大型坡地型棄渣場(chǎng)防治措施體系研究

仲康 黃斌 方舒

摘要： 坡地型棄渣場(chǎng)通常會(huì)遇到地形陡峭、強(qiáng)地震、棄渣規(guī)模大、高邊坡等現(xiàn)實(shí)情況，直接影響棄渣場(chǎng)安全，而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)坡地型棄渣場(chǎng)防治措施體系的研究較少。以巴基斯坦卡洛特水電站3號(hào)存棄渣場(chǎng)為例，結(jié)合區(qū)域水土流失特點(diǎn)，分析了棄渣成分及堆置方案的穩(wěn)定性。針對(duì)大型棄渣場(chǎng)的水文、地形地質(zhì)條件、安全穩(wěn)定以及水土流失防治要求，明確了棄渣堆填要求，提出了工程措施、植物措施和臨時(shí)措施的總體布局，形成了大型坡地型棄渣場(chǎng)綜合防治措施體系。研究成果可為類似坡地型棄渣場(chǎng)防治提供參考。

關(guān)鍵詞：大型棄渣場(chǎng);坡地型棄渣場(chǎng);防治措施體系;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號(hào)：TV51文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.026

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）11 - 0116 - 05

0 引 言

坡地型棄渣場(chǎng)[1]一般是指棄渣堆放在河流或溝道兩岸較低臺(tái)地、階地和河灘地上的棄渣場(chǎng);適用于沿山坡堆放，山坡坡度不大于25°且坡面穩(wěn)定，為5種常見的棄渣場(chǎng)類型之一。目前，對(duì)坡地型棄渣場(chǎng)防護(hù)措施體系的研究較少[2-4]，然而，坡地型棄渣場(chǎng)通常會(huì)遇到地形陡峭、強(qiáng)地震、棄渣規(guī)模大、高邊坡等情況，直接影響棄渣場(chǎng)安全并導(dǎo)致生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的水土流失[5-7]。

卡洛特水電站是巴基斯坦境內(nèi)吉拉姆河（Jhelum）規(guī)劃5個(gè)梯級(jí)電站的第4級(jí)。壩址處控制流域面積26 700 km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均年徑流量258.3億m3;電站裝機(jī)容量72萬(wàn)kW（4×180 MW），為Ⅱ等大（2）型工程?？逄厮娬臼恰耙粠б宦贰笔讉€(gè)水電大型投資建設(shè)項(xiàng)目、“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”首個(gè)水電投資項(xiàng)目，也是首個(gè)完全使用中國(guó)技術(shù)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的水電投資項(xiàng)目?？逄厮娬窘ǔ珊髮榘突固箮?lái)更經(jīng)濟(jì)的清潔能源，為其經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供強(qiáng)大動(dòng)力。

卡洛特水電站的工程棄渣總量為1 023.24萬(wàn)m3（自然方，換算成松散方為1 330.21萬(wàn)m3），共規(guī)劃了4處棄渣場(chǎng)，其中3號(hào)存棄渣場(chǎng)是最大的坡地型棄渣場(chǎng)，堆渣高度87 m，容渣量226萬(wàn)m3。按照DL_T 5419-2009《水電建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)規(guī)范》，該棄渣場(chǎng)為大型棄渣場(chǎng)。根據(jù)流域內(nèi)降水資料統(tǒng)計(jì)，壩址以上流域多年平均降水量約1 430 mm，最大年降水量1 793 mm，最小年降水量1 046 mm;降水量年內(nèi)分配以7月最大，為289 mm;11月降水量最小，為34 mm。3號(hào)存棄渣場(chǎng)位于左2號(hào)沖溝至左3號(hào)沖溝夾持部位，總體地形坡度15°～25°;東北部地形較陡，地形坡度30°～35°。工程部位及近場(chǎng)區(qū)無(wú)活動(dòng)性斷裂通過(guò)，為構(gòu)造穩(wěn)定性相對(duì)較好的地區(qū)。場(chǎng)地及周邊影響范圍內(nèi)的主要不良地質(zhì)現(xiàn)象為崩塌，未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流等發(fā)育;場(chǎng)地自然狀態(tài)下整體穩(wěn)定。

3號(hào)存棄渣場(chǎng)主要存放溢洪道開挖棄渣。施工期間，一方面存在水流沖刷渣體引發(fā)水土流失的危害;另一方面，渣體散落、進(jìn)入庫(kù)內(nèi)影響大壩及導(dǎo)流洞施工，存在堵塞導(dǎo)流洞的風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)行期，渣體散落或垮塌會(huì)影響大壩安全。因此，開展大型坡地型棄渣場(chǎng)防治措施體系 研究十分必要。

1 水土流失特點(diǎn)

工程區(qū)地貌為低山丘陵間河谷地貌，多年平均年降雨量達(dá)1 430 mm，地形地貌、氣象等因子均為水力侵蝕創(chuàng)造了條件。但由于區(qū)內(nèi)植被覆蓋率較高、物種豐富，植被垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降雨動(dòng)能均被消減，防止了降雨對(duì)地表土壤造成的濺蝕。此外，地表枯枝落葉層分布較厚，加之樹干的截留，可有效防止地表土壤遭受徑流沖刷而造成流失?？傮w來(lái)講，工程區(qū)內(nèi)目前無(wú)工礦企業(yè)及建設(shè)項(xiàng)目，植被覆蓋度較高，水土流失強(qiáng)度為輕度，平均侵蝕模數(shù)約1 820 t/（km2·a）。但在局部地段，由于亂砍亂伐、開荒種地等活動(dòng)，侵蝕較為嚴(yán)重，侵蝕強(qiáng)度達(dá)到了強(qiáng)度以上。

受當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平的制約，項(xiàng)目建設(shè)區(qū)內(nèi)目前無(wú)大型工礦企業(yè)及建設(shè)項(xiàng)目，也未開展過(guò)專項(xiàng)水土保持活動(dòng)。局部地段由于當(dāng)?shù)鼐用竦娜藶閿_動(dòng)，如砍伐林木、開荒種地等，造成了一定的水土流失。但由于項(xiàng)目區(qū)氣候溫暖濕潤(rùn)，降雨量充沛，植被恢復(fù)較快，上述活動(dòng)造成的影響范圍有限和影響時(shí)段均較短。就目前狀況來(lái)看，項(xiàng)目建設(shè)區(qū)植被覆蓋度較高，水土保持效果較好。

2 防治措施布局原則

為維護(hù)卡洛特水電站工程建設(shè)及運(yùn)行的安全、保護(hù)項(xiàng)目建設(shè)區(qū)生態(tài)環(huán)境，該工程水土保持設(shè)計(jì)必須遵循生態(tài)規(guī)律和經(jīng)濟(jì)規(guī)律，結(jié)合施工總布置的特點(diǎn)合理進(jìn)行。據(jù)此，在防治措施布局中應(yīng)遵守以下原則：

（1）結(jié)合工程實(shí)際和項(xiàng)目區(qū)水土流失現(xiàn)狀，因地制宜、因害設(shè)防、總體設(shè)計(jì)、全面布局、科學(xué)配置。

（2）建立綜合防治體系，遵循工程措施與植物措施相結(jié)合、永久措施與臨時(shí)措施相結(jié)合的原則。建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)各分區(qū)地形地貌、水土流失特點(diǎn)及施工布置，分別采取適當(dāng)?shù)姆乐未胧?/p>

（3）遵循“三同時(shí)”、注重防治措施時(shí)效性的原則。注意各種防護(hù)措施在時(shí)間安排上的合理性，使各種措施充分發(fā)揮其效能。應(yīng)事先做好開挖擾動(dòng)區(qū)的防護(hù)措施及基礎(chǔ)挖方臨時(shí)堆置區(qū)的防護(hù)工作，以有效防止施工過(guò)程中的水土流失。

（4）項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中應(yīng)注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)，樹立人與自然和諧相處的理念，尊重自然規(guī)律，遵循植物措施設(shè)計(jì)與所在區(qū)域的景觀協(xié)調(diào)的原則。遵循喬灌草合理配置原則，棄渣場(chǎng)頂面植被恢復(fù)主要考慮喬灌草結(jié)合模式，邊坡防護(hù)主要采用灌草結(jié)合。

（5）遵循經(jīng)濟(jì)、有效、實(shí)用的原則。對(duì)于重點(diǎn)水土流失區(qū)的防護(hù)措施應(yīng)進(jìn)行多方案比選，確定投入效果比最佳的方案，節(jié)省工程投資，保證水保效果，同時(shí)具有可操作性。

3 防治措施體系

3.1 總體布局

按照預(yù)防措施和治理措施相結(jié)合、工程措施和植物措施相結(jié)合的原則，確定3號(hào)存棄渣場(chǎng)的水土流失防治措施體系及總體布局，見表1。

3.2 堆置方案

3號(hào)存棄渣場(chǎng)主要存放溢洪道開挖棄渣，成分為泥巖和砂巖，棄渣及其組合相對(duì)應(yīng)的堆置安息角及對(duì)應(yīng)邊坡坡比，見表2。

考慮施工開挖無(wú)序性和堆填不確定性，采用混合料的物質(zhì)組成確定堆置方案：堆渣高程范圍為473～560 m，高程485 m平臺(tái)以上棄渣坡比1∶2，高程485 m平臺(tái)以下棄渣邊坡與擋渣墻相接處坡比可適當(dāng)調(diào)整，但不得陡于1∶2。高程485，495，515，520 m和550 m均布置一寬2 m的馬道，高程505，540 m各布置一寬10 m的平臺(tái)，棄渣堆置整體位于水庫(kù)正常蓄水位以上。

對(duì)正常工況和非正常工況下的棄渣邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，非正常工況考慮降雨工況和地震工況2種。計(jì)算方法采用摩根斯頓普萊斯法，選擇4個(gè)最危險(xiǎn)剖面計(jì)算，見圖1。

邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表3，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3.3 堆填要求

按照“先攔后棄，先排后棄”的原則，在棄渣前，先修建好擋渣墻、渣底盲溝和周邊截排水溝。若永久截排水溝不具備提前修建的條件，可先修建臨時(shí)排水溝，待具備施工條件后再行修建永久截排水溝。

嚴(yán)格按設(shè)計(jì)擬定的堆坡堆存棄渣，分層攤鋪、推平，以提高渣體的密實(shí)度和穩(wěn)定性。根據(jù)棄渣堆存規(guī)劃，在臨坡側(cè)5.0 m范圍內(nèi)，棄渣每堆高1.0 m需攤鋪、推平一次;其他區(qū)域每堆高3.0 m需攤鋪、推平一次。

在堆渣過(guò)程中，將棄料中的大石塊盡可能堆置于棄渣場(chǎng)底部及擋渣墻后，棄土盡可能堆置于棄渣場(chǎng)北側(cè)。

3.4 工程措施

3.4.1 攔渣工程

該工程攔渣工程為擋渣墻[8]。為防止渣體散落進(jìn)入庫(kù)內(nèi)影響大壩及導(dǎo)流洞施工，棄渣前需在堆渣坡腳布置擋渣墻。擋渣墻部位地表由崩坡積碎塊石土及納格里組基巖組成，巖、土體均能滿足擋渣墻建基要求。擋渣墻采用重力式，墻頂高程476.0～540.5 m，墻頂寬0.6～1.5 m，最大墻高2.5～5.0 m，臨渣側(cè)坡比1：0.6，背渣側(cè)坡比1：0.2，采用C15混凝土澆筑。

擋渣墻穩(wěn)定性計(jì)算主要對(duì)正常工況和非正常工況進(jìn)行，非正常工況考慮降雨工況和地震工況2種。計(jì)算選擇2個(gè)最危險(xiǎn)剖面，擋渣墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表4，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3.4.2 周邊排水溝

周邊排水溝主要包括周邊排水溝（左）和周邊排水溝（右）。根據(jù)場(chǎng)地地形條件，在棄渣場(chǎng)周邊布置排水溝以引排上游溝道和坡面匯水。

（1）周邊排水溝（左）全長(zhǎng)395 m，匯水面積約0.25 km2，50 a一遇洪峰流量為3.45 m3/s，采用漿砌石梯形斷面，斷面尺寸為0.8 m×1.2 m（寬×深），邊坡1∶0.5，溝底縱坡0.5%（陡坡段與原坡面基本保持一致）。

（2）周邊排水溝（右）全長(zhǎng)850 m，匯水面積約0.07 km2，50 a一遇洪峰流量為0.93 m3/s，采用漿砌石梯形斷面，斷面尺寸為0.8 m×1.2 m（寬×深），邊坡1∶0.5，溝底縱坡1%（陡坡段與原坡面基本保持一致）。

3.4.3 渣底盲溝

棄渣前，在堆渣區(qū)域的渣底布置排水盲溝。排水盲溝采用大石塊拋填（厚2 m、粒徑0.5～1.2 m、孔隙率不小于25%、質(zhì)地較好的砂巖石塊，頂面鋪設(shè)一層厚30 cm棄石渣，整平后鋪一層土工布，土工布上鋪設(shè)一層厚30 cm棄石渣保護(hù)層），拋填底寬同天然溝道，局部適當(dāng)調(diào)整。在排水盲溝出口處采用直徑1 m的預(yù)制鋼筋混凝土圓涵連接，涵管埋入擋渣墻中，涵管進(jìn)口處采用鋼筋網(wǎng)包裹。

3.4.4 渣體表面排水工程

渣體表面排水工程主要包含渣頂排水溝和馬道排水溝。堆渣結(jié)束后，在棄渣場(chǎng)頂面布置渣頂排水溝（兩端連接周邊排水溝）。渣頂排水溝全長(zhǎng)502 m，采用漿砌石梯形斷面，斷面尺寸為0.5 m×0.6 m（寬×深），邊坡1∶0.5，溝底縱坡0.5%（沿中間向周邊排水溝延伸）。為防止堆渣坡面水流沖刷渣體，在每一級(jí)馬道內(nèi)側(cè)布置馬道排水溝。馬道排水溝全長(zhǎng)約2 307 m，采用漿砌石矩形斷面，斷面尺寸為0.4 m×0.4 m（寬×深），溝底縱坡0.5%（沿中間向周邊排水溝延伸）。

3.4.5 土地整治工程

土地整治工程主要包括表土剝離、翻渣、土地平整、覆土、魚鱗坑整地、穴狀整地等。施工前，對(duì)棄渣場(chǎng)堆渣區(qū)域表層土進(jìn)行剝離，平均剝離厚度0.35 m。

棄渣結(jié)束后，對(duì)棄渣場(chǎng)頂面按1.7%的縱坡進(jìn)行翻渣。翻渣結(jié)束后，對(duì)棄渣場(chǎng)頂面及堆渣坡面進(jìn)行土地平整。土地平整結(jié)束后，對(duì)棄渣場(chǎng)頂面進(jìn)行覆土，覆土平均厚度30 cm;網(wǎng)格砌筑完工后，在堆渣坡面網(wǎng)格內(nèi)進(jìn)行覆土，覆土平均厚度30 cm。

3.4.6 斜坡防護(hù)工程

堆渣結(jié)束后，對(duì)堆渣坡面采取漿砌石網(wǎng)格進(jìn)行防護(hù)。網(wǎng)格尺寸為3 m×3 m，框架采用M7.5漿砌塊石砌筑，寬度為40 cm，高度為40 cm。

3.5 植物措施

堆渣完成后，對(duì)堆渣平臺(tái)及坡面回覆30 cm厚表土。對(duì)高程505 m和高程540 m平臺(tái)采取喬草結(jié)合恢復(fù)植被，在堆渣坡面格構(gòu)內(nèi)采取灌草結(jié)合恢復(fù)植被。其中，喬木選擇木棉和黃檀，混交比例1∶1，喬木株行距3.0 m×3.0 m;灌木選擇小檗、花椒，混交比例1∶1，灌木株行距2.0 m×2.0 m;草籽選擇狗牙根、野菊，混播比例1∶1，撒播量為100 kg/hm2。

3.6 臨時(shí)措施

臨時(shí)措施主要包括施工期間棄渣場(chǎng)內(nèi)臨時(shí)施工道路、堆渣區(qū)域臨時(shí)截排水溝。臨時(shí)道路的臨時(shí)截排水溝采用土質(zhì)梯形斷面，斷面尺寸0.4 m×0.4 m（寬×深），邊坡1∶1，溝底縱坡與道路路面一致。

堆渣區(qū)域臨時(shí)截排溝采用土質(zhì)梯形斷面，斷面尺寸為0.4 m×0.5 m（寬×深），邊坡1∶1，溝底縱坡約為0.5%。

4 實(shí)施效果

實(shí)施過(guò)程中，臨時(shí)排水措施導(dǎo)排了施工道路和堆渣區(qū)域的雨水，有效控制了施工期堆渣區(qū)域的水土流失。施工單位按照設(shè)計(jì)要求的堆置方案和堆填要求進(jìn)行施工，保證渣體具有一定程度的壓實(shí)，未出現(xiàn)因大塊石堆填而架空的情況，邊坡未見明顯滑移和塌陷，頂面未見明顯沉降和凹陷。擋渣墻、周邊排水溝和渣底盲溝運(yùn)行良好，未見明顯斷裂和失效情況。已實(shí)施的渣體表面排水工程和斜坡防護(hù)工程受沉降影響局部開裂，經(jīng)修復(fù)后可滿足表面排水要求。已實(shí)施的坡面灌草護(hù)坡生長(zhǎng)良好，植物根系固土作用明顯，具備水土保持功能，實(shí)施效果見圖2。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)卡洛特水電站3號(hào)棄渣場(chǎng)的水文、地形地質(zhì)條件，安全穩(wěn)定以及水土保持防治的要求，明確了棄渣堆填要求，分析了棄渣成分及堆置方案的穩(wěn)定性，采用工程措施、植物措施及臨時(shí)措施相結(jié)合的方法，布設(shè)了完善的水土保持防治措施體系。上述措施保證了大型坡地型棄渣場(chǎng)的安全，避免了水土流失，也可為類似生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目提供借鑒和參考。

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（編輯：高小雲(yún)）

Study on protection measure system of slope type spoil disposal yard：

a case of No.3 spoil disposal yard of Karot Hydropower Station in Pakistan

ZHONG Kang， HUANG Bin， FANG Shu

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.，Ltd.， Wuhan 430010，China）

Abstract：Slope type spoil disposal yards usually encounter steep terrains， large amount of wastes and high slopes， which directly affects the safety of spoil disposal yard and soil and water conservation. However， there are few studies on the prevention and control measure system of slope type spoil disposal yard. In this paper， taking No.3 spoil disposal yard of Karot Hydropower Station as an example and considering the characteristics of soil and water erosion in this region， the spoil composition and the stability of stacking scheme are analyzed. According to the requirements of hydrology， topography， geology， safety and stability， as well as the requirements of prevention and control of soil and water erosion for large spoil disposal yard， the requirements of spoil disposal stacking are clarified， and the overall layout of engineering measures， plant measures and temporary measures are put forward. The comprehensive system of prevention and control measures for slope type spoil disposal yard is formed. The study results can provide a reference for the prevention and control measure systems of other slope type spoil disposal yards.

Key words：large scale spoil disposal yard; slope type spoil disposal yard; protection measures system; Karot Hydropower Station; Pakistan