王 光 輝

(中國中鐵七局集團有限公司，鄭州 450016)

0 引 言

目前針對不同建設工程棄土(渣)場水土保持及影響因素敏感性分析已有較多的研究，段義字，白小麗[1]在實地勘察的基礎上,提出了煤礦棄渣場水土流失防治對策及棄渣場運行管理措施；劉慧淵[2]通過調查和分析工程施工對區(qū)域水土流失產(chǎn)生的影響,并針對施工棄渣提出水土流失防治措施和技術要求；操昌碧[3]根據(jù)水土保持法、開發(fā)建設項目水土保持方案技術規(guī)范等要求,結合水利水電工程特點,分析研究了水庫型棄渣場的工程防護措施設計；劉星桂[4]通過對某水利工程的區(qū)域地形、地貌、氣象條件的分析，提出該水利工程棄渣場邊坡、排水及植被恢復等防護措施，以保持水土，防止泥石流、滑坡、堵塞河道等災害發(fā)生；吳振君[5]對洪屏抽水蓄能電站下庫 4號棄渣場3種排洪設施的設計及選型分析，提出優(yōu)化棄渣場排洪設計方案；呂釗等[6]結合恢復土地生產(chǎn)力的棄渣場水土流失防治目標，分析現(xiàn)有水土保持措施特點，提出健全棄渣場水土流失防治措施體系的建議；解剛等[7]在調查的基礎上，根據(jù)水力最佳斷面對實例截排水溝進行了優(yōu)化，結果表明優(yōu)化后工程量減少較為顯著，同時指出在設計和施工中應注意松散渣體及高陡坡面的不均勻沉降對排水措施的不利影響和管護中的重點；吳偉等[8]在總結現(xiàn)有水電工程棄渣場類型劃分方法的基礎上，探索性地引入復合型棄渣場，同時初步提出幾類常見的復合型棄渣場，并就其主要的水土流失防治特點、水土保持設計要點等進行探討，提出一些有針對性的建議；劉暉等[9]以金沙水電站石家溝棄渣場為研究對象，在分析泥石流溝道特征及其影響的基礎上，結合項目區(qū)地質災害治理需要制定了“先擋后棄，以排為主，上排下導，排、攔、截、護、墾相結合”的棄渣場水土保持綜合防治體系；劉海博等[10]根據(jù)工程棄渣場的特點，對渣場上游天然沖溝來水做了底部埋設箱涵排水方案與渣場周圍設明渠排水方案比較，推薦采用底部埋設箱涵排水方案；結合渣場頂部及周邊截水溝排水，可較好地解決渣場的排水問題。

綜上所述，已有較多學者對不同建設工程棄土(渣)場水土保持及影響因素敏感性分析進行了研究， 但目前諸多研究中尚未見到針對溝谷型黃土棄渣場排水系統(tǒng)合理性分析與設計的文獻。鑒于此，本文結合針對中南部鐵路通道沿線某一溝谷型黃土棄渣場，以現(xiàn)有相關的資料為基礎，結合現(xiàn)場調查和室內外試驗，運用理論分析方法，對該棄渣場的現(xiàn)有排水系統(tǒng)合理性進行計算與分析，在此基礎上，進一步完善排水系統(tǒng)設計方案并進行相應驗算。以期為同類問題的分析評價及設計提供借鑒。

1 現(xiàn)場勘查和渣樣物理力學特性

1.1 現(xiàn)場勘查

該棄渣場位于黃土丘陵區(qū)溝谷，屬于溝谷型棄渣場，總棄渣量25 萬m3。地形起伏較大。沖溝內較開闊，多辟為耕地，溝坡兩側較陡。溝內無水。有鄉(xiāng)村公路穿過，由溝內土路連接，交通不便。該棄渣場棄渣由鐵路沿線某一涵洞上游開始逐段向山溝上游棄筑，采用自然密實方法進行棄渣。棄渣完成后經(jīng)過兩年自然沉降，對該渣頂進行了降低、整平處理。

棄渣場區(qū)地層主要為第四系上更新統(tǒng)風積(Qeol3)新黃土；中更新統(tǒng)洪積(Qpl2)老黃土；第三系上新統(tǒng)(N2)粉質黏土、卵石土；下伏三疊系下統(tǒng)劉家溝組(Tl1)泥質砂巖。

棄渣料主要為粉質黏土：棕紅色，堅硬～硬塑，含姜石層，出口DK33+434.9～ DK33+447段洞頂為新黃土：淺黃色，堅硬。

棄渣場邊坡坡度較緩，平均坡度約為4%，但較不平整。棄渣場上游末端未填筑至分水嶺，在大氣降水后，渣場上游有匯水，已形成堰塘，目前堰塘最大水深約6.5 m，水域面積約0.13 hm2。

該棄渣場下游已修排水通道，形狀接近矩形，通道底寬4.0 m、高3.0 m。排水通道左右側壁是擋土墻，底部為漿砌片石鋪底。排水通道縱向排水坡度是25%。該排水通道與坡底涵洞連接。棄渣場頂部未設排水溝。

具體現(xiàn)場調查見圖1。

圖1 棄渣場實景Fig.1 Abandon slag field imaging

1.2 渣樣物理力學特性

在現(xiàn)場棄渣場進行土樣采集，取樣點分別為棄渣場邊坡坡頂、坡頂以下5 m、坡腳、庫內，現(xiàn)場采集了環(huán)刀樣和擾動樣，其中，環(huán)刀樣在各取樣點分別采集8～10個。通過室內試驗，棄渣場相關物理力學特性如下：

(1)天然含水率和天然密度。取具有代表性的試樣和棄渣場邊坡不同部位原狀環(huán)刀試樣，分別采用烘干法和環(huán)刀法測定該棄渣場不同部位天然含水率和天然密度。其試驗結果見表1。

表1 天然含水率和天然密度Tab.1 Natural moisture content and natural density

(2)顆粒組成。采用比重計法進行顆粒分析，其試驗結果見表2。

(3)抗剪強度。采用電動應變控制式直接剪切儀，進行重塑樣和飽和重塑樣的直剪試驗。得到棄渣的抗剪強度成果如表3。

2 匯排水計算方法

2.1 計算依據(jù)

根據(jù)相關規(guī)范[11-14]的計算要求，分別進行棄渣場暴雨期匯水量與排水系統(tǒng)排水量計算，對比計算結果并進行分析，驗算棄渣場排水措施的合理性。

表2 顆分試驗結果Tab.2 A points test results

表3 棄渣直剪試驗結果匯總表Tab.3 Abandon slag direct shear test results summary

2.2 渣場匯水面積確定

棄渣場匯水量要根據(jù)這個地區(qū)的降水量和匯水面積來確定。首先要確定該場地匯水面積。匯水面積按水平投影面積計算，它的邊界線是由一系列的山脊線和棄渣場坡腳線連接而成。由山脊線與棄渣場坡腳線段所圍成的面積，就是這個場地的匯水面積。

具體做法是：在地形等高線圖上作棄渣場坡腳中心線與山脊線(分水線)的交點。沿山脊及山頂點劃分范圍線，該范圍線及棄渣場坡腳線所包圍的區(qū)域就是雨水匯集范圍。

2.3 棄渣場匯水量確定

2.3.1 棄渣場匯水量計算方法

參照相關理論和規(guī)范，地表水設計匯流量計算公式通常有以下幾種：

Q0=16.7φapKF

(1)

式中：Q0為設計流量，m3/s；ap為設計降雨強度，mm/min；K為氣候系數(shù)(無資料時可采用K=1)；φ為徑流系數(shù)(可根據(jù)地表土體類型從規(guī)范中選取)；F為匯水面積，hm2。

Q0=16.67φqF

(2)

式中：q為設計降雨強度，mm/min；φ為徑流系數(shù)；其他符號意義同上。

(3)

式中：Lr為設計頻率10 min最大降雨強度，mm/min；Lp為相應時段土壤平均入滲強度，mm/min；F為坡面匯水面積，hm2。

經(jīng)試算，3個公式對于匯水量的計算結果基本相同，但對比可以發(fā)現(xiàn)，公式(1)和(2)本質上是相同，它們涉及的參數(shù)較多，較公式(3)復雜，因此，為減小人為選取參數(shù)所帶來的誤差、方便按統(tǒng)一標準計算，選取公式(3)作為棄渣場匯水量計算的公式。

2.3.2 設計最大流量

根據(jù)公式(3)進行匯水量計算時，涉及設計頻率10 min最大降雨強度Lr計算和土壤平均入滲強度Lp確定。

對于Lr的計算，可參照排水設計規(guī)范中最常用的計算公式(4)。該公式采用數(shù)理統(tǒng)計的方法，根據(jù)降雨地20 a以上的自動雨量記錄，采用年最大值法，對降雨歷時資料進行經(jīng)驗頻率曲線或理論頻率曲線擬合得出。該公式在計算降雨強度時可考慮重現(xiàn)期和降雨歷時等因素。

(4)

式中：t為降雨歷時，min；P為設計重現(xiàn)期，a；A1，c，b，n為參數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計方法進行計算確定。

其中，設計重現(xiàn)期(a)，表示在一定年代的雨量記錄資料統(tǒng)計期間內，大于或等于最大強度降雨出現(xiàn)一次的平均間隔時間，為最大強度降雨發(fā)生頻率的倒數(shù)。

2.3.3 最大降雨強度設計重現(xiàn)期的確定

我國當前雨水管渠設計重現(xiàn)期一般為3～5 a，特別重要地區(qū)為10 a，《水土保持綜合治理技術規(guī)范》[11]推薦采用10 a作為最大降雨強度設計重現(xiàn)期。

但是，設計重現(xiàn)期作為影響最大降雨強度的重要參數(shù)，對于重要工程應盡量提高設計重現(xiàn)期?！豆放潘O計規(guī)范》[12]規(guī)定，高速公路路界內的設計重現(xiàn)期為15 a?！惰F路站場道路和排水設計規(guī)范》[13]推薦了25 a作為最大降雨強度重現(xiàn)期。因此，從安全角度考慮，本次計算也選取了25 a作為最大降雨強度重現(xiàn)期。

2.4 棄渣場排水量計算

經(jīng)過對相關排水設計規(guī)范規(guī)定的對比分析，發(fā)現(xiàn)排水量計算的方法本質上是一致的。排水溝排水量的計算方法是，認為明渠中的流體為恒定均勻流以及明渠恒定緩變流，根據(jù)謝才公式進行排水溝排水量Q(m3/s)的計算：

(5)

式中：ω為排水溝斷面面積，m2；c為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m；J為排水溝水力坡度。

R=ω/x

(6)

式中：x為排水溝斷面濕周，m。

謝才系數(shù)有很多經(jīng)驗公式可以求得，最為典型的是曼寧公式：

(7)

式中：n為糙率系數(shù)(糙度)。

進行排水量驗算時，顯然，若排水溝的計算排水量Q>Q0，則排水系統(tǒng)可滿足要求。

3 降水與匯水情況分析

3.1 區(qū)域降水情況

棄渣場地理位置處于區(qū)域屬大陸性季風氣候。無霜期120～170 d，年均日照時數(shù)2 600 h左右，近6年降水量相對偏少，分別是2006年291.4 mm，2007年689.4 mm，2008年524 mm，2009年566.2 mm，2010年425 mm，2011年465.3 mm。全年最大降雨量發(fā)生在7-8月份。

2013年汛期發(fā)生了1954年以來最強降雨，選取2013年的降雨分布情況進行分析，對極端特殊工程條件而言最具有代表性。圖2、圖3給出2013年棄渣場區(qū)域各月的平均降水量與蒸發(fā)量分布情況。

圖2 2013年各月平均降水量 Fig.2 2013 months average rainfall

圖3 2013年各月平均蒸發(fā)量Fig.3 2013 months average evaporation

可見，在2013年中，棄渣場區(qū)域年平均降水量為791.9 mm，年平均蒸發(fā)量為1 452.7 mm。年月最大降水發(fā)生在7月，降水量為231.1 mm，顯著大于其他各個月份，次大降水發(fā)生在8、9月，降水量分別為208 mm和139.1mm。

2013年該棄渣場區(qū)域日最大降水量為64.9 mm。

3.2 區(qū)域匯水情況

根據(jù)匯水面積確定方法，依據(jù)棄渣場范圍以及堆放區(qū)域地形，在實際地形等高線圖上找出棄渣場周圍的山脊并將其連線以圈定匯水范圍。經(jīng)計算，該棄渣場的匯水面積為58.86 hm2。見圖4。

圖4 棄渣場匯水范圍Fig.4 Abandon slag field water catchment area

4 排水系統(tǒng)合理性分析完善設計

4.1 棄渣場匯水量計算

根據(jù)國家標準《室外排水設計規(guī)范》[14](GB50014-2006)附錄A“暴雨強度公式的編制方法”的要求，經(jīng)過反復試算及調整，得到棄渣場區(qū)域暴雨強度計算公式：

(8)

選取設計重現(xiàn)期為25 a，暴雨歷時為10 min，計算得出暴雨強度Lr為1.782 mm/min。

根據(jù)棄渣場物理力學特性試驗結果，該區(qū)域巖土平均入滲強度Lp為3.0×10-5mm/min。

根據(jù)公式(3)計算得出設計最大流量 為17.48 m3/s

4.2 排水通道排水流量核算

該棄渣場頂部未設排水溝，采用了集中排水的方式，渣場頂部降水匯集到渣場下游排水通道并通過坡底涵洞排出。排水通道形狀接近矩形，通道底寬4.0 m、高3.0 m。排水通道左右側壁是擋土墻，底部為漿砌片石鋪底。排水通道縱向排水坡度是25%。圖5為渣場下游排水通道斷面圖。

圖5 渣場下游排水通道斷面圖(單位：m)Fig.5 Slag field profile downstream drainage channels

根據(jù)已有設計資料，排水系統(tǒng)驗算結果如下：

水深3.0 m，底寬4.0 m；

排水涵洞斷面濕周：x=10.0 m；

排水涵洞斷面面積：ω=12 m2；

水力半徑：R=1.2 m；

糙率系數(shù)取0.025，謝才系數(shù)：c=41.23；

渣場下游排水通道縱向排水坡度是25%，排水通道水流流速：v=22.58 m/s。

對排水系統(tǒng)排水能力驗算時，除對排水量驗算，還需對水流流速進行驗算。本項目按《鐵路站場道路和排水設計規(guī)范》[14]驗算水流流速。

我國《鐵路站場道路和排水設計規(guī)范》[13]中規(guī)定明溝最小設計流速為0.4 m/s，水泥砂漿砌片石加固明溝最大設計流速不能超過表4中的上限值。

可見，排水通道流速超過規(guī)范規(guī)定的明渠最大設計流速，需要采取措施避免水流沖刷破壞排水通道加固層。其排水量為：

Q= ω v=12×22.58=270.96 m3/s

因此，渣場下游排水通道的實際排水量Q遠大于設計最大流量Q0，排水通道可滿足設計暴雨強度的排水要求。

但是，在當前坡度下，排水通道內水流流速過大，遠超規(guī)范規(guī)定的最大設計流速，需采取措施避免水流沖刷排水通道。按照相關規(guī)范推薦[14]，當坡度不陡于1∶1.5時，可采用“急流槽+消能池”的方式。即在目前的狀態(tài)下：

(1)將排水通道按急流槽標準加固，底部漿砌片石厚度加厚至0.4 m；

(2)排水通道底部每隔2～5 m設置一個防滑平臺，嵌入基底內0.3～0.5 m；

(3)在排水通道底部施作漿砌片石消能池，消能池壁厚0.3～0.4 m，池底厚度0.2～0.4 m。

4.3 渣場頂部排水溝設計與驗算

該渣場尚未設置排水溝，根據(jù)相關規(guī)范[14]推薦的排水溝斷面形式及場區(qū)匯水情況，并參考本線路其他渣場排水溝施作斷面，排水溝斷面宜采用梯形斷面，斷面周邊用M7.5漿砌片石防護。具體設計與驗算如下。

排水溝設計如圖6所示。

圖6 渣場頂部排水溝設計圖(單位：m)Fig.6 Slag field at the top of the drainage design

水溝采用梯形水溝(側壁坡率1∶1)，溝下底寬1.5 m，高2.0 m，厚0.35 cm，采用M7.5漿砌片石砌筑。溝下?lián)Q填0.15 m碎石墊層。排水溝的縱向排水坡度為0.5%。其驗算結果如下：

水深2.0 m，底寬1.5 m；

排水溝斷面濕周：x=7.15 m；

排水溝斷面面積：ω=7.0 m2；

水力半徑：R=0.98 m；

漿砌石糙率系數(shù)取0.025，謝才系數(shù)：c=39.85；

縱向排水坡度為0.5%，排水溝水流流速為：v=2.78 m/s；

排水溝流量：Q=19.51 m3/s。

因此，本設計排水溝的計算實際排水量Q大于設計最大流量Q0，可滿足設計暴雨強度下渣場頂部排水要求。且排水溝設計流速小于規(guī)范規(guī)定的漿砌片石最大設計流速。

4.4 渣場邊坡坡面排水設施設計建議

為保護棄渣場護坡結構不受水流沖刷破壞，應當沿坡面設置排水設施，并與主排水溝連通。但鑒于渣場邊坡較陡，按照規(guī)范推薦，坡面排水系統(tǒng)可按照“急流槽+消能池”的方式施作。即：

(1)沿坡面施作漿砌片石急流槽，槽壁厚度0.3～0.4 m，槽底厚度0.2～0.4 m，槽底每隔2～5 m設置一個嵌入基底的防滑平臺；

(2)坡腳處施作一個消能池，池壁和池底厚度同急流槽。

5 結 語

針對某一溝谷型黃土棄渣場，以現(xiàn)有相關的資料為基礎，結合現(xiàn)場調查和室內外試驗，運用理論分析方法，對該棄渣場現(xiàn)有排水系統(tǒng)合理性進行計算與分析，在此基礎上，進一步完善排水系統(tǒng)設計方案并進行相應驗算。得到以下結論：

(1)棄渣場的下游排水通道排水量滿足該區(qū)域內排水引流需求，但排水通道坡度較大，水流流速不滿足規(guī)范要求，為避免水流沖刷破壞排水通道結構物，需要進行加固處理。

(2)施作排水體系，渣場排水溝上游連通至末端堰塘，排水溝底部高程宜低于堰塘最高水位，以利于堰塘積水排出；下游連通至排水通道。根據(jù)具體情況，棄渣場頂部宜采用梯形排水溝集中排水，排水溝參數(shù)見渣場頂部排水溝設計圖。

(3)沿棄渣場頂面周圍山體坡腳處施作一條截水溝，并與排水溝連通。

□

[1] 段義字, 白小麗. 華亭煤礦儀山溝棄渣場水土流失現(xiàn)狀與防治措施[J]. 甘肅農(nóng)業(yè),2005,(5):32-33.

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[11] GB/T 16453.4-2008，水土保持綜合治理技術規(guī)范[S].

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[13] TB 10066-2000，鐵路站場道路和排水設計規(guī)范[S].

[14] GB 20014-2006，室外排水設計規(guī)范[S].