(shè)置一級馬道，馬道寬2 m，共布設(shè)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(qū)堆渣平臺形成后，于2 334 m高程堆渣范圍右側(cè)方位布設(shè)第二道擋渣墻，編號擋渣墻B，墻頂高程2 344 m；于左側(cè)方位布設(shè)第三道擋渣墻（依據(jù)地形高差具體實施），編號擋渣墻C，墻頂高程2 344 m。為預(yù)防上游泥石流發(fā)生，擬在渣場首部設(shè)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(chǔ)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(chǔ)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(shè)計見圖2。

3.3" 防洪排導(dǎo)工程

1）導(dǎo)排渠。下庫棄渣場級別為1級，按規(guī)范，設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量為15.1 m3/s。為疏導(dǎo)棄渣場左側(cè)大面積匯水，在棄渣場右側(cè)設(shè)置導(dǎo)排渠，為明渠，梯形斷面，底寬3 m、深2 m，左側(cè)坡比1∶0.5、右側(cè)坡比1∶1。導(dǎo)排渠由渠道和急流槽組成，渠道長988 m，急流槽長419 m。導(dǎo)排渠斷面設(shè)計見圖3。

2）渣底涵管。渣場施工期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，洪峰流量7.8 m3/s。施工期在渣場底部設(shè)置直徑2 m的C30混凝土圓管涵主管，另布設(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB 51018—2014）要求，按10 a一遇最大10 min短歷時設(shè)計暴雨確定。流量計算參照《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》（GB 51018—2014）截排水工程設(shè)計流量計算確定，其中徑流系數(shù)取0.15，重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)Cp取1.34，降雨歷時轉(zhuǎn)換系數(shù)Ct取1.0，5 a一遇10 min降雨量q5，10取1.0 mm/min，依據(jù)公式計算相應(yīng)的截、排水溝設(shè)計流量。驗算后棄渣場截、排水溝斷面及過水能力計算結(jié)果見表1。棄渣場截水溝斷面設(shè)計見圖5，排水溝斷面設(shè)計見圖6。

3.4" 防風(fēng)固沙工程

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

3.5" 臨時防護(hù)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(jìn)行防護(hù)。

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(wǎng)苫蓋措施進(jìn)行防護(hù)，以防風(fēng)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(shè)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(jié)束并土地整治后進(jìn)行灑水，一方面抑塵，另一方面加速地表結(jié)皮的形成，以促進(jìn)自然修復(fù)?？筛鶕?jù)當(dāng)?shù)貙嶋H天氣情況具體調(diào)整灑水次數(shù)。

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(qū)域，禁止施工人員及車輛隨意擾動此區(qū)域，以保護(hù)原地貌、減少水土流失。

3.6" 棄渣場穩(wěn)定性分析計算

3.6.1" 擋渣墻穩(wěn)定性計算

下庫棄渣場穩(wěn)定性計算采用的地勘材料參數(shù)見表2，擋渣墻穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果見表3。計算結(jié)果表明，擋渣墻穩(wěn)定安全系數(shù)滿足要求。

3.6.2" 邊坡穩(wěn)定性計算

1）上庫施工區(qū)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(qū)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(qū)渣料由碎石、土組成，主要來自下庫大壩及下庫進(jìn)出水口開挖料、下庫區(qū)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(shù)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(dá)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(wěn)定性有利。

3）渣體不同于水工結(jié)構(gòu)中經(jīng)過層層碾壓的土石壩，在堆積過程中只經(jīng)過運(yùn)輸汽車和推土機(jī)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(jié)沉降，密實性會有所提高，這對渣體的穩(wěn)定有利。

棄渣場巖體物理力學(xué)參數(shù)按相關(guān)技術(shù)規(guī)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(wěn)定性計算結(jié)果見表4，計算結(jié)果表明，渣體邊坡滿足穩(wěn)定性要求。

4" 結(jié)束語

筆者以西北地區(qū)實例工程下庫棄渣場為例，結(jié)合項目區(qū)水力風(fēng)力雙侵蝕的特征，介紹了棄渣場抗水蝕、風(fēng)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(cè)位置及棄渣場首部共設(shè)置4道擋渣墻進(jìn)行攔擋，堆渣前渣底預(yù)埋混凝土涵管以疏導(dǎo)上游來水，外圍及平臺、馬道、下游位置通過修建導(dǎo)排渠、截（排）水溝外排水，施工結(jié)束后篩揀現(xiàn)有較大粒徑的碎（塊）石進(jìn)行地表壓蓋以防風(fēng)蝕。從措施空間布局上看，攔渣工程、防洪排導(dǎo)工程、防風(fēng)固沙工程能有效解決雙侵蝕地區(qū)水土流失的防治難題，可為同類渣場的防護(hù)提供技術(shù)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(shè)計工作。

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

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（責(zé)任編輯" 徐素霞）