段东亮，胡利强，郑国权，姚成平，潘 伟

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

当前，我国正处于能源绿色低碳转型发展的关键时期，为配合风、光等新能源大规模高比例发展，早日实现碳达峰、碳中和的目标，抽水蓄能电站提速建设，到2030年，将建成一批抽水蓄能骨干项目[1-2]。抽水蓄能项目多位于山区，建设内容主要包括上下库大坝、输水系统、地下发电厂房、开关站、交通道路及生产生活管理区等，土石挖填方量大、余方数量多，经综合利用之后仍会产生大量弃渣。作为抽水蓄能电站项目的施工配套组成，弃渣场是水土流失及其危害产生的主要源头之一，其安全有序运转关系到整个工程建设的进展和管控，在电站整个勘察设计及建设过程中都极为重要[3-8]。文章以安徽桐城抽水蓄能电站上库弃渣场为例，结合渣场自然条件、堆置方案及措施布设，介绍了抽水蓄能项目大型弃渣场规划设计，可为同类型工程提供参考。

1 弃渣场概况

桐城抽水蓄能电站上库弃渣场位于上水库东北侧山坳沟谷内，为沟道型渣场，占地20 hm2，拟堆渣量为470万m3(松方)，堆渣高程为400～530 m，最大堆高为130 m。渣场主要堆置上水库施工区域内坝基、库盆、进出水口、导流洞、围堰拆除、环库路等部位开挖产生的弃渣和其他施工面产生的零星弃渣，弃渣土石比为2∶1。根据《水电工程水土保持设计规范(NB/T 10344—2019)》中渣场级别的确定办法，上库弃渣场堆渣量超300万m3、最大堆渣高度超100 m，级别为1级。弃渣场总平面布置见图1所示。

图1 弃渣场总平面布置示意

1.1 地形地质条件

渣场所在区域属低山丘陵地貌，地表植被发育，所在沟谷近似呈“V”字型，呈北东走向，坡降为15%，两侧地形不对称，东南侧沟坡较陡，坡度为30°～50°，西北侧沟坡较缓，坡度为20°～30°。沟谷两侧基岩为二长片麻岩夹斜长角闪片麻岩及闪长岩脉，岩石质量指标RQD为10%～45%，局部为0～5%，岩体破碎，地下水位埋深为0.8～3.1 m。根据地质测绘和钻孔揭露，沟谷沿线山坡分布残坡积(Qedl)粉质黏土夹碎石，厚为1.1～1.3 m，地表多为残坡积和全风化土层覆盖，表层全风化层厚为1.8～2.5 m，强风化层厚为0.7～2.7 m，强风化岩体破碎，弱风化带上限高程为399.4～501.9 m，两处局部有陡崖，沟谷底部可见冲洪积滚石、漂石堆积和出露的弱风化基岩。

1.2 气象水文条件

项目区属亚热带湿润季风气候，雨量丰沛，多年平均降水量为1 368.6 mm，降水主要集中在3—9月，占全年降水量的81.9%，多年平均气温为16.0℃，多年平均蒸发量为1 018.2 mm。弃渣场所在冲沟上游集雨面积为53 hm2，沟道比降为0.25，内有季节性径流，径流系数为0.58。

根据安徽省山丘区中小河流洪峰流量经验公式：

(1)

式中：

R24，P——设计频率为P的24 h净雨量，本地区R24，P=P24，P-50；

C——地区经验系数，本区为浅山区，C值为0.028；

F——山坡集雨面积，km2。

查《安徽省年最大24 h点雨量均值等值线图》，项目区年最大24 h点雨量均值为124 mm，CS=3.5CV，年最大24 h点雨量变差系数Cv值取0.60。经计算，弃渣场上游50年、100年、200年一遇全年洪水洪峰流量分别为17.3 m3/s、21.2 m3/s、25.2 m3/s。

2 选址合理性分析

上库弃渣场用地现状为林地，覆盖层较薄，部分基岩出露，地质情况较好。渣场不涉及河道、湖泊管理范围；周边无重要基础设施、居民点，不属于对人民生命财产安全及行洪安全有重大影响的区域；不涉及崩塌、滑坡危险区及泥石流易发区。渣场靠近上库施工区域，现场有乡村道路可供使用，可减少施工便道修筑；沟谷地形便于堆渣和防护，节约占地，选址合理。

3 弃渣场规划设计

3.1 堆置方案

渣场分台阶堆置，上下游侧均形成堆渣边坡，中间530 m高程处形成宽276 m的堆渣平台。下游侧边坡坡比为1∶2.75，每20 m设一马道，其中410 m、430 m、470 m、510 m高程马道宽为2 m，450 m、490 m高程马道宽为5 m；上游侧边坡坡比为 1∶2.75，在502 m、515 m高程设置2 m宽马道。为便于后期巡检，在上下游侧边坡设1 m宽的人行步级。

弃渣堆置前进行场区清表，自下至上分层堆置弃渣，石渣尽量堆置在渣场底部及渣场上下游临空侧，临坡侧5 m范围内每堆高1 m摊铺、推平1次，其他区域每堆高3 m摊铺、推平1次，然后进行碾压，渣体相对密实度不小于0.6。530 m高程处堆渣平台形成斜坡形或龟背形，中间高两边低或中间高四周低，坡比控制在1%～2%之间，以利排水。

3.2 拦渣工程

弃渣先拦后弃，弃渣堆置前先在坡脚处修筑挡渣墙。下游侧挡渣墙高11 m，埋置深度不小于1 m，采用C20砼重力式挡墙，墙顶宽为2 m，墙底宽为17.6 m，背坡坡比为1∶0.8，面坡坡比为1∶0.6，墙趾(踵)高为1 m、宽为0.8 m，墙身设置Φ50 mmPVC排水管，梅花形布置，间距为@1.5 m×1.5 m，墙底C10砼垫层厚为200 mm。上游侧挡渣墙兼具挡水功能，配合侧面排洪隧洞泄洪，墙高为10 m，埋置深度不小于1 m，采用C20砼重力式挡墙，墙顶宽为2 m，墙底宽为16.2 m，背坡坡比为1∶0.8，面坡坡比为1∶0.6，墙趾(踵)高为1 m、宽为0.8 m，墙身设置1排间距1.5 m的Φ50 mmPVC排水管，墙底C10砼垫层厚为200 mm。上、下游挡渣墙典型断面如图2、图3所示。

图2 上游挡渣墙典型断面示意(单位：mm)

图3 下游挡渣墙典型断面示意(单位：mm)

3.3 防洪排导工程

3.3.1排洪隧洞

堆渣前在渣场右岸山体内修建排洪隧洞，辅以上游侧修筑的挡渣(水)墙，将上游来水引排至下游侧沟道，以满足施工期导流和渣场排洪需求，设计防洪标准为百年一遇。排洪隧洞为城门洞形，断面尺寸为3.0 m×2.86 m(净宽×净高)，顶拱中心角为120°，采用钢筋砼衬砌。隧洞纵坡为10.85%，底部采用加糙台阶进行消能减速。隧洞出口设消力池及出水明渠，隧洞进口高程为498 m，出口高程为401 m，消力池底高程为396.5 m，出水明渠底高程为397.5 m，消力池断面尺寸为9.5 m×9.5 m×2.5 m(净长×净宽×净高)。排洪隧洞典型断面见图4。

图4 排洪隧洞典型断面示意(单位：mm)

3.3.2截排水工程

1) 周边截排水沟

为疏导两侧坡面汇水及场内堆渣平台排水沟、马道排水沟来水，在堆渣范围线外1～3 m处修建截排水沟。截排水沟采用C25钢筋砼结构，直角梯形断面，沟底根据地形调整落在原状土上，纵坡较大段采用加糙台阶消能。设计采取10年一遇短历时暴雨标准，左侧截排水沟断面尺寸为1.4 m/1.0 m×0.8 m(顶宽/底宽×深)，长度为973 m；右侧截排水沟断面尺寸为0.9 m/0.6 m×0.6 m(顶宽/底宽×深)，长度为846 m。截排水沟每10～15 m设置一道结构缝，缝宽为20 mm，采用聚乙烯闭孔泡沫板填缝，双组份聚硫密封膏封口。弃渣场周边截排水沟设计情况见表1。

表1 弃渣场周边截排水沟设计一览

2) 马道排水沟

在上下游侧边坡各级马道布置马道排水沟，疏导堆渣边坡坡面汇水，避免边坡遭冲刷，马道排水沟靠马道内侧布置，采用C25钢筋砼结构，矩形断面，断面尺寸为0.5 m×0.5 m(宽×深)，布置长度为1 768 m。

3) 顶部平台排水沟

渣场顶部平台面积约为5.2 hm2，为疏导平台地表汇水，在其靠外侧边坡边缘2～3 m处布置顶部平台排水沟，排水沟采用生态植草沟，宽浅弧形断面，断面尺寸为3.3 m×0.3 m(宽×深)，布置长度为722 m。

4) 排水盲沟

堆渣前、清表后在渣场底部修建排水盲沟，排导渣体渗水，盲沟采用碎石、块石盲沟及级配砂反滤层铺筑，底层碎石、块石盲沟深约2 m，上部反滤层由200 mm厚粗砂层、100 mm厚中细砂层及土工布组成。盲沟长为750 m，末端接DN1000Ⅲ级钢筋砼排水管穿过挡渣墙，排往下游沟道。

3.4 植被绿化工程

渣场堆置完成后，堆渣平台采取乔、灌、草多层次混交造林进行植被恢复，顶部平台采取种植乔木、灌木及撒播草籽造林方式，堆渣边坡采取喷播灌草方式。渣体石渣较多，为避免水肥渗漏流失，植物措施实施前，先进行场地平整和覆土回填等土地整治措施，其中坡面覆土厚度为0.1～0.15 m，顶部平台覆土厚度为0.2 m～0.3 m，灌木穴植填土厚度为0.3 m，乔木穴植填土厚度为0.5 m。

结合立地条件及植被特点，选择当地根系发达、耐贫瘠、抗病强、分蘖快、耐干旱的优良乡土树种[9-11]。乔木选择马尾松、侧柏、栎类及黄连木等，地径5 cm以上，株行距为2 m×6 m；灌木选择茶、郁李、忍冬等，苗高为60 cm、冠幅为55 cm以上，株行距为1.5 m×2.0 m；草种选择狗芽根、结缕草、百喜草及本地杂草混种，平台草籽撒播量为50 kg/hm2，边坡喷播灌草量为250 kg/hm2。

3.5 临时防护工程

1) 临时排水工程。渣场采取自下至上方式堆置，上游侧截水沟未修筑完善前，为及时疏导大雨时场内及上游侧边坡雨水，避免上游侧坑洼积水浸泡渣体，避免堆渣平台和边坡遭冲刷，在堆渣体上边坡及堆渣平台布置临时排水沟导排，接入两侧已修筑的截水沟(边沟)内。临时排水沟采用梯形断面，提前预留实施，断面尺寸为1.0 m/0.5 m×0.5 m(顶宽/底宽×高)，采取砂浆护面。需紧急开沟排水时，水沟开挖后，可采取铺衬土工布防冲刷。

2) 临时拦沙工程。为减少渣场泥沙随雨水输移，在渣场下游约50 m处，地势较开阔、沟底较缓段设一拦沙坎，拦沙坎采用钢筋石笼“品”字形码放，石笼宽高均为1 m，码放2层，上游面铺衬反滤土工布。大雨前后及时清淤，其余时间根据淤积情况进行清淤，泥沙运至渣场晾干、堆置。

3) 临时苫盖工程。堆渣期间做好晴雨预报，大雨来临之前，在未压实、易遭冲刷的堆渣边坡、填渣作业区采用土工布、塑料彩条布等进行临时苫盖，避免松散渣体遭冲刷滑塌和产生大的水土流失。

3.6 渣场稳定性验算

1) 渣场抗滑稳定性验算

正常运用工况：弃渣场在正常和持久的条件下运用，弃渣场处在最终弃渣状态时，渣体无渗流或稳定渗流[12]。

非常运用工况Ⅰ：多雨地区的弃渣场还应核算连续降雨期边坡的抗滑稳定，其安全系数按非常运用工况采用[12]。

非常运用工况Ⅱ：弃渣场在正常工况下遭遇Ⅶ度以上(含Ⅶ度)地震[12]。

计算参数：渣场地基及堆渣体的岩土物理力学参数，以地质专业建议值为参考依据，渣场岩土物理力学参数见表2。

表2 渣场岩土物理力学参数

正常运用工况下，弃渣场抗滑稳定安全系数不小于1.35；非常运用工况Ⅰ下，安全系数不小于1.25；非常运用工况Ⅱ下，安全系数不小于1.15。

经验算，所有工况均处于稳定状态，计算成果见图5～图7所示。

图5 正常运用工况抗滑稳定计算示意

图6 非常运用工况Ⅰ抗滑稳定计算示意

图7 非常运用工况Ⅱ抗滑稳定计算示意

2) 挡渣墙稳定性验算

计算参数：墙体材料容重为25 kN/m3，墙后渣土内摩擦角为30°，墙后渣土粘聚力为10 kPa，墙后渣土容重为19 kN/m3，墙背与墙后填土摩擦角为17.5°，地基岩土容重为26.9 kN/m3，地基岩土内摩擦角为45°。挡墙基础置于弱风化基岩上：地基承载力不小于800 kPa。墙后渣土水下内摩擦角为25°，墙后渣土水下粘聚力为6 kPa，墙后渣土浮容重为9 kN/m3，地基岩土浮容重为16.9 kN/m3。

挡渣墙建筑物级别为2级，基础置于弱风化基岩上，正常应用工况下，挡渣墙的基底抗滑、抗倾覆稳定系数不小于1.30、1.50；非常运用工况下，挡渣墙的基底抗滑、抗倾覆稳定系数不小于1.10、1.40。

经验算，正常运用工况、降雨工况及地震工况下，挡渣墙抗滑、抗倾覆稳定性安全系数均满足规范要求。挡渣墙稳定计算成果见表3。

表3 挡渣墙稳定计算成果

4 结语

弃渣场是抽水蓄能项目勘察设计的重点之一，渣场设计应结合场地条件，因地制宜，科学防治，通过采用拦渣、防洪排导以及临时排水、沉沙、苫盖等措施，减少工程建设过程中的水土流失，避免造成危害；植被恢复选用适生优良的乡土种，做好土地整治，提高成活率，防治水土流失的同时，美化、改善弃渣场及周边生态环境。