沟道型弃渣场排水设施设计

兰景涛，丛日亮，赵会林

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 引言

沟道型弃渣场是指将弃渣堆放在沟道内，堆渣体将沟道全部或部分填埋，适用于沟底平缓、肚大口小的沟谷[1-2]。由于堆渣阻隔了沟道天然洪水的自然下泄，在弃渣场上游汇集了大量的汇水，弃渣场的安全稳定受到影响，导致渣体内部凝聚力和黏聚力等物理参数降低，渣体失稳，甚至诱发滑坡和泥石流等灾害[3-6]；同时弃土弃渣被水流冲蚀进入下游河道，造成河道淤积，毁坏水利设施，影响正常行洪和水利工程效益的发挥，甚至引起洪涝或者地质灾害[7]。

因此，排水设施是沟道型弃渣场水土流失综合防治的重要设施之一，可保障降水和沟道上游来水安全排泄，对弃渣场及其下游基础设施的安全、弃渣场植被恢复、复垦利用等具有重要的意义。

2 工程概况

2.1 工程基本情况

垣曲东南庄至岭沟道路工程位于山西运城市垣曲县解峪乡境内，线路总长度15.672 km，起点为东南庄村口北侧约200 m处，终点为岭沟高程950 m附近，沿线布置两条隧道，#1隧道长约808 m，#2隧道长411 m。工程设计等级为公路三级，设计行车速度30 km/h，行车道宽6.5 m，两侧土路肩宽0.5 m，采用水泥混凝土路面，交通荷载分级为重交通等级，桥涵荷载为公路-Ⅱ级荷载。

工程占地面积58.08 hm2，其中永久占地面积为44.30 hm2，临时占地面积为13.78 hm2。工程土石方总量228.20万m（3自然方，下同），其中土方开挖64.35万m3，石方开挖102.25万m3，填方61.60万m3，余方105.00万m3（松方146.21万m3）。工程总投资29 996.27万元，其中土建投资22 075.02万元。工程于2020年8月开工，2022年1月完工，建设总工期18个月。

2.2 气象特征

项目区属暖温带半湿润大陆性季风气候区，四季分明。春季干旱多风，夏季雨量集中，冬季少雪干燥。多年平均气温13.3 ℃。多年平均降水量628.2 mm，降水量年内分配不均，降雨量主要集中在夏季，7月～9月降雨量占全年降水量的56.5%。多年平均蒸发量1999.1 mm。多年平均风速2.6 m/s，相应风向为NW。多年平均日照时数达2088.0 h，≥10 ℃积温4899.2 ℃，无霜期236 d，最大冻土深度37 cm，最大积雪深度19 cm。

2.3 弃渣场布设

本工程沿线共设置11个弃渣场地，占地面积总计13.78 hm2，占地类型为林地，均属于沟道型弃渣场，弃渣总量为146.21万m3。弃渣场基本情况见表1。

表1 弃渣场基本情况表

3 排水设施设计

3.1 设计标准

（1）弃渣场级别。根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018—2014），按照各渣场堆渣量、最大堆渣高度、渣场失事对主体工程或环境造成的危害程度，确定#3、#7、#8、#9弃渣场级别为3级，其余弃渣场级别为4级。

（2）排水工程级别及设计标准。根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018—2014），#3、#7、#8、#9弃渣场排洪工程级别为3级；其余弃渣场排洪工程级别为4级。因工程地处国家级水土流失重点治理区，排洪工程级别提高1级，确定#3、#7、#8、#9弃渣场排洪工程级别为2级；其余弃渣场挡排洪工程别为3级。

（3）设计洪峰流量。根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018—2014），并结合各渣场排洪工程级别，确定各渣场的防洪标准。根据各弃渣场的汇水面积，计算设计洪峰流量，具体见表2。

表2 弃渣场水土保持工程设计标准及防洪标准

3.2 排水设施布设

参照《水电工程弃渣场设计规范》（NB/T35111—2018），本工程弃渣场的排水设施主要包括渣体底部排水盲沟，马道内侧和渣顶前沿排水沟，渣顶和渣坡排（截）水沟，以及施工期临时排水沟[8]。

（1）排水盲沟。沟底清表后，在渣场底部低洼处布设块石排水盲沟，盲沟沟槽底宽1.0 m，顶宽2.0 m，两侧边坡坡比1∶0.5，深1.0 m，延伸至下游挡渣墙。块石回填后，在盲沟顶部铺设土工布。

（2）马道排水沟。在渣体马道内侧和渣顶前沿设置预制混凝土排水沟，将渣顶和坡面上的汇水引至渣场截水沟内，防止对渣体稳定产生影响。排水沟为矩形断面，断面尺寸为0.4m×0.5m（宽×深）。

（3）渣顶排（截）水沟。#1渣场、#4渣场和#10渣场上游侧道路设置涵洞排水，涵洞出口高程高于弃渣场渣顶高程，设计在涵洞出口设置顺接工程，在渣顶和渣坡设置排（截）水沟，将上游来水导入弃渣场排（截）水沟。

#5渣场、#6渣场、#7渣场和#9渣场上游侧道路设置涵洞排水，涵洞出口高程低于弃渣场渣顶高程，设计在涵洞出口设置顺接工程，在渣顶和渣坡设置排（截）水沟，排（截）水沟高程低于涵洞出口高程，将上游来水导入弃渣场排（截）水沟。

#2渣场、#3渣场、#8渣场和#11渣场不涉及道路涵洞，在渣顶和渣坡设置排（截）水沟，将上游来水导入弃渣场排（截）水沟。

排（截）水沟陡坡处设置阶梯式跌水，末端布置消力池，最终排入下游天然沟道。

（4）临时排水沟。弃渣堆放过程中，为防止雨季沟道集中地表径流对弃渣场的冲刷，设计在雨季来临前在渣顶和渣坡采取临时排水沟进行排水，排水沟底部及两侧进行压实，并铺设塑料薄膜。

3.3 断面尺寸计算

排（截）水沟断面尺寸采用明渠均匀流公式确定，公式如下：

式中:Q为最大洪峰流量（m3/s）；A为过水面积（m）2，A=（b+mh）h，其中b为底宽（m），m为边坡系数，h为深度（m）；C为谢才系数，用公式C=R1/6/n计算，其中n为糙率；R为水力半径（m），R=A/S，其中S为湿周（m），为底坡。

排（截）水沟断面尺寸计算情况见表3。

表3 排（截）水沟断面尺寸计算成果表

排（截）水沟设计考虑30 cm安全超高，即排（截）水沟设计水深+30 cm为各排（截）水沟的断面高度，同时根据排（截）水沟地形坡度，在排（截）水沟末端布置阶梯式跌水，并在出口设置浆砌石消力池。

3.4 设计验证

排水沟设计验证主要包括设计过流能力和流速，具体包括：

（1）排水沟设计过流能力应≥设计洪峰流量，如设计过流能力小于设计洪峰流量，应重新进行设计，增大设计断面。

（2）流速应同时满足不冲不淤的要求，即排水沟设计流速≥最小允许流速（0.40 m/s），且≤最大允许流速（3～5 m/s）。如排水沟设计流速小于最小允许流速，应增大纵坡，提高流速；如排水沟设计流速大于最大允许流速，应减小纵坡降低流速，或者采取沟道加固措施。

3.5 其他应注意的问题

弃渣场的排水设施设计除满足上述要求外，还需关注以下问题：

（1）排水沟宜布置在低洼地带、并尽量利用天然沟道。

（2）排水沟之间及其与承泄河道之间的交角宜为30°～60°，出口宜采用自排方式。

（3）排水沟应分段设置跌水，末端设置消能设施，当坡度缓，流量小时，可用消力池消能；当坡度陡，流量大时，应采用多级跌水或加糙消能。

（4）排水沟比降取决于沿线地形、土质条件等，不宜小于0.5%。

（5）排水沟设计应符合因地制宜、因材制宜、便于施工和管理、造价低廉等要求。

4 结语

沟道型弃渣场排水措施是一个较为复杂的系统工程，本工程采用渣体内排水盲沟排除渣体内渗水，采用马道和渣顶前沿排水沟排除渣面及渣坡汇水，采用周边排（截）水沟排除沟道及渣体周边汇水，采用渣顶临时排水沟解决施工期的排水问题，各排（截）水措施之间相互连接，构成弃渣场的排水系统，最终将渣面汇水及沟道上游来水安全排泄至下游沟道，保证了弃渣场的安全，有效地减少了水土流失。