王 光 辉

(中国中铁七局集团有限公司，郑州 450016)

0 引 言

目前针对不同建设工程弃土(渣)场水土保持及影响因素敏感性分析已有较多的研究，段义字，白小丽[1]在实地勘察的基础上,提出了煤矿弃渣场水土流失防治对策及弃渣场运行管理措施；刘慧渊[2]通过调查和分析工程施工对区域水土流失产生的影响,并针对施工弃渣提出水土流失防治措施和技术要求；操昌碧[3]根据水土保持法、开发建设项目水土保持方案技术规范等要求,结合水利水电工程特点,分析研究了水库型弃渣场的工程防护措施设计；刘星桂[4]通过对某水利工程的区域地形、地貌、气象条件的分析，提出该水利工程弃渣场边坡、排水及植被恢复等防护措施，以保持水土，防止泥石流、滑坡、堵塞河道等灾害发生；吴振君[5]对洪屏抽水蓄能电站下库 4号弃渣场3种排洪设施的设计及选型分析，提出优化弃渣场排洪设计方案；吕钊等[6]结合恢复土地生产力的弃渣场水土流失防治目标，分析现有水土保持措施特点，提出健全弃渣场水土流失防治措施体系的建议；解刚等[7]在调查的基础上，根据水力最佳断面对实例截排水沟进行了优化，结果表明优化后工程量减少较为显著，同时指出在设计和施工中应注意松散渣体及高陡坡面的不均匀沉降对排水措施的不利影响和管护中的重点；吴伟等[8]在总结现有水电工程弃渣场类型划分方法的基础上，探索性地引入复合型弃渣场，同时初步提出几类常见的复合型弃渣场，并就其主要的水土流失防治特点、水土保持设计要点等进行探讨，提出一些有针对性的建议；刘晖等[9]以金沙水电站石家沟弃渣场为研究对象，在分析泥石流沟道特征及其影响的基础上，结合项目区地质灾害治理需要制定了“先挡后弃，以排为主，上排下导，排、拦、截、护、垦相结合”的弃渣场水土保持综合防治体系；刘海博等[10]根据工程弃渣场的特点，对渣场上游天然冲沟来水做了底部埋设箱涵排水方案与渣场周围设明渠排水方案比较，推荐采用底部埋设箱涵排水方案；结合渣场顶部及周边截水沟排水，可较好地解决渣场的排水问题。

综上所述，已有较多学者对不同建设工程弃土(渣)场水土保持及影响因素敏感性分析进行了研究， 但目前诸多研究中尚未见到针对沟谷型黄土弃渣场排水系统合理性分析与设计的文献。鉴于此，本文结合针对中南部铁路通道沿线某一沟谷型黄土弃渣场，以现有相关的资料为基础，结合现场调查和室内外试验，运用理论分析方法，对该弃渣场的现有排水系统合理性进行计算与分析，在此基础上，进一步完善排水系统设计方案并进行相应验算。以期为同类问题的分析评价及设计提供借鉴。

1 现场勘查和渣样物理力学特性

1.1 现场勘查

该弃渣场位于黄土丘陵区沟谷，属于沟谷型弃渣场，总弃渣量25 万m3。地形起伏较大。冲沟内较开阔，多辟为耕地，沟坡两侧较陡。沟内无水。有乡村公路穿过，由沟内土路连接，交通不便。该弃渣场弃渣由铁路沿线某一涵洞上游开始逐段向山沟上游弃筑，采用自然密实方法进行弃渣。弃渣完成后经过两年自然沉降，对该渣顶进行了降低、整平处理。

弃渣场区地层主要为第四系上更新统风积(Qeol3)新黄土；中更新统洪积(Qpl2)老黄土；第三系上新统(N2)粉质黏土、卵石土；下伏三叠系下统刘家沟组(Tl1)泥质砂岩。

弃渣料主要为粉质黏土：棕红色，坚硬～硬塑，含姜石层，出口DK33+434.9～ DK33+447段洞顶为新黄土：浅黄色，坚硬。

弃渣场边坡坡度较缓，平均坡度约为4%，但较不平整。弃渣场上游末端未填筑至分水岭，在大气降水后，渣场上游有汇水，已形成堰塘，目前堰塘最大水深约6.5 m，水域面积约0.13 hm2。

该弃渣场下游已修排水通道，形状接近矩形，通道底宽4.0 m、高3.0 m。排水通道左右侧壁是挡土墙，底部为浆砌片石铺底。排水通道纵向排水坡度是25%。该排水通道与坡底涵洞连接。弃渣场顶部未设排水沟。

具体现场调查见图1。

图1 弃渣场实景Fig.1 Abandon slag field imaging

1.2 渣样物理力学特性

在现场弃渣场进行土样采集，取样点分别为弃渣场边坡坡顶、坡顶以下5 m、坡脚、库内，现场采集了环刀样和扰动样，其中，环刀样在各取样点分别采集8～10个。通过室内试验，弃渣场相关物理力学特性如下：

(1)天然含水率和天然密度。取具有代表性的试样和弃渣场边坡不同部位原状环刀试样，分别采用烘干法和环刀法测定该弃渣场不同部位天然含水率和天然密度。其试验结果见表1。

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

(2)颗粒组成。采用比重计法进行颗粒分析，其试验结果见表2。

(3)抗剪强度。采用电动应变控制式直接剪切仪，进行重塑样和饱和重塑样的直剪试验。得到弃渣的抗剪强度成果如表3。

2 汇排水计算方法

2.1 计算依据

根据相关规范[11-14]的计算要求，分别进行弃渣场暴雨期汇水量与排水系统排水量计算，对比计算结果并进行分析，验算弃渣场排水措施的合理性。

表2 颗分试验结果Tab.2 A points test results

表3 弃渣直剪试验结果汇总表Tab.3 Abandon slag direct shear test results summary

2.2 渣场汇水面积确定

弃渣场汇水量要根据这个地区的降水量和汇水面积来确定。首先要确定该场地汇水面积。汇水面积按水平投影面积计算，它的边界线是由一系列的山脊线和弃渣场坡脚线连接而成。由山脊线与弃渣场坡脚线段所围成的面积，就是这个场地的汇水面积。

具体做法是：在地形等高线图上作弃渣场坡脚中心线与山脊线(分水线)的交点。沿山脊及山顶点划分范围线，该范围线及弃渣场坡脚线所包围的区域就是雨水汇集范围。

2.3 弃渣场汇水量确定

2.3.1 弃渣场汇水量计算方法

参照相关理论和规范，地表水设计汇流量计算公式通常有以下几种：

Q0=16.7φapKF

(1)

式中：Q0为设计流量，m3/s；ap为设计降雨强度，mm/min；K为气候系数(无资料时可采用K=1)；φ为径流系数(可根据地表土体类型从规范中选取)；F为汇水面积，hm2。

Q0=16.67φqF

(2)

式中：q为设计降雨强度，mm/min；φ为径流系数；其他符号意义同上。

(3)

式中：Lr为设计频率10 min最大降雨强度，mm/min；Lp为相应时段土壤平均入渗强度，mm/min；F为坡面汇水面积，hm2。

经试算，3个公式对于汇水量的计算结果基本相同，但对比可以发现，公式(1)和(2)本质上是相同，它们涉及的参数较多，较公式(3)复杂，因此，为减小人为选取参数所带来的误差、方便按统一标准计算，选取公式(3)作为弃渣场汇水量计算的公式。

2.3.2 设计最大流量

根据公式(3)进行汇水量计算时，涉及设计频率10 min最大降雨强度Lr计算和土壤平均入渗强度Lp确定。

对于Lr的计算，可参照排水设计规范中最常用的计算公式(4)。该公式采用数理统计的方法，根据降雨地20 a以上的自动雨量记录，采用年最大值法，对降雨历时资料进行经验频率曲线或理论频率曲线拟合得出。该公式在计算降雨强度时可考虑重现期和降雨历时等因素。

(4)

式中：t为降雨历时，min；P为设计重现期，a；A1，c，b，n为参数，根据统计方法进行计算确定。

其中，设计重现期(a)，表示在一定年代的雨量记录资料统计期间内，大于或等于最大强度降雨出现一次的平均间隔时间，为最大强度降雨发生频率的倒数。

2.3.3 最大降雨强度设计重现期的确定

我国当前雨水管渠设计重现期一般为3～5 a，特别重要地区为10 a，《水土保持综合治理技术规范》[11]推荐采用10 a作为最大降雨强度设计重现期。

但是，设计重现期作为影响最大降雨强度的重要参数，对于重要工程应尽量提高设计重现期。《公路排水设计规范》[12]规定，高速公路路界内的设计重现期为15 a。《铁路站场道路和排水设计规范》[13]推荐了25 a作为最大降雨强度重现期。因此，从安全角度考虑，本次计算也选取了25 a作为最大降雨强度重现期。

2.4 弃渣场排水量计算

经过对相关排水设计规范规定的对比分析，发现排水量计算的方法本质上是一致的。排水沟排水量的计算方法是，认为明渠中的流体为恒定均匀流以及明渠恒定缓变流，根据谢才公式进行排水沟排水量Q(m3/s)的计算：

(5)

式中：ω为排水沟断面面积，m2；c为谢才系数；R为水力半径，m；J为排水沟水力坡度。

R=ω/x

(6)

式中：x为排水沟断面湿周，m。

谢才系数有很多经验公式可以求得，最为典型的是曼宁公式：

(7)

式中：n为糙率系数(糙度)。

进行排水量验算时，显然，若排水沟的计算排水量Q>Q0，则排水系统可满足要求。

3 降水与汇水情况分析

3.1 区域降水情况

弃渣场地理位置处于区域属大陆性季风气候。无霜期120～170 d，年均日照时数2 600 h左右，近6年降水量相对偏少，分别是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。全年最大降雨量发生在7-8月份。

2013年汛期发生了1954年以来最强降雨，选取2013年的降雨分布情况进行分析，对极端特殊工程条件而言最具有代表性。图2、图3给出2013年弃渣场区域各月的平均降水量与蒸发量分布情况。

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

图3 2013年各月平均蒸发量Fig.3 2013 months average evaporation

可见，在2013年中，弃渣场区域年平均降水量为791.9 mm，年平均蒸发量为1 452.7 mm。年月最大降水发生在7月，降水量为231.1 mm，显著大于其他各个月份，次大降水发生在8、9月，降水量分别为208 mm和139.1mm。

2013年该弃渣场区域日最大降水量为64.9 mm。

3.2 区域汇水情况

根据汇水面积确定方法，依据弃渣场范围以及堆放区域地形，在实际地形等高线图上找出弃渣场周围的山脊并将其连线以圈定汇水范围。经计算，该弃渣场的汇水面积为58.86 hm2。见图4。

图4 弃渣场汇水范围Fig.4 Abandon slag field water catchment area

4 排水系统合理性分析完善设计

4.1 弃渣场汇水量计算

根据国家标准《室外排水设计规范》[14](GB50014-2006)附录A“暴雨强度公式的编制方法”的要求，经过反复试算及调整，得到弃渣场区域暴雨强度计算公式：

(8)

选取设计重现期为25 a，暴雨历时为10 min，计算得出暴雨强度Lr为1.782 mm/min。

根据弃渣场物理力学特性试验结果，该区域岩土平均入渗强度Lp为3.0×10-5mm/min。

根据公式(3)计算得出设计最大流量 为17.48 m3/s

4.2 排水通道排水流量核算

该弃渣场顶部未设排水沟，采用了集中排水的方式，渣场顶部降水汇集到渣场下游排水通道并通过坡底涵洞排出。排水通道形状接近矩形，通道底宽4.0 m、高3.0 m。排水通道左右侧壁是挡土墙，底部为浆砌片石铺底。排水通道纵向排水坡度是25%。图5为渣场下游排水通道断面图。

图5 渣场下游排水通道断面图(单位：m)Fig.5 Slag field profile downstream drainage channels

根据已有设计资料，排水系统验算结果如下：

水深3.0 m，底宽4.0 m；

排水涵洞断面湿周：x=10.0 m；

排水涵洞断面面积：ω=12 m2；

水力半径：R=1.2 m；

糙率系数取0.025，谢才系数：c=41.23；

渣场下游排水通道纵向排水坡度是25%，排水通道水流流速：v=22.58 m/s。

对排水系统排水能力验算时，除对排水量验算，还需对水流流速进行验算。本项目按《铁路站场道路和排水设计规范》[14]验算水流流速。

我国《铁路站场道路和排水设计规范》[13]中规定明沟最小设计流速为0.4 m/s，水泥砂浆砌片石加固明沟最大设计流速不能超过表4中的上限值。

可见，排水通道流速超过规范规定的明渠最大设计流速，需要采取措施避免水流冲刷破坏排水通道加固层。其排水量为：

Q= ω v=12×22.58=270.96 m3/s

因此，渣场下游排水通道的实际排水量Q远大于设计最大流量Q0，排水通道可满足设计暴雨强度的排水要求。

但是，在当前坡度下，排水通道内水流流速过大，远超规范规定的最大设计流速，需采取措施避免水流冲刷排水通道。按照相关规范推荐[14]，当坡度不陡于1∶1.5时，可采用“急流槽+消能池”的方式。即在目前的状态下：

(1)将排水通道按急流槽标准加固，底部浆砌片石厚度加厚至0.4 m；

(2)排水通道底部每隔2～5 m设置一个防滑平台，嵌入基底内0.3～0.5 m；

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

4.3 渣场顶部排水沟设计与验算

该渣场尚未设置排水沟，根据相关规范[14]推荐的排水沟断面形式及场区汇水情况，并参考本线路其他渣场排水沟施作断面，排水沟断面宜采用梯形断面，断面周边用M7.5浆砌片石防护。具体设计与验算如下。

排水沟设计如图6所示。

图6 渣场顶部排水沟设计图(单位：m)Fig.6 Slag field at the top of the drainage design

水沟采用梯形水沟(侧壁坡率1∶1)，沟下底宽1.5 m，高2.0 m，厚0.35 cm，采用M7.5浆砌片石砌筑。沟下换填0.15 m碎石垫层。排水沟的纵向排水坡度为0.5%。其验算结果如下：

水深2.0 m，底宽1.5 m；

排水沟断面湿周：x=7.15 m；

排水沟断面面积：ω=7.0 m2；

水力半径：R=0.98 m；

浆砌石糙率系数取0.025，谢才系数：c=39.85；

纵向排水坡度为0.5%，排水沟水流流速为：v=2.78 m/s；

排水沟流量：Q=19.51 m3/s。

因此，本设计排水沟的计算实际排水量Q大于设计最大流量Q0，可满足设计暴雨强度下渣场顶部排水要求。且排水沟设计流速小于规范规定的浆砌片石最大设计流速。

4.4 渣场边坡坡面排水设施设计建议

为保护弃渣场护坡结构不受水流冲刷破坏，应当沿坡面设置排水设施，并与主排水沟连通。但鉴于渣场边坡较陡，按照规范推荐，坡面排水系统可按照“急流槽+消能池”的方式施作。即：

(1)沿坡面施作浆砌片石急流槽，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设置一个嵌入基底的防滑平台；

(2)坡脚处施作一个消能池，池壁和池底厚度同急流槽。

5 结 语

针对某一沟谷型黄土弃渣场，以现有相关的资料为基础，结合现场调查和室内外试验，运用理论分析方法，对该弃渣场现有排水系统合理性进行计算与分析，在此基础上，进一步完善排水系统设计方案并进行相应验算。得到以下结论：

(1)弃渣场的下游排水通道排水量满足该区域内排水引流需求，但排水通道坡度较大，水流流速不满足规范要求，为避免水流冲刷破坏排水通道结构物，需要进行加固处理。

(2)施作排水体系，渣场排水沟上游连通至末端堰塘，排水沟底部高程宜低于堰塘最高水位，以利于堰塘积水排出；下游连通至排水通道。根据具体情况，弃渣场顶部宜采用梯形排水沟集中排水，排水沟参数见渣场顶部排水沟设计图。

(3)沿弃渣场顶面周围山体坡脚处施作一条截水沟，并与排水沟连通。

□

[1] 段义字, 白小丽. 华亭煤矿仪山沟弃渣场水土流失现状与防治措施[J]. 甘肃农业,2005,(5):32-33.

[2] 刘慧渊. 杨家坝电站工程弃渣场水土流失防治方案[J]. 浙江水利科技,2009,(4):42-49.

[3] 操昌碧. 水库型弃渣场水土保持工程措施的设计[J]. 水电站设计,2009,29(3):46-51.

[4] 刘星桂. 某水利工程弃渣场水土保持防护措施设计[J]. 吉林农业2011,(7):268-268.

[5] 贾洋海,童焕初,张 翼,等. 洪屏抽水蓄能电站下库 4#弃渣场排洪设施设计探讨[J].亚热带水土保持, 2012,24(3):61-63.

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[7] 解 刚,王向东,刘卉芳,等. 公路建设项目弃渣场排水措施探讨[J].中国水土保持, 2014,(10):29-32.

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[10] 刘海博,段东亮. 阳江抽水蓄能电站下库弃渣场排水设计[J].三峡大学学报, 2015,37(5):23-25.

[11] GB/T 16453.4-2008，水土保持综合治理技术规范[S].

[12] JTG/T D33-2012，公路排水设计规范[S].

[13] TB 10066-2000，铁路站场道路和排水设计规范[S].

[14] GB 20014-2006，室外排水设计规范[S].