某水库工程水土保持设计中弃渣场设计分析

周 琳

（海城市水利事务服务中心，辽宁 海城 114200）

1 工程概况

某水库工程是为解决该地区长期干旱、水资源供需矛盾突出而建设的以灌溉为主的小（1）型水库，工程由水库枢纽工程、灌溉管道工程组成。大坝为均质土坝，最大坝高23.3 m。溢洪道位于大坝左岸，控制段为开敞式宽顶堰，堰宽2.0 m，全长157 m；导流输水隧洞位于大坝左岸，全长242.5 m，洞身断面为有压段1.5 m×1.8 m矩形、无压段1.5 m×1.8 m城门洞型。灌溉管道工程总长9.391 km，由主管、支管及调蓄水池组成。

本工程在施工中共需布置2个弃渣场来堆放弃渣，方案初步选定弃渣场均选用M7.5浆砌石挡土墙进行拦挡，在弃渣场上游设置浆砌石截（排）水沟疏导雨水，并在截（排）水沟末端设置沉砂池，同时在马道及平台顶部设置排水沟防止产生坡面径流冲刷渣体。本工程弃渣由石料、土料、风化层及部分有机成分组成，石料为主要成分，可作为无粘性土考虑，密实性低，对维持渣体稳定不利。因此，为保证安全弃渣和施工安全，必须保证渣体稳定，主体工程开挖完工后，应按照设计堆渣坡比进行渣体修整，使其满足稳定要求[1]。

2 渣场设计

2.1 堆渣高度

水库工程中大坝、溢洪道及导流输水隧洞开挖产生的渣料由碎石、土及部分有机质组成，土占主要成分，渣体有一定凝聚力。渣体的边坡坡角及渣体高度是影响渣体边坡稳定的主要因素，在施工期间杜绝因弃渣不当造成的高陡边坡，同时设计时要确定合理的边坡坡角，充分利用渣料自身的稳定。本工程在渣场设计时充分考虑弃渣特性并结合渣场实际情况，参照同类工程的实际经验[2]，本项目渣场安息角在8°～30°之间，初步确定堆渣体永久边坡为1∶2.0～1∶2.5，堆渣高度在7.0 m～55 m之间。

2.2 挡渣墙确定

本工程设计的挡渣墙高度为5 m，挡墙断面尺寸为:迎渣面墙趾埋深1.2 m，背渣面墙趾埋深0.8 m，地面部分墙高5.0 m，顶宽0.5 m，墙面坡比1∶0.1，墙背坡比1∶0.5；两侧墙趾宽0.6 m。在挡渣墙基础以上每隔50 cm处布设Φ10排水孔，间排距为2 m×2 m，比降5%，向下游倾斜，呈菱形分布，每10 m设伸缩缝，挡渣墙所采用的砌石石料极限抗压强度不低于50 MPa。挡渣墙墙断面示意图见图1。

图1 挡渣墙横断面设计图

3 渣场稳定分析

3.1 渣体稳定分析

本文重点进行渣体在自重条件下的稳定计算与分析，保证渣体在自然条件下有足够的稳定，不致发生通过渣体或渣体与渣场基础的整体剪切破坏[3]。由于本项目所选渣场均位于相对较为平缓的沟箐，底坡坡度在20°左右，故基本不存在渣体与渣场底部的接触面发生整体剪切破坏，导致渣体整体滑动的现象。由于永久堆渣体最陡的坡比为1∶2.5，对应坡角为21.8°，虽然缓于渣体的自然休止角（取28°），但是仍存在受到外应力作用时发生通过渣体的剪切破坏而导致渣体的边坡失稳的可能。因此，采用条块间作用力的简化毕肖普（Simplified Bishop）法，运用理正岩土软件5.2版（北京理正软件设计院）中的边坡稳定分析模块对各个渣场的稳定性进行计算，计算参数如下:

渣体粘聚力C=10.0 kPa，内摩擦角φ=28°；基础层粘聚力C=10 kPa，土条总数18，单个土条宽1 m，地震裂度Ⅶ级，计算结果见表1。

表1 弃渣场渣体抗滑稳定性计算成果表

通过计算可知，弃渣场的渣体可以达到稳定且有一定的安全裕度。

3.2 挡土墙稳定计算

（1）挡土墙稳定计算计算应满足以下2个基本假定:

①按库仑土压力计算；

②清除覆盖层，地基按碎石地基。

（2）相关参数取值

根据现场地质调查并类比有关工程经验，提出各类岩（土）体的物理力学参数建议值，参数选取:砌体容重23.0 kN/m3，墙后填土综合内摩擦角28.0°，粘聚力10.0 kN/m3，墙后填土容重19.0 kN/m3，墙背与墙后填土摩擦角17.5°，地基土容重18.0 kN/m3，墙底摩擦系数0.4，地基土内摩擦角30°。

（3）稳定计算方法及结果

稳定计算主要包括抗滑稳定性和抗倾覆稳定性两个方面[4]，计算分析如下:

①抗滑稳定性

式中:Ks为抗滑安全系数；W为墙身自重，kN；Pax为主动渣压力水平分力，kN；Pay为主动渣压力垂直分力，kN；μ为基底摩擦系数，其中，Pax、Pay计算公式如下:

式中:&为墙背倾斜角度，°；ε为墙摩擦角，°；Pa为主动土压力，kPa；γ为渣体容重；H为坝高，含基础埋深，m；Ka为库仑主动土压力系数，查表或按下式计算，库仑主动土压力系数的计算公式:

式中:φ为渣体内摩擦角，°，本例取21°；ε为墙背与竖直线间夹角，本例取7°；φ0为渣体与墙背摩擦角，本例取18°；α为填渣坡面与水平线夹角，本例取25°。

②抗倾覆稳定性

主要通过抗倾覆最小安全系数的计算进行分析[5]，抗倾覆最小安全系数应满足Kt＞1.5。

式中:Kt为抗倾覆最小安全系数；∑MR为作用于墙身各力对前趾的稳定力距，m·N；∑MT为作用于墙身各力对前趾的倾覆力距，m·N；G0、Z0分别为坝体自重、坝体重心到前坝趾处的力臂；Gc、Zc分别为坝上渣体重量、坝上渣体重心至前坝趾处的力臂，t、m；PaY、ZY分别为主动土压力竖向分力、对应力臂 t、m；PaX、ZX分别为主动土压力水平向分力、对应力臂t、m。计算结果见表2。

表2 挡渣墙稳定性分析计算结果表

经分析计算，设计挡渣墙整体抗滑稳定和抗倾覆稳定均满足规范要求，并且留有一定的安全裕度，结构稳定。

3.3 渣场截（排）水沟设计

3.3.1 水力计算

保证排水体系通畅对于防治渣场小流域范围内的水土流失是十分重要的，设计时应在渣场周围的山坡上设置通畅的截（排）水沟，通过这些相互贯通的排水体系，保证渣场小流域范围内设计洪水安全排出。截（排）水沟断面形式采用浆砌石砌筑，设计应依据水文资料[6]，结合地形地质条件，选择合理的布置形式、形状、尺寸、纵坡、建筑材料，保证在设计洪水情况下水沟道不冲不淤，保证渣体稳定。

（1）洪峰流量

洪峰流量公式根据下式确定:

式中:q为设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度，mm/min；φ为径流系数，根据实据地形坡度和植被情况取值；F为山坡汇水面积，km2。弃渣场5年一遇洪峰流量计算结果见表3。

表3 P=20%最大洪峰流量计算表

（2）截（排）水沟断面设计

由于弃渣场径流面积较为对称，截（排）水沟的过水量采用径流区来水量一半进行计算。采用明渠均匀流公式进行断面复核计算:

式中:A为过水断面面积，m2；Q为设计坡面汇流洪峰流量，m3/s；C为谢才系数；R为水力半径；i为沟底坡降；n为糙率。

表4 排水沟设计断面过水能力计算表

根据表4，弃渣场截（排）水沟计算出的流量仍比设计流量大，能满足过流要求。

3.3.2 弃渣场措施工程量

（1）工程措施

1#、2#两个弃渣场修建需M7.5浆砌石挡渣墙44.6 m，开挖土石230.6 m3，M7.5浆砌石654.7 m3；M7.5浆砌石截水沟总长1488.4 m，土石方开挖253.9 m3，M7.5浆砌石853.4 m3，M10砂浆抹面2060.3 m2；马道及渣顶排水沟279.0 m，开挖土方89.3 m3；修建沉砂池2座，开挖土石方16.0 m3，M7.5浆砌石7.2 m3。

（2）植物措施

堆渣结束后，在弃渣场区栽植旱冬瓜6625株，人工换土6625株，撒播黑麦草和车桑子各2.650 hm2，抚育管理面积为2.650 hm2。

（3）临时措施

本方案设计对表土临时堆存场利用编织土袋挡墙进行临时拦挡，并在使用结束后拆除编织土袋临时挡墙。编织袋临时挡墙采用“品”字形紧密排列的堆砌方式，顶宽0.5 m，边坡1∶0.5，高1.5 m，编织袋装土直接利用剥离出的表土，恢复植被时将编织袋清理干净，袋中的表土用于绿化覆土。1#～12#临时堆土场共设置编织袋临时拦挡398.7 m，编织袋装土及拆除757.6 m3，土工布覆盖7129.5 m2。

4 结论及建议

弃渣场设计是水库施工中水土流失防治的关键技术，水利工程弃渣场的设置对减小工程弃渣扰动、加强水土保持至关重要，弃渣场水土保持设计必须纳入水库工程前期设计规划之中。该水库于2017年开始施工，施工中严格按照水土保持设计进行弃渣、堆渣，渣场挡墙及周边排水工施工，后期进行了必要的工程措施恢复，弃渣场设计合理、安全，在施工中预防水土流失作用显著。