某泥石流沟道弃渣场防护设计方案研究

李瑞鸿，李跃强

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

在水利水电工程施工过程中，受地形和施工条件的限制，有时不得不考虑将弃渣置于工程区附近的泥石流沟道内，也因此埋下了一定的安全隐患。一方面，弃渣场渣体可能会受到泥石流活动的影响，对弃渣场自身的安全稳定性造成威胁；另一方面，弃渣场弃渣后将影响泥石流顺畅通行，若弃渣场失稳，很可能会成为泥石流主要物源，使得沟道内物源总量和不稳定物质显著增多，从而加重泥石流危害[1]。这就对泥石流沟道弃渣场的防护设计提出了更高的要求，在设计过程中需充分考虑泥石流因素的影响，以确保弃渣场的安全稳定性[2-8]。

1 弃渣场概况

弃渣场位于新疆某水电站工程引水发电洞施工支洞进口的一处泥石流沟道内，在施工支洞进口附近选择一处避开沟道主流方向且较为平坦的坡地作为弃渣地点，弃渣场类型为坡地型，堆渣量约5.5万m3，最终堆渣顶高程2710.5m，占地面积1.10hm2，最大堆渣高度15.5m，设计堆渣坡比为1∶2.5，在挡渣墙后2695.5和2700.5、2705.5m高程分别设置一道宽度为2m的马道。

1.1 弃渣场级别及防护工程级别

依据SL 575—2012《水利水电工程水土保持技术规范》[9]，弃渣场级别为5级，对应的拦渣工程(拦渣坝)级别为5级，排洪工程级别为5级。

1.2 防洪标准

依据SL 575—2012，该弃渣场防护工程防洪标准按10～20a一遇设计，20～30a一遇校核。考虑到该弃渣场若发生崩塌、滑坡，可能诱发泥石流，依据DZ/T 0239—2004《泥石流灾害防治工程设计规范》[10]，该弃渣场防治工程安全等级为3级，防洪标准按30a一遇设计，50a一遇校核。

结合该弃渣场实际情况，最终确定设计洪水标准为30a一遇，相应洪峰流量为22.4m3/s，校核洪水标准为50a一遇，相应洪峰流量为29.3m3/s。

1.3 地质条件

1.3.1地形地貌

弃渣场所在泥石流沟道地势北高南低，堆渣区域高程2695～2710m，是一个比较宽缓的斜坡，上游670m处为2条支沟交汇点，2条支沟沟底高程分别为2800～3030、2800～3165m，山包顶部高程为3554.7m。沟底平均坡降分别为252‰、434‰，沟域的汇水面积为4.15km2，落差较大，沟谷呈“V”字形峡谷地貌。由于基岩大多裸露，沟底有少量的洪积砂砾石，降雨或积雪融水很快汇入沟底，以地表径流或潜流的形式汇入下游河道。

1.3.2地层岩性

拦渣坝坝址部位岩土层的物理力学性质见表1—2。

表1 坝基覆盖层地质参数建议值

表2 坝址岩体地质参数建议值

1.3.3水文地质

本区地处高寒干旱地区，年降水量少，蒸发量大，从水文地质环境方面判断，高山区地下水较贫乏，盆地、河谷地带地下水丰富。根据现场调查推测，若发生50a一遇暴雨，其将会带动弃渣和沟内活动物源，从而发生稀性泥石流的概率较大。

1.3.4构造与地震

根据该水电站所做的工程场地地震危险性评估成果，50a超越概率10%水平向峰值加速度值为0.24～0.35g，相应地震基本烈度为Ⅷ度。

根据DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》[11]判别，工程区场地土类型属Ⅱ类中硬场地土，最大冻土深度1.77m。

2 弃渣场防护设计方案

2.1 泥石流主要特征值计算

经现场调查及研究分析，弃渣场所在沟道泥石流为水石型稀性泥石流，属于中低频-水砂型-暴雨-沟道型泥石流，规模为中型。

参照DZ/T 0239—2004、DZ/T 0226—2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》[12]、《泥石流防治工程技术》[13]进行计算。

泥石流洪峰流量:

Qc=(1+φ)·Qp·Dc

(1)

式中，Qc—50a一遇的泥石流洪峰值流量，m3/s；QD—50a一遇的暴雨洪水设计流量，m3/s；(1+φ)—可查表确定；Dc—泥石流堵塞系数。

经计算，泥石流洪峰流量为46.21m3/s。

一次泥石流过程总量：

Q=K·T·Qc

(2)

式中，K—系数；T—泥石流历时；其余变量含义同前所述。

经计算，一次泥石流过程总量为16800m3。

一次泥石流冲出固体物质总量：

QH=Q·(γc-γw)/(γH-γw)

(3)

式中，γc—泥石流重度；γw—清水重度；γH—泥石流中固体物质比重。

经计算，一次泥石流冲出固体物质总量为6109m3。

泥石流流速：

(4)

式中，n—清水河床糙率系数；R—水力半径，一般可用平均水深H代替，m；I—泥石流水力坡度，一般可用河床纵坡代替，‰。经计算，泥石流流速为7.18m/s。

泥石流冲击力：

(5)

式中，δ—泥石流体整体冲击压力，kPa；α—建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角，(°)；λ—建筑物形状系数。

经计算，泥石流冲击力为109.8kPa。

2.2 防护方案布设

在堆渣坡脚设置浆砌石挡渣墙，在弃渣场上游设置截(排)水沟，并按照稳定坡比进行弃渣堆置，堆渣外边坡设置框格梁植草护坡，以确保弃渣场自身安全。在弃渣场下游沟道内设置3道浆砌石重力式拦渣坝，第1道拦渣坝拦粗排细，第2道和第3道拦渣排水，拦截弃渣和泥石流固体物质，消减潜在的泥石流流量，降低因弃渣场失稳可能引发的泥石流危害。

2.2.1弃渣场防护方案

沿堆渣区域上游修建浆砌石截水沟，沿挡墙顶后平台和2705.5m高程马道分别设置一道马道排水沟，将汇水平顺引至沟道内。截水沟为梯形断面，采用浆砌石结构，下设10cm碎石垫层，两侧边坡系数均为0.5，净断面尺寸1.2m(宽)×1.0m(高)，壁厚0.4m；马道排水沟为矩形断面，采用浆砌石结构，下设厚度为10cm的碎石垫层，净断面尺寸0.5m(宽)×0.5m(高)，壁厚0.4m，截(排)水沟材料均为M10水泥砂浆砌筑块石，块石强度等级不低于Mu30。

沿堆渣坡脚设置浆砌石挡渣墙，挡渣墙顶标高2695.5m，高度2.3m，基础深度1.8m，顶宽0.6m，底宽2.86m，面坡铅直，背坡坡度为1∶0.7，下设100mm厚的碎石垫层，墙身设φ10cmPVC排水管，比降5%，向下游倾斜，排水管水平间距2m，排水管入口设置反滤包，挡渣墙及基础材料均为M10水泥砂浆砌筑块石，块石强度等级不低于Mu30。墙身和截(排)水沟每隔10m设置一道伸缩缝，地质变化及转折处增设沉降缝，缝宽2cm，采用缝内填充低发泡聚乙烯闭孔泡沫塑料接缝板。

对堆渣外坡面采取混凝土框格梁植草护坡，混凝土框格梁宽度0.5m，深度0.4m，框格采用菱形骨架，菱形骨架每个单元尺寸为2m×2m，框格内覆土植草绿化，覆土厚度为10cm。

2.2.2防护工程(拦渣坝)

根据泥石流主要特征值计算结果，并结合该沟道泥石流特点和地形条件，按照“多级拦挡，降低沟谷纵坡”的原则设置3道拦渣坝。弃渣场防护工程平面布置如图1所示。

图1 弃渣场平面布置(单位：m)

第一道拦渣坝采用多孔坝，下游面立视图、溢流坝段和非溢流坝段典型剖面分别如图2—4所示。

图2 1#拦渣坝下游面立视图(单位：m)

图3 1#拦渣坝非溢流坝段典型剖面图(单位：m)

图4 1#拦渣坝溢流坝段典型剖面图(单位：m)

第2道和第3道拦渣坝下游面立视图、溢流坝段和非溢流坝段典型剖面图分别如图5—7所示。

图5 2#和3#拦渣坝下游面立视图

图6 2#和3#拦渣坝非溢流坝段典型剖面图(单位：m)

图7 2#和3#拦渣坝溢流坝段典型剖面图(单位：m)

2.3 稳定性分析

2.3.1弃渣场稳定性分析

依据SL 575—2012，采用简化毕肖普法，对弃渣场进行正常运用工况和非常运用工况(地震、连续降雨)下的对渣体边坡及地基的抗滑稳定性计算，结果均满足规范要求。

对挡渣墙进行正常运用工况和非常运用工况(地震、连续降雨)下的抗滑稳定性、抗倾覆稳定行、基底应力及基底应力不均匀性计算，结果均满足规范要求。

2.3.2拦渣坝稳定性分析

采用刚体极限平衡方法，对1#拦渣坝、2#拦渣坝和3#拦渣坝分别进行空库过流和满库过流2种工况下的抗滑稳定、抗倾覆稳定及基底应力分析，结果均满足规范要求。

3 结语

本文泥石流沟道弃渣场采用弃渣场自身防护和下游泥石流排导方案相结合，形成综合防护措施体系。其中，弃渣场自身防护为常规防护措施，在施工前进行表土剥离，施工期间，对剥离表土采取临时拦挡和苫盖措施，沿弃渣场上游修建截水沟，在堆渣外坡面设置马道排水沟，在堆渣坡脚布置浆砌石挡渣墙，堆渣结束后，对堆渣外边坡设置框格梁植草护坡，最终渣顶面回填表土、乔灌草恢复植被。泥石流排导防治方案确定难度较大，需要结合沟道自身的泥石流特点、地形条件、现场调查和研究分析后最终确定，本工程根据泥石流主要特征值计算结果、泥石流特点和沟道地形条件，按照“多级拦挡，降低沟谷纵坡”的原则设置3道拦渣坝，起到了很好的灾害防治效果。