山区铁路工程弃渣场沟水治理工程设计分析

吴莹，何文学，胡志鹏，何容 （中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611130）

1 工程概况

该弃渣场位于工程附近沟谷处，工程开挖弃渣料集中堆存于沟道中，属于拦沟型弃渣场，规划占地面积约9.07hm²。弃渣区堆渣容量220.0 万m3（松方），渣顶高程1636m，渣场堆渣坡比1: 1.8，分别在1621m、1606m、1586m、1566m 高程设置马道。马道宽度4m，从渣脚1540m 高程起算，累计最大堆渣高度约96m。该弃渣场所在沟道沟谷深、容量大，汇水量大，堆渣前需对沟道进行沟水处理，将沟水通过泄水建筑物下泄至下游沟道，确保沟道内弃渣场的安全运行。

2 工程自然条件

该弃渣场所在区域为中山地貌，地面海拔高程1540～1630m，最大高差90m，地形起伏大。渣场两侧地势陡峻，地表植被茂密，主要以乔木为主，少量灌木。弃渣区上覆第四系全新统坡洪积（Q4dl+pl）粉质黏土、坡残积（Q4dl+el）粉质黏土，下伏基岩三叠系上统须家河组（T3x）泥岩、砂质泥岩夹页岩。弃渣区地层单一，无明显构造痕迹，地震动峰值加速度值为0.2g，地震动反应谱特征周期为0.40s，工程场地的地震基本烈度为Ⅷ度。

地表水主要为沟水，靠大气降水及上游补给，向下游及地下排泄。地下水主要为松散堆积体孔隙水、基岩裂隙水地下水主要为第四系覆盖层孔隙水及基岩裂隙水。漂石层中富含地下水，测区范围内地下水主要受大气降水和地表水补给，与地表水联系密切，雨季水量较丰富。地下水较发育，水位随季节变化。

弃渣区所在沟道位于四川盆地西部边缘地区，渣场汇流面积较小，为5.68km2，可划归为小流域范畴，沟道长度约4.76km，沟口至分水岭平均坡度292‰。弃渣场所在沟道设计洪水成果见表1。

表1 弃渣场所在沟道洪水成果表

3 沟水处理工程设计

3.1 设计标准

根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）[1]，结合弃渣场堆渣量、最大堆渣高度和渣场失事对主体工程或环境造成的危害程度。综合分析确定该弃渣场等级为3 级，沟水处理建筑物为3级，设计洪水标准为50 年一遇洪水重现期，相应流量为136.7m3/s，校核洪水标准为100 年一遇洪水重现期，相应流量为153.1m3/s。

3.2 工程布置

该弃渣场所在沟道坡降较缓，在沟道中部堆渣，堆存的弃渣在沟道内形成上下游均放坡、中间大平台的堆渣体。沟水处理工程布置于沟道渣体右岸，由挡水坝、右岸排水明渠及其消能建筑物、挡渣墙组成，通过挡水坝拦挡、明渠排导，将沟水排至渣体下游侧，渣体下游坡脚处设置混凝土挡渣墙，平面布置见图1。

图1 弃渣场沟水处理平面布置图

挡水坝布置在渣场上游右岸，为C25 重力式混凝土结构，坝顶宽度1.5m，内侧边坡1:1.6，外边坡直立，最大高度10.5m（基础埋深2.0m）。挡水坝中部布置高6.5m、宽6.0m 的排水通道，将沟道中洪水引至排水明渠中。

排水明渠沿渣场右侧边缘设置，渠道外侧边墙采用重力式，内侧边墙采用贴坡式，排水明渠全长843.32m。其中，明渠缓坡段（0+000.00～0+496.66）平均纵坡0.41%，过流断面6m×5m～6m×4.5m（宽×高）；明渠陡坡段（0+496.66～0+809.90）分四段，根据天然地面坡度设置，平均纵坡13%～50%，与出口消能设施衔接。明渠出口段（0+809.90～0+843.32）采用台阶式跌水消能，对明渠出口上下游一定范围采用混凝土护底，岸坡采用贴坡混凝土挡墙护岸。

在弃渣场下游坡脚处设置挡渣墙，为C25 重力式混凝土结构，顶宽2.5m，顶高程为1546.0m，最大高度7.0m（基础埋深约2.0m），长约29.7m，面坡1:0.05，背坡1:0.4，墙后采用回填石渣夯实。

3.3 水力设计

该弃渣场沟水处理工程水力设计包括挡水坝设计、排水明渠缓坡段设计、排水明渠陡坡段及出口段水力设计。

3.3.1 挡水坝及明渠缓坡段

①挡水坝坝前水头

排水明渠按无压流设计，泄流能力按宽顶堰[3]堰流公式计算。

式中：b、n、H0、H、v0、m、σc、σs为每孔净宽、孔数、堰前水头（含行近流速水头）、堰前水深、行近流速、流量系数、侧收缩系数、淹没系数。

②明渠正常水深h0

梯形断面明渠正常水深的计算公式如下：

式中：Q、i、n、b、h0、m0为明渠断面流量、底坡、糙率、底宽、正常水深、边坡系数。

③临界水深hk和临界坡度ik

明渠临界水深和临界坡度满足以下条件：

式中：α为动能修正系数；Ak、Rk、χk、Bk、Ck为临界水深对应的明渠过水断面面积、水力半径、湿周、水面宽和谢才系数。

④明渠水力最佳断面

水力最佳断面计算公式如下：

式中：bm、▱m、Rm、βm、m0、i、n为水力最佳断面的底宽、水深、水力半径、宽深比、边坡系数、底坡、糙率。

⑤明渠水面线

根据分段求和法计算明渠水面线，计算公式见3.3.2节。

⑥计算成果

通过计算得到明渠均匀流正常水深、临界水深、临界坡度、水力最佳断面水深和底宽、坝前水深见表2。排水明渠缓坡段（0+000.00～0+496.66）的控制断面在入口处，控制水深为临界水深hk=3.64m，正常水深h0=3.27m，边坡系数取值m=0.15，糙率n=0.014，底坡i=0.0041。排水明渠水面线计算结果见表3。

表2 明渠进口及缓坡段水力计算

表3 明渠进口及缓坡段水面线计算

3.3.2 明渠陡坡段

本工程明渠陡坡段（0+496.66～0+809.90）分四段，根据天然地面坡度设置，平均纵坡13%～50%，可依照台阶式溢洪道设计，与出口消能设施衔接。

台阶式溢洪道消力设计需要知道池前溢洪道末端水流的断面比能，即水深与流速。然而，目前对于台阶式溢洪道的水力计算，并无准确的解析公式，大部分是基于试验总结的经验或半经验公式。部分研究通过分段求和法，把台阶看做糙体，得到渠道断面水深；部分研究台阶式溢洪道的消能特性，计算消能效率。无论得到断面水深或消能效率，最终均可计算溢洪道底部的流速和水深，为溢洪道下游消力池设计提供依据。

①明渠水面线

明渠陡坡段水面线采用分段求和法[4]，计算公式如下：

式中：Δl1-2、h1/h2、v1/v2、α1/α2、θ、i、Jˉ、n为分段长度、始/末断面不掺气水深、始/末断面平均流速、流速不均匀系数、底坡角度、底坡（i=sinθ）、平均摩阻坡降、糙率。

明渠陡坡段为台阶式，糙率可按Mannnig-Strickler[5]公式计算：

式中：a0为台阶高度，m。

②消能效率

田嘉宁[6]通过对坡度0°～60°的台阶式泄水槽进行模型试验，总结出当堰上临界水深与台阶高度比值不大于3 时，各流态跃前断面消能率大小基本相同，即台阶式泄水槽的消能率计算与流况无关，可以用经验公式：

式中，η为消能效率；Hdam、▱c为泄水槽顶部与底部的高差、渠道临界水深；A、B与坡度相关。

③掺气水深

由于明渠陡坡段流速高、高差大，易形成自掺气水流，水流掺气将引起明渠陡坡段各断面水深增加，掺气水深按下式[4]计算：

式中：▱、v、▱b、ζ为计算断面的水深、流速、掺气后水深、修正系数（取1.0～1.4s/m）。

④计算成果

排水明渠陡坡段随着地形坡度的变化，以明渠末端为基准面，得到明渠陡坡段水力计算成果见表4，掺气水深见表5。

表4 排水明渠陡坡段水力计算成果

表5 排水明渠陡坡段掺气水深

由表可知，采用分段求和法得到底部水深1.46m，流速15.06m/s，消能效率86.78%，掺气水深1.72～3.56m；采用消能效率法得到底部水深1.46m，流速15.06m/s，消能效率83.65%，掺气水深1.61～3.56m。

3.3.3 明渠出口段

明渠出口段按照最后一级台阶跌水[3]消能方式进行计算，底板参考消力池进行设计。

式中：跃后水深▱''c= 1.66D0.27P；跌落水舌长度ld= 4.30D0.27P；水跃长度lj= 1.9▱''c- ▱c；收 缩 水 深 ▱c=0.54D0.425P；▱t为下游渠道水深；，q为单宽流量，P为跌高。

出口段底板厚度可根据抗浮及抗冲要求[7]计算，并取其大值。

式中：t、ΔH'、k1、k2、U、γ、hd、Pm、γd为底板厚度、上下游水位差、底板计算系数（0.15～0.20）、底板安全系数（1.1～1.3）、底板扬压力、水的重度、出口水深、底板上脉动压力、底板饱和容重。

通过水力计算，明渠出口段跃后流速为4.64m/s，池长19.65m，池深5.02m。考虑抗冲和抗浮稳定得到底板厚度分别为1.41m 和1.01m，取值1.5m，见表6。

表6 排水明渠出口段底板计算成果

3.4 结构设计

3.4.1 挡水坝

挡水坝采用C25 重力式混凝土结构，坝前水深5.65m，考虑安全超高，过水断面高度6.5m，坝顶高程1636.50m。坝顶宽度1.5m，内侧边坡1:1.6，外边坡直立，挡水坝最大高度10.5m（基础埋深2.0m）。挡水坝基础设置2 排帷幕灌浆孔，孔深6.0m，排距1.0m，孔距1.5m。基础及侧向边坡均设置4.5m 长的C25锚筋，间排距1.0m，梅花型布置，入岩3.5m。挡水坝中部布置6.5m 高、6.0m宽的排水通道。

3.4.2 明渠缓坡段

明渠缓坡段底板主要位于泥岩、砂质泥岩夹页岩之上，基岩地基有一定承载和抗变形能力。排水明渠缓坡段（0+000.00～0+496.66）总长496.66m，平均纵坡0.41%，采用C25 钢筋混凝土结构，过水断面由6m×5m 渐变至6m×4.5m（宽×高）。左边墙采用重力式，右边墙采用贴坡式，顶宽1.0m，底板厚度1.5m。边坡喷10cm 厚C25 混凝土，底板及边墙基础布置C25，L=4.5m，间排距2.0m的锚筋，入岩3.5m。

3.4.3 明渠陡坡及出口段

排水明渠陡坡段（0+496.66～0+809.90）分四段，根据天然地面坡度设置，平均纵坡13%～50%，过水断面6m×4.5m（宽×高），采用C25 钢筋混凝土结构，底板及边墙基础布置C25，L=4.5m，间排距2.0m的锚筋，入岩3.5m。

排水明渠出口段（0+809.90～0+843.32）采用台阶式跌水消能，底板采用C35 混凝土，厚度1.5m，为保护岸坡及基础免于水流的冲刷，对排水明渠上下游40m 范围采用C35 混凝土护底，岸坡采用C25 贴坡混凝土挡墙护岸，高度7.5m。底板及边墙基础布置C25，L=9.0m，间排距1.0m的锚筋，入岩8.0m。

4 结论

沟水处理工程的安全运行是确保沟道及渣场安全的必要措施。本工程沟道流量大、坡度陡，通过对挡水坝、排水明渠、台阶式消能及防护设计对弃渣场进行沟水处理，极大地提高了消能效率，效果明显。

本文采用分段求和法及消能效率法计算排水明渠陡坡段消能效果，得到消能效率达约85%左右，二者相差3%，说明排水明渠陡坡段采用台阶式消能理论上效果较好。建议对弃渣场排水明渠陡坡段台阶消能进行模型试验，进一步验证和优化明渠消能设计。