陜南低山區(qū)排土場水土保持防洪排導(dǎo)措施配置模式

靳宇蓉,王 琦,高羽邦

(1.陜西環(huán)保集團生態(tài)建設(shè)管理有限公司,陜西 西安 710043; 2.北京新橋技術(shù)發(fā)展有限公司,北京 100088)

排土場亦被稱為廢石場,主要是指采礦類項目集中堆排廢棄物的場所,多建在山區(qū)。排土場堆積的大多為廢石、廢土,是一種巨型人工松散堆墊體,存在嚴重的安全隱患。排土場排土過程中極易破壞原始地形地貌,大量的松散堆積體在降雨時極易產(chǎn)生水土流失[1-2];水是排土場形成滑坡或泥石流的“潤滑劑”,是排土場穩(wěn)定與否的敏感因素,排土場失穩(wěn)會導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害或重大工程事故發(fā)生,對排土場下游的設(shè)施造成嚴重威脅,同時會造成嚴重的水土流失,破壞生態(tài)環(huán)境[3]。因此,做好排土場防洪排導(dǎo)措施配置具有十分重要的意義。本研究以陜西省鎮(zhèn)安縣境內(nèi)東陽鎢礦直溝排土場為例,著重論述排土場防洪標準的確定、水文計算過程、措施配置及優(yōu)選等,以期為陜南低山區(qū)排土場水土保持措施配置提供科學依據(jù)。

1 概況

東陽鎢礦為鎢礦采選項目,露天+地下開采規(guī)模1 000 t/d,礦山總服務(wù)年限為15 a,場址位于陜西省商洛市鎮(zhèn)安縣月河鎮(zhèn)菩薩殿村,處于陜西省長江流域水土流失最為嚴重的陜南低山區(qū),占地面積40.71 hm2,設(shè)置排土場兩處,分別為直溝排土場和內(nèi)排排土場,其中直溝排土場為本次的研究對象。

直溝排土場位于直溝中游位置、沿溝道方向長約600 m處(見圖1),距離下游月河700 m,占地面積6.80 hm2,占地類型為坡耕地、農(nóng)用地及其他草地。直溝是典型的“V”形溝谷,溝道走向呈近直線形,溝長約2.5 km,匯水面積約1.7 km2,溝內(nèi)植被覆蓋率80%以上;直溝切割深10～30 m,高程850～1 600 m,整體地形北高南低,主溝縱坡坡降約22%,溝道整體較窄,溝底寬3～12 m;兩側(cè)山坡較陡,坡度40°～70°。直溝內(nèi)無長流水,僅在汛期因雨水匯集而形成少量連續(xù)水流,水量較小;流域內(nèi)出露巖性以厚層白云巖為主,表層風化較強烈,新鮮面巖石結(jié)構(gòu)較完整。直溝溝頭及溝道兩側(cè)基本沒有松散堆積物,僅在溝道兩側(cè)道路邊有少量人工堆土,溝口處未發(fā)現(xiàn)有明顯扇形堆積區(qū)。

圖1 直溝排土場位置示意

直溝排土場渣料成分為土石混合物,土石比約為1∶2.33。排土場采用多平臺排土,排土標高1 070～1 190 m,共分6級排土平臺,每級平臺堆置高20 m、寬10 m、邊坡比1∶2.0,頂部平臺標高1 190 m、寬280 m;排土場總堆置高度120 m,有效容積110.31萬m3,總坡面角18.19°。經(jīng)過安全穩(wěn)定性分析,以上直溝排土場堆置方案可確保排土場安全穩(wěn)定。

2 排土場等級及防洪標準

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》(GB 51018—2014),確定直溝排土場等級為二級,設(shè)計防洪標準為50 a一遇,校核標準為100 a一遇。

3 水文計算

直溝排土場水文計算采用匯水面積相關(guān)法與綜合參數(shù)法兩種方法進行。

1)匯水面積相關(guān)法,其計算公式為

QP=KPFn

(1)

式中:QP為設(shè)計頻率P的洪峰流量,單位m3/s;F為設(shè)計流域面積,單位km2;KP為設(shè)計頻率P的經(jīng)驗參數(shù);n為區(qū)內(nèi)綜合經(jīng)驗性指數(shù)。

采用式(1)計算直溝排土場洪峰流量,其結(jié)果見表1。

表1 匯水面積相關(guān)法計算結(jié)果

2)綜合參數(shù)法,其計算公式為

QP=KPFnJαHPβ

(2)

式中:J為主河道平均比降;HP為設(shè)計頻率P的點暴雨量,單位mm;α、β為區(qū)內(nèi)綜合經(jīng)驗性指數(shù);其余字母含義同前。

采用式(2)計算直溝排土場洪峰流量,其結(jié)果見表2。

表2 綜合參數(shù)法計算結(jié)果

由表1、表2可知,按匯水面積相關(guān)法計算,直溝排土場洪峰流量較大,從防洪安全上考慮,防洪排導(dǎo)措施設(shè)計時,應(yīng)采用表1計算結(jié)果,即設(shè)計洪峰流量為51.18 m3/s,校核流量為61.84 m3/s。

4 防洪排導(dǎo)措施配置

4.1 配置方案

排土場防洪排導(dǎo)措施的配置,應(yīng)在充分研究排土場水文地質(zhì)資料及現(xiàn)場勘查的基礎(chǔ)上開展。針對直溝排土場,提出了三種措施配置方案。

1)方案一。在排土場下游修建砌石攔渣壩;在左右岸修建排洪溝,沿排土場溝底設(shè)置盲溝,邊排土邊修筑邊界排洪溝,沿排土場平臺設(shè)置平臺排水溝;在下游出口處修建消力池消能;對渣面及平臺進行綠化。

2)方案二。在排土場下游修建砌石攔渣壩;在排土場上游兩條支溝溝口處修建截洪壩,配置排洪隧洞及豎井,將排土場上游來水通過排洪隧洞排至排土場西側(cè)溝道內(nèi);沿排土場溝底設(shè)置盲溝,邊排土邊修筑邊界排洪溝,沿排土場平臺設(shè)置平臺排水溝;在下游出口處修建消力池消能;對渣面及平臺進行綠化。

3)方案三。在排土場下游修建砌石攔渣壩;在排土場上游邊界處修建攔洪溢流壩,將上游來水攔擋后導(dǎo)入左右岸排洪溝排至下游;沿排土場溝底設(shè)置盲溝,邊排土邊修筑邊界排洪溝,沿排土場平臺設(shè)置平臺排水溝;在下游出口處修建消力池消能;對渣面及平臺進行綠化。

直溝排土場三種防洪排導(dǎo)措施配置明細見表3。

表3 直溝排土場三種防洪排導(dǎo)措施配置方案明細

4.2 排洪溝尺寸設(shè)計

直溝排土場防洪排導(dǎo)三種措施配置方案有所不同,導(dǎo)致排土場流水的走向不同、排洪溝過水流量不同,因此針對不同方案,設(shè)計排洪溝尺寸。

1)方案一中,直溝排土場上游無攔水設(shè)施,溝道來水僅靠排土場邊界排洪溝導(dǎo)排,因此邊界排洪溝的尺寸應(yīng)滿足下泄流量的要求。依據(jù)設(shè)計洪峰流量51.18 m3/s、校核流量61.84 m3/s,以及達西定律進行演算,排洪溝尺寸見表4。

表4 方案一排洪溝尺寸

2)方案二中,在上游支溝修建截洪壩,將上游溝道來水通過涵洞和豎井排至相鄰溝道內(nèi),緩解上游來水對排土場造成的影響,因此上游來水僅需考慮截洪壩以下至排土場兩側(cè)山坡來水。截洪壩下游至直溝排土場兩側(cè)山坡匯水面積均為0.25 km2,根據(jù)匯水面積相關(guān)法計算,Q2%=17.29 m3/s,Q1%=20.90 m3/s。根據(jù)設(shè)計的來水流量演算排洪溝的尺寸,其結(jié)果見表5。

表5 方案二排洪溝尺寸

3)方案三中,在直溝排土場上游修建攔洪溢流壩,將上游來水均勻地導(dǎo)流至直溝排土場左、右岸排洪溝,因此左、右岸排洪溝的過流能力需滿足設(shè)計的洪峰流量(Q2%=51.18 m3/s、Q1%=61.84 m3/s)的一半,即Q設(shè)2%=25.59 m3/s,Q校1%=30.92 m3/s。根據(jù)設(shè)計的來水流量演算排洪溝的尺寸,其結(jié)果見表6。

表6 方案三排洪溝尺寸

5 防洪排導(dǎo)措施比選

在確保排土場安全運行、建筑材料統(tǒng)一采購的情況下,結(jié)合最終造價確定直溝排土場防洪排導(dǎo)措施配置的最優(yōu)模式。對三種防洪排導(dǎo)措施方案經(jīng)濟性及優(yōu)缺點進行對比分析,其結(jié)果見表7。

表7 直溝排土場防洪排導(dǎo)措施方案比選

由表7可知,方案三安全性高,施工相對容易,造價適中,故優(yōu)選此方案。

6 結(jié)論

1)根據(jù)直溝排土場兩種水文計算方法,通過匯水面積相關(guān)法計算的洪峰流量大于通過綜合參數(shù)法計算的,實際工程應(yīng)用中應(yīng)選取較大的洪峰流量作為設(shè)計標準。

2)直溝排土場三種防洪排導(dǎo)措施配置方案中,配套的防洪建筑物種類越多(方案二),渣場安全性越高,施工也相應(yīng)更復(fù)雜,造價更高,而其配套的排洪溝尺寸卻較小,這是由于其他防洪建筑物分流導(dǎo)流,排洪溝的排洪負擔相應(yīng)減輕;直溝排土場上游無擋水、攔水建筑物時(方案一),會導(dǎo)致兩側(cè)排洪溝承擔的排洪流量較大,排洪溝尺寸相應(yīng)較大,如排土場上游來水較大時,將直接進入渣體,對排土場安全造成隱患;直溝排土場上游配套的防洪建筑物僅有擋水建筑物時(方案三),兩側(cè)排洪溝尺寸適宜,不僅可確保渣體的穩(wěn)定,而且造價適中,可在工程中推廣應(yīng)用。