水库工程弃渣场水土保持措施设计

杨建伟

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘察设计研究院,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 概况

某水库工程位于新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县境内,是一项控制性水利枢纽工程,具有灌溉、防洪、发电等综合利用任务。工程由挡水建筑物、泄水建筑物（表孔溢流道、导流兼泄洪冲沙洞）、发电引水系统（进水闸、上平洞、压力钢管）、电站厂房等组成。工程坝型为沥青混凝土心墙坝,最大坝高82 m,总库容1.25 亿m3,电站装机24 MW。依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》确定本工程等别为Ⅱ等大（2）型工程,其中主要建筑物为2 级建筑物,次要建筑物为3 级建筑物,临时建筑物为4 级建筑物。工程设计洪水标准大坝及泄水建筑物为100 年一遇。工程区地震基本烈度为Ⅷ度。

工程所在区域位于新疆维吾尔自治区西南部,地处塔里木盆地西缘、帕米尔高原之东,地貌类型属中山区。区域岩性主要有西域砾岩、砂卵砾石、含土块碎石、黄土、碎石土等。区域内地下水主要有二类,一种为第四系松散地层内的孔隙潜水；另一类为基岩裂隙水。气候类型属于典型的北温带大陆性干旱气候,多年平均气温为11.1℃,多年平均降水量为88.5 mm,多年平均蒸发量为1734.2 mm,多年平均风速为2.4 m/s,最大风速为30 m/s,最大冻土深度为131 cm。

项目区植被类型主要为荒漠植被,平均植被覆盖度约10%。工程区土壤侵蚀的主要类型为水力侵蚀和风力侵蚀,侵蚀强度均为轻度。原地貌土壤侵蚀模数确定为1000 t/（km2·a）,项目区土壤容许流失量确定为1000 t/（km2·a）。

2 弃渣场合理性分析与评价

弃渣场选址按照水土保持规范的规定严格执行,弃渣场选址不在泥石流易发区、固定半固定沙丘区等易引起严重水土流失的地区,工程征占地范围内不涉及国家级水土流失重点预防保护区和重点治理成果区,工程不占用国家水土保持定位观测站,弃渣场周边无公共设施、工业企业、居民点等,弃渣场选址不存在水土保持制约性因素,符合水土保持要求[1]。

本工程共布置4 处永久弃渣场,1#弃渣场用于堆放大坝左岸上游侧施工弃渣,2#弃渣场用于堆放大坝左岸下游侧施工弃渣,3#弃渣场用于堆放大坝右岸、导流洞、发电洞进口施工弃渣,4#弃渣场用于堆放导流洞、发电洞、施工支洞、溢洪道、厂房、交通洞施工弃渣。弃渣场平均堆渣高度按15 m控制。

各弃渣场特性见表1。

表1 弃渣场特性统计表

3 弃渣场水土保持措施设计

3.1 设计标准

根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）弃渣场及拦挡工程设计要求[2],弃渣场和挡土墙工程为5 级,排洪工程为5 级,林草工程为2级。设计洪水标准为20 年一遇,校核洪水标准为30 年一遇。

3.2 工程措施设计

3.2.1 边坡与堆高设计

弃渣场弃渣主要为大坝右岸、导流洞、发电洞进口、施工支洞、溢洪道、厂房、交通洞等施工弃渣。渣料主要由碎石土、卵石混合土、砂卵砾石等组成。弃渣场的高度和堆放边坡是影响渣体稳定的主要因素。因此弃渣场堆高与边坡的确定至关重要。本工程考虑弃渣场地基、弃渣料物理力学参数等资料,最终确定弃渣场堆渣边坡为1∶2,堆渣高度11 m～20 m。

3.2.2 挡渣墙设计

本工程挡渣墙为重力式挡渣墙,墙高4 m,地下埋深2 m,墙顶宽1 m,墙背坡比1∶0.5。挡渣墙为M7.5浆砌石挡渣墙,坡面防护采用30 cm厚的M7.5 浆砌石护坡,破面浆砌石护坡每隔2 m布置直径5 cm的PVC排水管,比降5%,呈梅花形布置[3]。挡渣墙每隔10 m设置一道伸缩缝,1#弃渣场挡渣墙设计长度532 m,根据挡渣墙尺寸,需浆砌石1757 m3,φ100 PVC管318 m。2#弃渣场挡渣墙设计长度600 m,需浆砌石1844 m3,φ100PVC管334 m。3#弃渣场挡渣墙设计长度630 m,需浆砌石1903 m3,φ100PVC管345 m。4#弃渣场挡渣墙设计长度650 m,需浆砌石1903 m3,φ100PVC管345 m。

3.2.3 稳定性计算

本文重点为通过计算和分析弃渣场及其挡渣墙在自重条件和地震条件下的稳定性,从而保证弃渣场无论在何种工况下都能够稳定,不会发生边坡滑动及挡渣墙的滑动和倾覆。本工程弃渣场均位于大坝两岸的阶地上,地表为上更新统冲洪积（Q3alp）含土砂砾石层,厚度20 m～60 m。弃渣料物理力学参数：天然容重18 kN/m3,饱和容重20 kN/m3,内摩擦角38.3°。渣场地基物理力学参数：天然容重21 kN/m3,饱和容重23 kN/m3,内摩擦角31°,粘聚力5 kPa。

（1）渣场抗滑稳定计算方法

按照《水利水电工程水土保持技术规范》（SL 575-2012）相关要求,弃渣场边坡抗滑稳定性分析计算按采用毕肖普法进行计算,选取最大堆高处作为计算断面。采用中国水利水电科学研究院的土质边坡稳定分析程序（STAB）进行计算。计算结果见表2。

表2 弃渣场边坡稳定安全系数计算结果

由表2可知,弃渣场边坡安全稳定计算结果均大于允许值,均满足规范和设计指标要求,弃渣场边坡稳定。

（2）挡渣墙抗滑、抗倾覆稳定计算方法

根据地质勘探实验资料及相关工程的经验,各类岩土体的物理力学参数值如下：砌体容重23 kN/m3,墙后填土综合内摩擦角38.3°,墙后填土容重18 kN/m3,墙背与墙后填土摩擦角17.5°,地基土容重21 kN/m3,墙底摩擦系数0.4[4],地基土内摩擦角31°,粘聚力5 kPa 。

根据《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）,抗滑稳定验算公式：

式中：Kc为挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；∑G 为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载,kN；∑H 为作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载,kN；A为挡土墙基底面的面积,m2；ϕo为挡土墙基底面与土质地基之间的摩擦角,（°）；c0为挡土墙基底面与土质地基之间的粘聚力,kPa。

根据《水工挡土墙设计规范》（SL 379-2007）,抗倾覆稳定验算公式：

式中：Ko为挡土墙抗倾覆稳定安全系数；∑MV为对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩,kN·m；∑MH为对挡土墙基底前趾的倾覆力矩,kN·m。

挡渣墙的抗滑、抗倾覆稳定性采用理正软件进行验算,计算结果见表3。

表3 挡渣墙抗滑、抗倾覆安全系数计算结果

由表3可知,挡渣墙抗滑、抗倾覆安全稳定系数计算结果均大于允许值,均满足规范和设计指标要求,挡渣墙抗滑、抗倾覆稳定。

3.3 植物措施设计

植物措施是指在水利工程建设期间为防治项目区水土流失,保护、改良和合理利用水土资源所采取的造林、种草等措施。主要作用是增加地表植被覆盖,避免坡面土壤受到雨滴击溅和暴雨径流的冲刷[5]。本工程弃渣场植物措施恢复应遵循因地制宜、适地适树、注重生态景观协调性的原则,统一规划,合理布局[6～7]。工程项目区地表植被盖度不足5%,地表土壤以淡棕钙土、砾质土为主,多年平均降雨量88.5 mm,项目建设区占地以荒漠草地为主。经现场调查,项目区土壤贫瘠,植物措施应选耐干旱、耐贫瘠的乡土植物种类。

弃渣场堆渣后地表被弃渣覆盖,无植被生长的土壤条件,为提高植物措施的成活率,对植物措施实施区域进行覆土,覆土厚度按30 cm控制,覆土方量为51930 m3。覆土后对覆土区域采取播撒草籽措施,草种主要选择芨芨草、狗牙根、假木贼等混合草种,草籽用量按120 kg/hm2播撒,共需草籽2077 kg。

4 结论

本文通过对某水库工程地貌、地质、气象以及弃渣物理力学参数等条件分析,遵循“先拦后弃”原则,确定弃渣场设计边坡为1∶2、设计高度11 m～20 m、弃渣场坡脚采用重力式浆砌石挡渣墙防护,弃渣场坡面和渣顶采用播撒草籽植物措施,利用工程措施的时效性和植物措施的远期恢复效果,有效防止渣场区域的水土流失,减少水土流失量,符合水土保持要求。