靳宇蓉,王 琦,高羽邦

(1.陕西环保集团生态建设管理有限公司,陕西 西安 710043; 2.北京新桥技术发展有限公司,北京 100088)

排土场亦被称为废石场,主要是指采矿类项目集中堆排废弃物的场所,多建在山区。排土场堆积的大多为废石、废土,是一种巨型人工松散堆垫体,存在严重的安全隐患。排土场排土过程中极易破坏原始地形地貌,大量的松散堆积体在降雨时极易产生水土流失[1-2];水是排土场形成滑坡或泥石流的“润滑剂”,是排土场稳定与否的敏感因素,排土场失稳会导致地质灾害或重大工程事故发生,对排土场下游的设施造成严重威胁,同时会造成严重的水土流失,破坏生态环境[3]。因此,做好排土场防洪排导措施配置具有十分重要的意义。本研究以陕西省镇安县境内东阳钨矿直沟排土场为例,着重论述排土场防洪标准的确定、水文计算过程、措施配置及优选等,以期为陕南低山区排土场水土保持措施配置提供科学依据。

1 概况

东阳钨矿为钨矿采选项目,露天+地下开采规模1 000 t/d,矿山总服务年限为15 a,场址位于陕西省商洛市镇安县月河镇菩萨殿村,处于陕西省长江流域水土流失最为严重的陕南低山区,占地面积40.71 hm2,设置排土场两处,分别为直沟排土场和内排排土场,其中直沟排土场为本次的研究对象。

直沟排土场位于直沟中游位置、沿沟道方向长约600 m处(见图1),距离下游月河700 m,占地面积6.80 hm2,占地类型为坡耕地、农用地及其他草地。直沟是典型的“V”形沟谷,沟道走向呈近直线形,沟长约2.5 km,汇水面积约1.7 km2,沟内植被覆盖率80%以上;直沟切割深10～30 m,高程850～1 600 m,整体地形北高南低,主沟纵坡坡降约22%,沟道整体较窄,沟底宽3～12 m;两侧山坡较陡,坡度40°～70°。直沟内无长流水,仅在汛期因雨水汇集而形成少量连续水流,水量较小;流域内出露岩性以厚层白云岩为主,表层风化较强烈,新鲜面岩石结构较完整。直沟沟头及沟道两侧基本没有松散堆积物,仅在沟道两侧道路边有少量人工堆土,沟口处未发现有明显扇形堆积区。

图1 直沟排土场位置示意

直沟排土场渣料成分为土石混合物,土石比约为1∶2.33。排土场采用多平台排土,排土标高1 070～1 190 m,共分6级排土平台,每级平台堆置高20 m、宽10 m、边坡比1∶2.0,顶部平台标高1 190 m、宽280 m;排土场总堆置高度120 m,有效容积110.31万m3,总坡面角18.19°。经过安全稳定性分析,以上直沟排土场堆置方案可确保排土场安全稳定。

2 排土场等级及防洪标准

根据《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014),确定直沟排土场等级为二级,设计防洪标准为50 a一遇,校核标准为100 a一遇。

3 水文计算

直沟排土场水文计算采用汇水面积相关法与综合参数法两种方法进行。

1)汇水面积相关法,其计算公式为

QP=KPFn

(1)

式中:QP为设计频率P的洪峰流量,单位m3/s;F为设计流域面积,单位km2;KP为设计频率P的经验参数;n为区内综合经验性指数。

采用式(1)计算直沟排土场洪峰流量,其结果见表1。

表1 汇水面积相关法计算结果

2)综合参数法,其计算公式为

QP=KPFnJαHPβ

(2)

式中:J为主河道平均比降;HP为设计频率P的点暴雨量,单位mm;α、β为区内综合经验性指数;其余字母含义同前。

采用式(2)计算直沟排土场洪峰流量,其结果见表2。

表2 综合参数法计算结果

由表1、表2可知,按汇水面积相关法计算,直沟排土场洪峰流量较大,从防洪安全上考虑,防洪排导措施设计时,应采用表1计算结果,即设计洪峰流量为51.18 m3/s,校核流量为61.84 m3/s。

4 防洪排导措施配置

4.1 配置方案

排土场防洪排导措施的配置,应在充分研究排土场水文地质资料及现场勘查的基础上开展。针对直沟排土场,提出了三种措施配置方案。

1)方案一。在排土场下游修建砌石拦渣坝;在左右岸修建排洪沟,沿排土场沟底设置盲沟,边排土边修筑边界排洪沟,沿排土场平台设置平台排水沟;在下游出口处修建消力池消能;对渣面及平台进行绿化。

2)方案二。在排土场下游修建砌石拦渣坝;在排土场上游两条支沟沟口处修建截洪坝,配置排洪隧洞及竖井,将排土场上游来水通过排洪隧洞排至排土场西侧沟道内;沿排土场沟底设置盲沟,边排土边修筑边界排洪沟,沿排土场平台设置平台排水沟;在下游出口处修建消力池消能;对渣面及平台进行绿化。

3)方案三。在排土场下游修建砌石拦渣坝;在排土场上游边界处修建拦洪溢流坝,将上游来水拦挡后导入左右岸排洪沟排至下游;沿排土场沟底设置盲沟,边排土边修筑边界排洪沟,沿排土场平台设置平台排水沟;在下游出口处修建消力池消能;对渣面及平台进行绿化。

直沟排土场三种防洪排导措施配置明细见表3。

表3 直沟排土场三种防洪排导措施配置方案明细

4.2 排洪沟尺寸设计

直沟排土场防洪排导三种措施配置方案有所不同,导致排土场流水的走向不同、排洪沟过水流量不同,因此针对不同方案,设计排洪沟尺寸。

1)方案一中,直沟排土场上游无拦水设施,沟道来水仅靠排土场边界排洪沟导排,因此边界排洪沟的尺寸应满足下泄流量的要求。依据设计洪峰流量51.18 m3/s、校核流量61.84 m3/s,以及达西定律进行演算,排洪沟尺寸见表4。

表4 方案一排洪沟尺寸

2)方案二中,在上游支沟修建截洪坝,将上游沟道来水通过涵洞和竖井排至相邻沟道内,缓解上游来水对排土场造成的影响,因此上游来水仅需考虑截洪坝以下至排土场两侧山坡来水。截洪坝下游至直沟排土场两侧山坡汇水面积均为0.25 km2,根据汇水面积相关法计算,Q2%=17.29 m3/s,Q1%=20.90 m3/s。根据设计的来水流量演算排洪沟的尺寸,其结果见表5。

表5 方案二排洪沟尺寸

3)方案三中,在直沟排土场上游修建拦洪溢流坝,将上游来水均匀地导流至直沟排土场左、右岸排洪沟,因此左、右岸排洪沟的过流能力需满足设计的洪峰流量(Q2%=51.18 m3/s、Q1%=61.84 m3/s)的一半,即Q设2%=25.59 m3/s,Q校1%=30.92 m3/s。根据设计的来水流量演算排洪沟的尺寸,其结果见表6。

表6 方案三排洪沟尺寸

5 防洪排导措施比选

在确保排土场安全运行、建筑材料统一采购的情况下,结合最终造价确定直沟排土场防洪排导措施配置的最优模式。对三种防洪排导措施方案经济性及优缺点进行对比分析,其结果见表7。

表7 直沟排土场防洪排导措施方案比选

由表7可知,方案三安全性高,施工相对容易,造价适中,故优选此方案。

6 结论

1)根据直沟排土场两种水文计算方法,通过汇水面积相关法计算的洪峰流量大于通过综合参数法计算的,实际工程应用中应选取较大的洪峰流量作为设计标准。

2)直沟排土场三种防洪排导措施配置方案中,配套的防洪建筑物种类越多(方案二),渣场安全性越高,施工也相应更复杂,造价更高,而其配套的排洪沟尺寸却较小,这是由于其他防洪建筑物分流导流,排洪沟的排洪负担相应减轻;直沟排土场上游无挡水、拦水建筑物时(方案一),会导致两侧排洪沟承担的排洪流量较大,排洪沟尺寸相应较大,如排土场上游来水较大时,将直接进入渣体,对排土场安全造成隐患;直沟排土场上游配套的防洪建筑物仅有挡水建筑物时(方案三),两侧排洪沟尺寸适宜,不仅可确保渣体的稳定,而且造价适中,可在工程中推广应用。