謝 濤，馮海林，馬 翔，2

（1．寧夏博源眾航水利工程咨詢有限公司，銀川 750000；2.寧夏清潤雨澤水利生態(tài)環(huán)境工程有限公司，銀川 750000）

近幾年，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，寧夏鹽池縣境內(nèi)重點工業(yè)項目的開工建設(shè)、城鄉(xiāng)公共設(shè)施及新農(nóng)村建設(shè)步伐加快，不可避免地產(chǎn)生大量棄渣，需設(shè)置棄渣場來進行堆存。棄渣場一般設(shè)置在項目區(qū)附近地形較為低洼處，由于棄渣的堆存，將形成裸露的松散堆體平臺和邊坡，在降雨或上游來水等影響下，會造成嚴重的區(qū)域水土流失，同時可能誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，一旦失事會嚴重威脅項目區(qū)及周邊公共設(shè)施、基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)企業(yè)和居民點等有重大影響的區(qū)域，因此棄渣場的防治工作尤為重要，同時也是生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持工作的核心內(nèi)容。

1 棄渣場概況

協(xié)同處置固體廢物技術(shù)改造及配套安全填埋場項目位于寧夏吳忠市鹽池縣惠安堡鎮(zhèn)，主要依托現(xiàn)有4 500 t/d 新型干法水泥生產(chǎn)線進行危險廢物處置，同時配套建設(shè)安全填埋場。棄渣場位于安全填埋場東北側(cè)的坡地，周邊匯水面積0.068 km2，堆渣堆放最低點高程1 583.0 m，頂部高程1 595.6 m，最大堆渣高度12.6 m，堆存量15.23 萬m3，占地面積3.36 hm2，地貌類型為黃土丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)，占地類型為荒草地，渣場類型為坡地型。

1.1 堆渣成分

安全填埋場多余土石方主要為黃土類土、粘砂土，黃土類土、粘砂土質(zhì)地疏松、孔隙度大、黏結(jié)性差、透水性好、富水性差，屬于自重濕陷性黃土，濕陷等級為II 級。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

棄渣場所在區(qū)域大地構(gòu)造位于華北板塊鄂爾多斯地塊西緣坳陷帶韋州坳陷。區(qū)域性構(gòu)造以褶皺為主，自西向東有羅山背斜、韋州向斜、青龍山復(fù)背斜、惠安堡復(fù)向斜。

1.3 地層巖性

棄渣場所在區(qū)域發(fā)育第四系馬蘭黃土，土黃色褐—黃色，稍濕—濕，稍密—中密，土質(zhì)均勻，含有呈絲狀分布白色物，有濕陷性，垂直節(jié)理較為發(fā)育，層厚大于50.0 m；在底部出露古近系清水營組紅色的泥巖、砂巖，為一套近海的內(nèi)陸相碎屑巖沉積建造，地層由老至新依次為奧陶系、石炭-二疊系太原組、二疊系山西組、第四系。

1.4 地場穩(wěn)定性

經(jīng)工程地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭露，棄渣場內(nèi)及周邊未發(fā)現(xiàn)崩塌、泥石流和地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害作用，未發(fā)現(xiàn)有斷層、破碎帶。

2 棄渣場攔擋工程等級及防洪標準

棄渣場所在區(qū)域?qū)儆邳S河多沙粗沙國家級水土流失重點治理區(qū)，根據(jù)GB/T 50433—2018《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持技術(shù)標準》，對無法避讓水土流失重點預(yù)防區(qū)和重點治理區(qū)的生產(chǎn)建設(shè)項目，棄渣場截排水、攔擋工程等級和防洪標準應(yīng)提高一級。因此，棄渣場擋渣墻級別為4 級、排洪工程級別為4 級。

3 棄渣場水土保持防治措施

3.1 防治措施總體布局

堆渣前，對棄渣場占地范圍內(nèi)可剝離表土區(qū)域進行表土剝離，集中堆放并采取防塵網(wǎng)苫蓋；堆體下游坡腳布設(shè)擋渣墻。堆渣過程中，堆體頂部平臺和邊坡裸露區(qū)域采取防塵網(wǎng)苫蓋，施工活動頻繁場地采取灑水降塵；堆體與自然山體交接處布設(shè)排水溝，接入急流槽、消力池并順接至下游自然溝道；堆體較陡邊坡進行削坡減載。堆渣結(jié)束后，堆體頂部平臺和邊坡進行土地整治，植草恢復(fù)植被，堆體頂部平臺布設(shè)擋水埂。

3.2 工程措施典型設(shè)計

3.2.1 穩(wěn)定性分析

（1）計算工況。穩(wěn)定性計算不考慮地震因素影響，只考慮降雨因素，采用以下2 種工況類型：工況1 自重+地下水（正常運用）；工況2 自重+地下水+暴雨（非常運用）。

（2）計算方法。采用瑞典圓弧法，計算公式為：

式中：b-條塊寬度，m；W-條塊重力，kN；Q-在水平地震慣性力，kN；V-在垂直地震慣性力，kN；u-作用于土條底面的孔隙壓力，kN；α-條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，°；c′、φ′-土條底面的有效應(yīng)力抗剪強度指標；MC-水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；R-圓弧半徑，m。

經(jīng)計算，棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：正常運用1.579（＞1.150），非常運用1.210（＞1.050），棄渣場穩(wěn)定。

3.2.2 擋渣墻典型設(shè)計

（1）擋渣墻位置與結(jié)構(gòu)形式擬定。根據(jù)擋渣墻設(shè)計原則，在堆渣坡腳處布設(shè)3.5 m 高的漿砌石重力式擋渣墻262.3 m。擬定擋渣墻設(shè)計尺寸，見表1。

表1 擬定擋渣墻設(shè)計尺寸表

（2）主動土壓力計算。根據(jù)堆渣成分選定設(shè)計參數(shù)，堆渣內(nèi)摩擦角φ=22°，堆渣與墻背之間的摩擦角δ=15°，墻頂以上回填角1∶1.5，墻胸直立，墻背1∶0.3，基底與地基之間的摩擦系數(shù)μ=0.35，地基容許承載力[R]=0.3 MPa。主動土壓力計算采用庫侖公式，計算公式為：

式中：Pa-主動土壓力，kN；γ-回填土容重，kN/m3；H-擋渣墻高度，m；Ka-土壓力系數(shù)，其中Ka計算公式為：

式中：φ-堆渣內(nèi)摩擦角，°；ε-墻背面與豎直面的傾角，°；δ-堆渣與墻背之間的摩擦角，°；β-墻頂以上堆渣面與豎直面的傾角，°。

（3）抗滑穩(wěn)定驗算公式為：

式中：Kh-抗滑安全系數(shù)；W-墻身自重，kN；Pax-主動土壓力水平分力，kN；Pay-主動土壓力垂直分力，kN。

（4）抗傾覆穩(wěn)定驗算公式為：

式中：Kq-抗傾覆安全系數(shù)；W-墻身自重，kN；Pax-主動土壓力水平分力，kN；Pay-主動土壓力垂直分力，kN；a-墻身自重W對墻趾的力臂，m；b-主動土壓力水平分力Pax對墻趾的力臂，m；h-主動土壓力垂直分力Pax對墻趾的力臂，m。

（5）地基應(yīng)力驗算公式為：

式中：∑M-合力矩，kN·m。

經(jīng)穩(wěn)定校核計算，棄渣場擋渣墻是安全的。擋渣墻設(shè)計參數(shù)計算，見表2。擋渣墻穩(wěn)定計算結(jié)果，見表3。

表2 擋渣墻設(shè)計參數(shù)計算表

表3 擋渣墻穩(wěn)定計算結(jié)果表

（6）排水措施與伸縮縫。為了排除擋渣墻后滲水，沿墻長每隔10.0 m 設(shè)一道寬3.0 cm 的瀝青麻絮伸縮縫，按墻身水平間距3.0 m、豎直間距1.0 m 呈“品”字形布設(shè)孔徑為10.0 cm 的PVC 排水孔，排水孔進口處包裹0.25 m×0.25 m 的土工布，排水孔口鋪設(shè)復(fù)合土工膜2.0 m（采用0.5 m×0.5 m“兩布一膜”）。

經(jīng)計算，在堆渣坡腳處設(shè)置3.5 m 高的漿砌石重力式擋渣墻262.3 m。其斷面結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)埋深1.5 m，底板寬1.7 m，厚1.5 m，頂寬0.6 m，底寬1.2 m，墻胸直立，墻背比1∶0.3，采用M7.5 漿砌塊石砌筑并勾縫，C20 混凝土現(xiàn)澆20.0 cm 厚壓頂，基礎(chǔ)原土翻夯30.0 cm 厚。

3.2.3 排水溝典型設(shè)計

為防止雨水沖刷，堆體與自然山體交接處布設(shè)排水溝442.2 m。根據(jù)GB 50288—99《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》，按10 年一遇1 h 最大雨強設(shè)計。

（1）水文計算公式為：

式中：QB-最大流量，m3/s；K-徑流系數(shù)；I-設(shè)計頻率的平均1 h 降雨強度，mm/h；F-匯水面積，km2。排水溝水文計算，見表4。

表4 排水溝水文計算表

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（2）水力計算。排水溝流量設(shè)計按照明渠均勻流，計算公式為：

式中：Q-過水流量，m3/s；A-過水斷面面積，m2；C-謝才系數(shù)；i-底坡比降（取1.00%）；R-水力半徑，m。其中水力半徑R、謝才系數(shù)C、過水斷面面積A，分別采用下式計算：

式中：X-濕周，m；n-糙率（材料為混凝土，取0.017）；b-渠道底寬，m；m-渠道內(nèi)坡比（取0.50）；h-水深，m。排水溝水力計算，見表5。

表5 排水溝水力計算表

（3）斷面確定。根據(jù)安全超高要求，排水溝安全超高取0.10 m；經(jīng)計算，排水溝設(shè)計流速為1.65 m/s，滿足混凝土排水溝V不淤=0.40 m/s＜V=1.65 m/s≤V不沖=4.00 m/s 的要求，并依據(jù)施工規(guī)范和施工最小斷面的要求，最終確定的排水溝設(shè)計尺寸，見表6。

表6 排水溝設(shè)計尺寸表

（4）工程量。排水溝采用C20 混凝土預(yù)制塊襯砌，規(guī)格為壁厚8.0 cm，每塊長50.0 cm，采用水泥砂漿勾縫，基礎(chǔ)采用原土翻夯10.0 cm 厚。

3.2.4 急流槽典型設(shè)計

急流槽上接排水溝，沿堆體坡面布設(shè)，根據(jù)棄渣場所在區(qū)域排水溝實際布設(shè)及排水溝導(dǎo)入場區(qū)外自然溝道情況，需布設(shè)急流槽23.0 m，采用C20 混凝土現(xiàn)澆，為梯形斷面。設(shè)計流量按排水溝流量加大30%計算，為0.36 m3·s-1；急流槽底寬假設(shè)0.40 m，急流槽水力計算，見表7。

表7 急流槽水力計算表

式中：i-坡率；h0-正常水深，m。

h0經(jīng)過試算求得（試算至K0=K時為止），經(jīng)計算K=0.66 m3/s，h0=0.11 m。根據(jù)水力計算，初步確定矩形急流槽斷面為底寬0.40 m，深0.11 m，并依據(jù)施工規(guī)范和安全超高要求，安全超高取0.19 m。最終確定急流槽矩形斷面，尺寸為底寬0.40 m，深0.30 m。采用C20 混凝土現(xiàn)澆，底部及壁厚8.0 cm，每5.0 m 長設(shè)一道2.0 cm 寬的伸縮縫，利用瀝青麻絮填塞，基礎(chǔ)采用原土翻夯。

3.2.5 消力池典型設(shè)計

消力池上接急流槽，在急流槽尾部接消力池，共1座。消力池設(shè)計深采用以下公式計算：

式中：d-消力池設(shè)計深，m；h1-水躍第一共軛水深，h1=h0=0.11 m；h2-水躍第二共軛水深，m；h下-下游水深，m；b-上游進水口渠寬（為急流槽底寬0.40 m）。

根據(jù)計算結(jié)果，消力池設(shè)計凈尺寸取值為長4.50 m，寬0.70 m，深1.10 m，側(cè)墻凈高1.60 m。采用C20 混凝土現(xiàn)澆，底部及壁厚20.0 cm，基礎(chǔ)采用原土翻夯。

3.2.6 尾水排水溝典型設(shè)計

為保證上游來水經(jīng)消力后不再對下游區(qū)域造成侵蝕，在消力池尾部增加尾水排水溝，并做好與自然溝道的銜接。消力池后設(shè)尾水排水溝10.0 m，矩形斷面，采用C20 混凝土現(xiàn)澆，防洪標準和設(shè)計方法同棄渣場排水溝。尾水排水溝水力計算，見表8。

表8 尾水排水溝水力計算表

根據(jù)安全超高要求，尾水排水溝安全超高取0.10m；經(jīng)計算，尾水排水溝設(shè)計流速為1.82 m/s，滿足混凝土尾水排水溝V不淤=0.40 m/s＜V=1.82 m/s≤V不沖=4.00 m/s的要求。尾水排水溝設(shè)計尺寸，見表9。

表9 尾水排水溝設(shè)計尺寸表

根據(jù)計算結(jié)果，考慮施工方便，則尾水排水溝設(shè)計寬0.60 m，深0.50 m，采用C20 混凝土澆筑厚10.0 cm，基礎(chǔ)采用原土翻夯。

3.2.7 表土剝離典型設(shè)計

堆渣前，對棄渣場占地范圍內(nèi)可剝離表土區(qū)域進行表土剝離，集中堆放并采取防塵網(wǎng)苫蓋。棄渣場占地范圍內(nèi)可剝離表土面積1.22 hm2，剝離厚度0.30 m，剝離量0.37 萬m3。

3.2.8 土地整治典型設(shè)計

堆渣結(jié)束后，對堆體頂部平臺及邊坡區(qū)域進行土地整治，其工作內(nèi)容包括：清除項目占地范圍內(nèi)的雜物及建筑垃圾，將凹地回填整平。棄渣場土地整治面積3.36 hm2。

3.2.9 擋水埂典型設(shè)計

為了防止堆體頂部平臺匯水對堆體邊坡的沖刷，堆體頂部平臺布設(shè)擋水埂。擋水埂斷面為頂寬50.0 cm，高60.0 cm，內(nèi)外坡比1∶1，共設(shè)擋水埂長431.6 m，開挖土方量285.43 m3。

3.2.10 削坡減載典型設(shè)計

堆渣結(jié)束后，對堆體較陡邊坡進行削坡減載，每堆高達到6.0 m 時設(shè)一道1.5 m 寬的馬道，馬道上下坡比均為1∶1.5，共設(shè)馬道總長199.4 m，削坡減載面積0.32 hm2，開挖土方量2 104.0 m3。

3.3 植物措施典型設(shè)計

堆渣及土地整治結(jié)束后，在4-7 月土壤墑情較好時對堆體頂部平臺及邊坡區(qū)域采取人工撒播草籽措施促進恢復(fù)植被。草種選用紫花苜蓿、冰草，設(shè)計播種量為紫花苜蓿7.5 kg/hm2、冰草15.0 kg/hm2，按20%考慮補播量，播種比例1∶1，種植方法為撒播。棄渣場人工撒播草籽面積3.36 hm2，需紫花苜蓿15.12 kg、冰草30.24 kg。

3.4 臨時措施典型設(shè)計

3.4.1 防塵網(wǎng)苫蓋

對集中堆放剝離表土、堆體頂部平臺和邊坡裸露區(qū)域采取防塵網(wǎng)苫蓋，四周采用木樁進行固定，共需防塵網(wǎng)1 238.0 m2，木樁75 根。

3.4.2 灑水降塵

對棄渣場施工活動頻繁場地采取灑水降塵，每天灑水1 次，每次灑水按3.0 mm 計，灑水天數(shù)15 d，灑水量1 120.0 m3。

4 結(jié)束語

文章以位于寧夏鹽池縣黃土丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項目“協(xié)同處置固體廢物技術(shù)改造及配套安全填埋場項目”為例，對其設(shè)置的棄渣場水土保持防治措施進行典型設(shè)計，提出該區(qū)域同類型棄渣場經(jīng)濟、安全以及可靠的水土保持防治措施設(shè)計思路與計算方法，并對棄渣場邊坡及擋渣墻穩(wěn)定性進行分析計算，驗證所設(shè)計水土保持防治措施的可行性和有效性，同時對棄渣場的防洪排導(dǎo)工程進行詳細設(shè)計，避免雨季棄渣場出現(xiàn)滑坡、坍塌等事故。