復(fù)合型棄渣場(chǎng)布置及防護(hù)研究

黃斌　仲康　方舒

摘 要：由于棄渣場(chǎng)選址過(guò)程中，從減少運(yùn)距、降低運(yùn)渣費(fèi)用、減少征占地等角度的考量，往往將棄渣場(chǎng)布置在臨近樞紐工程附近的溝道內(nèi)。一方面，這些棄渣場(chǎng)具有溝道型棄渣場(chǎng)的特點(diǎn)，即渣體占?jí)簻系溃韪袅松嫌螠系赖男泻橥ǖ?；另一方面，這些棄渣場(chǎng)又兼有臨河型棄渣場(chǎng)的特點(diǎn)，即渣腳位于河道水位以下，易受河道洪水的淘刷。以卡洛特水電站1#渣場(chǎng)為例，通過(guò)多方案比選確定棄渣場(chǎng)的布置方案，并從有利于加速渣體的沉降和提高渣體的穩(wěn)定性角度，分析較合理的棄渣分區(qū)分層堆置方案，最終提出系統(tǒng)的棄渣安全堆置和系統(tǒng)防護(hù)方案，保障棄渣場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞：卡洛特水電站；復(fù)合型棄渣場(chǎng)；1#渣場(chǎng)；棄渣場(chǎng)布置；棄渣場(chǎng)防護(hù)方案

中圖分類號(hào)：TV52? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2023）12-0114-04

0 引言

棄渣場(chǎng)一般分為溝道型棄渣場(chǎng)、坡地型棄渣場(chǎng)、臨河型棄渣場(chǎng)、平地型棄渣場(chǎng)和庫(kù)區(qū)型棄渣場(chǎng)[1]。在有些棄渣場(chǎng)布置時(shí)，兼具上述類型的兩種及以上，且均為影響棄渣場(chǎng)安全的主導(dǎo)因素，這些就是復(fù)合型棄渣場(chǎng)。

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，吳偉、杜運(yùn)領(lǐng)于2014年提出了復(fù)合型棄渣場(chǎng)的概念[2]，對(duì)各類復(fù)合型棄渣場(chǎng)的水土流失特征、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了初步探討[3]，并提出在復(fù)合型棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮各類型棄渣場(chǎng)的特點(diǎn)采取綜合的防護(hù)方案。本文以卡洛特水電站1#渣場(chǎng)為例，研究復(fù)合型棄渣場(chǎng)的布置及防護(hù)方案。

1 工程概況

卡洛特水電站壩址位于巴基斯坦旁遮普省與AJK特區(qū)交界處的Karot橋上游1.0 km處，是巴基斯坦境內(nèi)吉拉姆河規(guī)劃的5 個(gè)梯級(jí)電站的第4級(jí)。工程為單一發(fā)電任務(wù)的水電樞紐，水庫(kù)正常蓄水位461 m，設(shè)計(jì)洪水位461.13 m，水庫(kù)總庫(kù)容1.88 億m3，電站裝機(jī)容量720 MW，多年平均年發(fā)電量32.06 億kW·h。

工程施工總工期為5年（60 個(gè)月），主體工程開(kāi)挖及拆除總量1 381.81 萬(wàn)m3（自然方，下同），棄渣總量1 023.24 萬(wàn)m3（換算松方1 330.21 萬(wàn)m3），共規(guī)劃了1#～4#共4個(gè)存棄渣場(chǎng)。

2 1#渣場(chǎng)概況

1#渣場(chǎng)位于大壩左岸下游約550 m的6號(hào)沖溝溝口，為溝道型棄渣場(chǎng)。1#渣場(chǎng)占地面積15.37 hm2，堆渣量約420 萬(wàn)m3，主要堆存大壩、導(dǎo)流洞、溢洪道開(kāi)挖及下游圍堰拆除、廠房尾水圍堰和溢洪道預(yù)留巖埂拆除的棄渣。

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51018—2014）和《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》（SL 575—2012），1#渣場(chǎng)級(jí)別為2 級(jí)，相應(yīng)地?cái)r渣堤級(jí)別為2 級(jí)，排洪溝級(jí)別為2 級(jí)。排洪溝設(shè)計(jì)、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)分別為50 年一遇、100 年一遇，相應(yīng)地洪峰流量分別為549 m3/s、622 m3/s[4]。排水溝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇，超高取0.3 m。斜坡防護(hù)工程級(jí)別為3 級(jí)，植被恢復(fù)與建設(shè)工程級(jí)別為1 級(jí)。

3 棄渣場(chǎng)布置方案研究

3.1 棄渣場(chǎng)布置方案比選

1#渣場(chǎng)位于6號(hào)沖溝溝口，溝道兩側(cè)山高坡陡。6號(hào)沖溝匯流面積大，洪水標(biāo)準(zhǔn)高且洪峰流量大。為滿足棄渣堆存需要且不影響溝道的行洪安全[5]，棄渣場(chǎng)的布置方案均需要與排洪措施緊密聯(lián)系[6-7]。經(jīng)分析，擬定的堆置方案主要有坡面排洪溝堆置方案（方案一）和排洪隧洞堆置方案（方案二）。

方案一是左側(cè)坡面排洪溝堆置方案。排洪溝沿棄渣場(chǎng)左側(cè)坡面修建，上游側(cè)修建修建攔渣堤，下游側(cè)利用路基攔擋。該方案規(guī)劃堆渣高程399.0～505.0 m，堆渣邊坡1∶2，每堆高10 m布置一級(jí)2 m寬?cǎi)R道，并在高程450 m、480 m各布置一級(jí)寬平臺(tái)。

方案二是左側(cè)排洪隧洞堆置方案。利用排洪隧洞導(dǎo)排堆渣區(qū)上游側(cè)的匯水，棄渣場(chǎng)上游側(cè)修建擋水壩[8-9]。該方案規(guī)劃堆渣高程399.0～500.0 m，其余布置同方案一。

上述兩個(gè)布置方案的棄渣場(chǎng)級(jí)別、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相同，僅堆渣高度相差5 m。方案二的優(yōu)點(diǎn)在于水流從排洪隧洞導(dǎo)排，堆渣不受排洪設(shè)施影響，但需要在排洪隧洞具備過(guò)流條件后方可堆渣，對(duì)于主體工程施工進(jìn)度有一定影響。方案一的優(yōu)點(diǎn)在于隨左側(cè)坡面排洪溝修建，可利用已修建的排洪溝臨時(shí)過(guò)流，在排洪溝保護(hù)范圍棄渣，不會(huì)對(duì)主體工程施工造成影響。從便于工程施工考慮，推薦方案二左側(cè)排洪溝布置方案。

3.2 棄渣分區(qū)分層堆置方案

1#渣場(chǎng)棄渣主要來(lái)源為覆蓋層、溢洪道和導(dǎo)流洞開(kāi)挖的砂巖和泥巖，其中砂巖結(jié)構(gòu)完整強(qiáng)度高，物理力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間變化較小。泥巖剛開(kāi)挖時(shí)較完整，結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度與原狀泥巖基本一致。但受降雨影響遇水易軟化，且含水率降低后結(jié)構(gòu)松散，形成松土，物理力學(xué)參數(shù)明顯降低，泥巖及其軟化松散物對(duì)棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性影響大。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件，覆蓋層主要由推土機(jī)和挖掘機(jī)清挖，砂巖和泥巖開(kāi)挖主要為鉆爆發(fā)施工，形成的渣料粒徑主要約0.15～0.8 m。因此，從有利于渣場(chǎng)的穩(wěn)定出發(fā)，將開(kāi)挖的石渣料盡量堆置在渣場(chǎng)底部及渣場(chǎng)上下游臨空側(cè)。結(jié)合碾壓式土石壩堆石料分層碾壓施工經(jīng)驗(yàn)及本工程渣料特性等，將棄渣分層堆放。擬定臨坡側(cè)5.0 m范圍，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。

3.3 棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性復(fù)核

根據(jù)推薦的棄渣場(chǎng)布置分析，上游側(cè)堆渣邊坡緊鄰6號(hào)沖溝，最大堆渣高度56 m，坡腳布置攔渣堤，邊坡主要受降雨、地震、河道頂沖、水位消落和自身堆置形式影響。邊坡失穩(wěn)易造成棄渣場(chǎng)失穩(wěn)和河道堵塞等。左側(cè)邊坡與排洪溝平行，一部分與原狀山體相接，其余部分與排洪溝擋墻相接，最大堆渣高度55 m，邊坡主要受降雨、地震、和自身堆置形式影響。邊坡失穩(wěn)易造成棄渣場(chǎng)失穩(wěn)和排洪溝堵塞等。下游側(cè)邊坡緊鄰吉拉姆河，最大堆渣高度107 m，坡腳布置攔渣堤，邊坡主要受降雨、地震和自身堆置形式影響。邊坡失穩(wěn)易造成棄渣場(chǎng)失穩(wěn)、侵占河道和破壞電站尾水水流條件等。采用摩根斯頓-普賴斯法對(duì)上述典型邊坡抗滑穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。計(jì)算結(jié)果表明，在擬定的堆置方案條件下堆渣邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

4 防護(hù)方案研究

4.1 防護(hù)措施體系

根據(jù)棄渣場(chǎng)周邊地形條件、水文條件、堆渣布置方案等，確定1#渣場(chǎng)的防護(hù)措施體系如表2，1#渣場(chǎng)平面布置如圖1。

4.2 防洪排導(dǎo)工程

4.2.1排洪溝

根據(jù)堆渣區(qū)地形條件，排洪溝沿左側(cè)坡面開(kāi)挖，進(jìn)口溝底高程448.0 m，出口溝底高程386.08 m，平均縱坡9.80%。溝身為梯形斷面，底寬10.0～12.0 m，溝深5.0～6.5 m，邊坡坡度為1∶0.5。根據(jù)沿線構(gòu)筑物及擋渣等需要，采用貼坡式襯砌和重力式擋墻結(jié)構(gòu)。底板厚度0.6～0.8 m，采用C30鋼筋混凝土襯砌，下鋪10 cm厚C15混凝土墊層。

4.2.2 渣底溝道處理

棄渣前，擬在堆渣占?jí)旱臏系撞贾门潘?。排水盲溝頂?0.5 m，兩側(cè)邊坡1∶1。采用大石塊拋填，塊石拋填厚度不少于2 m，頂面鋪設(shè)一層土工布，防止上部渣料中的細(xì)顆粒堵塞盲溝。土工布上下分別布置一層30 cm厚碎石保護(hù)層和30 cm厚碎石過(guò)渡層。

4.2.3?周邊截排水溝

周邊截水溝包括1#截水溝、2#截水溝，主要用于引排渣場(chǎng)右側(cè)坡面匯水。其中，1#截水溝引排渣頂至攔渣堤坡腳的右側(cè)坡面匯水，全長(zhǎng)約510 m，采用梯形斷面，底寬0.6 m，溝深0.8 m，邊坡坡度為1∶0.5。溝底縱坡與原坡面一致，采用M7.5漿砌石砌筑。2#截水溝引排渣頂至1#公路之間右側(cè)坡面匯水，全長(zhǎng)約260 m，采用梯形斷面，底寬0.5 m，溝深0.6 m，邊坡1∶0.5。溝底縱坡與原坡面一致，采用M7.5漿砌石砌筑。在1#截水溝和2#截水溝陡坡段溝段設(shè)臺(tái)階式消能，臺(tái)階高度0.3 m，臺(tái)階寬度根據(jù)地形縱坡確定。

4.3 攔渣工程

根據(jù)棄渣場(chǎng)布置，棄渣場(chǎng)右側(cè)與山體相交，上游側(cè)（排洪溝進(jìn)口右側(cè)）、下游側(cè)（臨吉拉姆河）和臨排洪溝側(cè)均存在放坡。其中，臨排洪溝側(cè)利用排洪溝側(cè)墻形成攔渣結(jié)構(gòu)，上游側(cè)和下游側(cè)需要布置攔渣設(shè)施。棄渣場(chǎng)下游側(cè)，除攔渣功能外，還需要防止吉拉姆河洪水的影響。經(jīng)分析，施工期50年一遇條件下下游側(cè)堆渣坡腳處的吉拉姆河水位為409.75 m，運(yùn)行期電站4臺(tái)機(jī)組滿發(fā)條件下游側(cè)堆渣坡腳處的吉拉姆河水位為404.45 m。

結(jié)合1#公路和3#公路布置，在1#渣場(chǎng)臨河側(cè)有1#路和3#路路基回填形成的路基攔擋，頂面高程420 m，高于施工期50年一遇河道洪水位。在高程410 m以下采取了框格梁+干砌石的防護(hù)方案，在河道水位以上采取了框格梁+灌草護(hù)坡的方式，滿足水土保持要求，可以作為渣體下部攔擋工程。

為攔擋渣體，擬在排洪溝進(jìn)口右側(cè)堆渣坡腳修建攔渣堤。攔渣堤堤頂高程為460.0 m，最大堤高約20.0 m，堤頂寬6.3～10.0 m，迎水面邊坡坡度為1∶2.25，背水側(cè)邊坡坡度為1∶1.75。在攔渣堤上游迎水面設(shè)50 cm厚C25鋼筋混凝土面板，下鋪100 cm厚砂礫石墊層。

攔渣堤前最大設(shè)計(jì)水深約14 m，需要考慮基礎(chǔ)滲流和與山體連接部分的滲流影響。在攔渣堤迎水面下部設(shè)C15混凝土趾墻，墻頂高程448.0 m，墻寬2.0 m，基礎(chǔ)伸入基巖，最大墻高8.0 m，趾墻與面板之間水平縫采取PVC止水。在攔渣堤右側(cè)與山體相交處的強(qiáng)風(fēng)化上部巖石上，布置C25鋼筋混凝土趾板。趾板頂面高程為448.0～460.0 m，趾板寬度為2.0 m，厚度不小于0.5 m，趾板與面板之間周邊縫采取PVC止水。沿趾墻和趾板中部各布置一排固結(jié)兼帷幕灌漿孔，間距2.0 m，帷幕底線深入到基巖透水率≤10 Lu巖層?；鶐r透水率通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)確定。防滲帷幕設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)為灌后基巖透水率≤10 Lu。

4.4 渣體表面排水工程

渣體表面排水工程包括渣頂排水溝、馬道排水溝、坡面排水溝及坡腳排水溝（包含1#排水溝和2#排水溝）。其中，渣頂排水溝主要排除棄渣場(chǎng)頂面匯水，為漿砌石梯形斷面，底寬0.4 m，深0.6 m，邊坡坡度為1∶0.5，采用30 cm厚M7.5漿砌石砌筑。

馬道排水溝主要排除上一級(jí)坡面匯水，為漿砌石矩形斷面，底寬0.4 m，深0.4 m，采用30 cm厚M7.5漿砌石砌筑。

坡面排水溝主要排除渣頂排水溝、馬道排水溝匯水，共布置4條，為漿砌石矩形斷面，底寬0.8 m，深0.4 m，采用30 cm厚M7.5漿砌石砌筑。

坡腳1#排水溝主要排除部分堆渣區(qū)及外側(cè)坡面匯水，為漿砌石梯形斷面，底寬0.4 m，深0.5 m，邊坡坡度為1∶0.5，采用30 cm厚M7.5漿砌石砌筑。

坡腳2#排水溝主要排除部分堆渣區(qū)及外側(cè)坡面匯水，為漿砌石梯形斷面，底寬0.4 m，深0.4 m，邊坡坡度為1∶0.5，采用30 cm厚M7.5漿砌石砌筑。

4.5 斜坡防護(hù)工程

堆渣結(jié)束后，對(duì)堆渣坡面及頂面進(jìn)行平整。在平整完工后，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3.0 m×3.0 m，框架采用M7.5漿砌塊石砌筑，寬度為40 cm，高度為40 cm。

4.6 土地整治工程

項(xiàng)目占地區(qū)主要為林草地，周邊土源較少，為滿足后期恢復(fù)植被用土需要，在堆渣前應(yīng)盡量剝離擬占?jí)簠^(qū)的表土，剝離厚度約20～30 cm，剝離的表土運(yùn)至指定的堆存區(qū)堆存并采取臨時(shí)攔擋和苫蓋措施。

在堆渣結(jié)束后，根據(jù)棄渣場(chǎng)頂面平整度情況，對(duì)凹凸不平的區(qū)域進(jìn)行必要的平整。在平整結(jié)束后，對(duì)棄渣場(chǎng)頂面和堆渣坡面框格內(nèi)回覆前期剝離的表土，覆土厚度30 cm。

4.7 植被恢復(fù)與建設(shè)工程

在覆土完工后，根據(jù)棄渣場(chǎng)頂面和坡面立地條件，擬將棄渣場(chǎng)頂面恢復(fù)為林地，堆渣坡面采取框格內(nèi)灌草護(hù)坡。其中，頂面喬灌木選擇當(dāng)?shù)剡m生的木棉和黃檀混交，株行距均為3.0 m。采取穴狀整地，穴徑0.5 m，穴深0.5 m。林下撒播狗牙根、野菊草籽，撒播量為100 kg/hm2。

堆渣坡面網(wǎng)格內(nèi)覆土結(jié)束后，在堆渣坡面菱形網(wǎng)格內(nèi)栽植小檗、花椒，株行距均為2.0 m。采取魚(yú)鱗坑整地，長(zhǎng)徑0.6 m，短徑0.4 m，深0.4 m。林下撒播狗牙根、野菊草籽，撒播量為100 kg/hm2。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)卡洛特水電站1#渣場(chǎng)布置及防護(hù)進(jìn)行回顧，總結(jié)了具有臨河型和溝道型特點(diǎn)的復(fù)合型棄渣場(chǎng)的布置及防護(hù)方案，主要有以下4點(diǎn)。

第一，棄渣場(chǎng)的布置，應(yīng)結(jié)合場(chǎng)址的地形地質(zhì)條件、上下游水文條件等確定。在臨河側(cè)需結(jié)合河道行洪安全考慮棄渣場(chǎng)的坡腳布置方案。對(duì)位于大流量溝道內(nèi)的棄渣場(chǎng)，從長(zhǎng)期安全運(yùn)行、后期管護(hù)等角度出發(fā)，在渣場(chǎng)布置時(shí)宜優(yōu)先考慮采用排洪溝（渠）的方式導(dǎo)排堆渣區(qū)上側(cè)的溝道匯水。

第二，對(duì)于具有溝道型和臨河型特點(diǎn)的復(fù)合型棄渣場(chǎng)，通過(guò)將開(kāi)挖的石渣料堆置在渣場(chǎng)底部及渣場(chǎng)上下游臨空側(cè)，并分區(qū)分層堆放棄渣，以加速渣體的沉降，提高渣體的密實(shí)度和穩(wěn)定性。在1#渣場(chǎng)棄渣堆填施工后，根據(jù)渣場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)成果，高程480 m以下的堆渣坡面變形在兩年內(nèi)逐漸收斂，已實(shí)施的表面框格護(hù)坡保存完好，未出現(xiàn)破損或裂隙等，充分說(shuō)明棄渣場(chǎng)的布置和分區(qū)分層堆放棄渣方案是合理的。

第三，在考慮復(fù)合型棄渣場(chǎng)的防護(hù)方案時(shí)，需要兼顧臨河側(cè)河道水位消落對(duì)堆渣邊坡的影響?？筛鶕?jù)河道水文情勢(shì)、堆渣坡腳處的水位、流速等，采取干砌石、漿砌石、混凝土板、框格梁+干砌石、框格梁+混凝土板等護(hù)坡型式，以控制河道水流對(duì)堆渣邊坡的沖刷。

第四，根據(jù)棄渣場(chǎng)的布置條件和水土流失特點(diǎn)，制定系統(tǒng)性的防護(hù)措施體系，既解決了臨河側(cè)河道和溝道的行洪安全問(wèn)題，又保障了工程順利棄渣和棄渣場(chǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定安全，具有很好的水土保持效果。

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收稿日期：2023-09-12

作者簡(jiǎn)介：黃斌（1981—），男，湖北孝感人，研究生，高級(jí)工程師，從事水土保持設(shè)計(jì)及研究工作。