朱麟晨

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

棄渣場截排水能力不足易造成渣場浸水軟化，形成溜坍滑坡，嚴(yán)重影響下游建(構(gòu))筑物安全。因此，棄渣場截排水系統(tǒng)必須具有足夠的截排水能力，滿足排水、泄洪要求，以保證棄渣場的安全穩(wěn)定性。

國內(nèi)外學(xué)者對棄渣場排水設(shè)計進(jìn)行了一些研究。李天宇[1]對防洪排導(dǎo)工程設(shè)計流量的計算方法進(jìn)行了研究，提出了關(guān)于設(shè)計流量計算方法的合理建議；劉軍軍[2]對棄渣場的水土保持措施進(jìn)行優(yōu)化分析；閆寶環(huán)[3]對公路棄渣場的排水措施進(jìn)行了研究；廖星明[4]對錦屏二級水電站薩摩溝泥石流棄渣場的排導(dǎo)措施進(jìn)行了研究，采用格柵式攔擋壩既可排泄洪水，又可攔截泥石流堆積物；劉國平[5]介紹了秦嶺隧洞3號勘探試驗洞棄渣場的截排水工程設(shè)計方案；郭萬林[6]結(jié)合蒙華鐵路胡家堡棄渣場，對山嶺區(qū)棄渣場邊坡、支擋、排水及綠化進(jìn)行了綜合設(shè)計；周文淵[7]提出受正常蓄水位及校核洪水位的影響，庫面型棄渣場、庫中型棄渣場、庫底型棄渣場的水土保持處理具有較大差異，并依據(jù)各棄渣場特征，從渣腳防護(hù)、坡面防護(hù)和排水布置等方面分別采取符合實際要求的措施；吳軍[8]以西藏開投海通水泥棄渣場為例，給出了棄渣場的溝水處理方案；陳珂霖[9]以成蘭鐵路棄渣場建設(shè)為例，介紹了艱險山區(qū)棄渣場的設(shè)計流程；何文輝[10]依托中葉水庫棄渣場，介紹了棄渣場的攔擋、截排水溝及超標(biāo)準(zhǔn)洪水的排泄。

但隨著鐵路建設(shè)對生態(tài)文明水土保持的愈加重視，傳統(tǒng)棄渣場截排水設(shè)計理念已不能滿足鐵路棄渣場環(huán)水保的新要求。本文結(jié)合新建敘永至畢節(jié)鐵路和成昆鐵路復(fù)線棄渣場的設(shè)計與施工，對棄渣場截排水設(shè)計方法進(jìn)行分析總結(jié)。

1 棄渣場防洪標(biāo)準(zhǔn)及排水計算方法

1.1 棄渣場級別及防洪標(biāo)準(zhǔn)

(1)棄渣場級別

根據(jù)GB 51018-2014《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》5.7.1規(guī)定，棄渣場級別應(yīng)根據(jù)堆渣量、堆渣最大高度、棄渣場失事后對主體工程或環(huán)境造成的危害程度進(jìn)行劃分，且渣場級別就高不就低，如表1所示。

(2)防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB 51018-2014《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》5.7.3規(guī)定，排洪工程設(shè)計、校核防洪標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 棄渣場排洪工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)表

排洪工程失事可能對周邊及下游基礎(chǔ)設(shè)施造成重大危害時，2級以下排洪工程的設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)可按表2規(guī)定提高1級。

棄渣場臨時性攔擋工程防洪標(biāo)準(zhǔn)取3～5年一遇，當(dāng)棄渣場級別為3級以上時，可提高到10年一遇。棄渣場永久性截排水措施的排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用3～5年一遇5～10 min短歷時設(shè)計暴雨。

1.2 棄渣場過水能力計算

隧道棄渣場截水天溝、渣頂水溝或引水洞過流能力采用明渠均勻流公式計算：

Q=AV

(1)

式中：Q——最大洪峰流量(m3/s)；

A——過水?dāng)嗝婷娣e(m2)，A=bh+mh2；

V——流速(m/s)；

R——水力半徑(m)；

i——溝道比降，取0.03；

n——溝道糙率，取0.025；

h——溝深(m)；

b——底寬(m)；

m——排水溝邊坡比。

以敘畢鐵路謝家山棄渣場為例，謝家山隧道進(jìn)口渣場設(shè)計泄洪能力為40.727 m3/s，渣場所在支溝30年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下的最大洪峰流量為11.19 m3/s，渣場設(shè)計滿足溝道泄洪要求。

1.3 棄渣場長擋護(hù)工程水位標(biāo)高核算

根據(jù)渣場實測地形圖，謝家山隧道棄渣場所在位置主溝與支溝匯口的處溝道橫斷面如圖1所示。

圖1 謝家山隧道棄渣場匯口橫斷面圖

利用水力學(xué)公式對該斷面水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行計算：

(2)

式中：Q1——計算流量(m3/s)；

n——糙率，參照《天然河道糙率表》取0.035；

A——面積(m2)；

R——水力半徑(m)；

i——比降，以小數(shù)計。斷面附近溝道平均比降為0.05。

謝家山隧道棄渣場所在位置主溝與支溝匯口處溝道橫斷面水位流量關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 謝家山隧道棄渣場匯口斷面水位流量關(guān)系圖

由圖2可知，在30年一遇洪水條件下，斷面處洪峰流量合計為39.26 m3/s，對應(yīng)水位高程為419.84 m。謝家山隧道棄渣場擋渣壩設(shè)計壩頂高程為420～428 m，均高于30年一遇洪水位。

2 截排水設(shè)計方法

2.1 渣頂水溝+截水天溝設(shè)計方法

渣頂水溝+截水天溝截排水設(shè)計方法適用于溝道型匯水流量較大的渣場，設(shè)計核心是根據(jù)棄渣場匯水流量大小，在渣場頂部設(shè)置渣頂水溝以截排主溝流水，在渣場邊緣自然坡體上設(shè)截水天溝以截排坡面及主溝剩余流水。截水天溝基礎(chǔ)置于天然地基上，截水天溝材料一般采用漿砌片石或混凝土。排水設(shè)計平面如圖3所示，橫斷面如圖4所示。棄渣前必須完成攔渣壩、下游自然溝的清理鋪砌和排水溝、碴底盲溝等的修建。

圖3 渣頂水溝+截水天溝排水設(shè)計平面示意圖

圖4 渣頂水溝+截水天溝排水設(shè)計橫斷面圖

隧道棄渣為軟硬不均的松散堆積體，物理力學(xué)參數(shù)較低弱，渣頂水溝置于棄渣頂部易產(chǎn)生勻沉降及沖刷破壞，以至于達(dá)不到使用年限就已失效，若遇到雨季棄渣場沖溝流量大的情況，易對棄渣場造成毀滅性的破壞，因此，施工應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計要求對棄渣進(jìn)行碾壓夯實。

2.2 雙截水溝設(shè)計方法

雙截水溝截排水設(shè)計方法適用于溝道型匯水流量較大的渣場，設(shè)計核心是在渣場頂部溝道中心設(shè)置匯水井，匯集沖溝內(nèi)流水，再根據(jù)水位高度排向兩側(cè)截排水溝。在流量不大的情況下，由低位排水溝排至下游；大量較大的情況下，由低位排水溝及高位截水溝排至下游。在棄渣擋護(hù)下游設(shè)置集水槽，高位截水溝末端接至集水槽，消減水勢能，集水槽另一端接自然溝。低位排水溝下游設(shè)置消能池，排水溝末端接至消能池，消減邊溝水勢能。排水設(shè)計平面如圖5所示，橫斷面如圖6所示。

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圖5 雙截水溝截排水設(shè)計方法平面示意圖

圖6 雙截水溝截排水設(shè)計方法橫斷面示意圖

該排水設(shè)計方法中，低位排水溝及高位截水溝均位于穩(wěn)定的自然地基，避免了棄渣不均勻沉降對水溝的破壞，從而降低了地表水對棄渣體的沖刷，保證了截排水系統(tǒng)的長期有效。設(shè)計方法已申報專利、現(xiàn)場排水效果有待實施工程檢驗。

2.3 引水洞+兩側(cè)天溝設(shè)計方法

引水洞+兩側(cè)天溝截排水設(shè)計方法適用于占常流水的大型溝道型渣場，設(shè)計核心是根據(jù)占溝流量大小，設(shè)置滿足排水能力的引水洞，先將主溝常流水通過引水洞排至棄渣場下游，降低主溝常流水對棄渣場的沖刷風(fēng)險，再在棄渣場兩側(cè)設(shè)置截水天溝，截排自然坡面匯水，達(dá)到較好的排水效果，排水設(shè)計平面如圖7所示，橫斷面如圖8所示。

圖7 引水洞+兩側(cè)天溝排水系統(tǒng)平面示意圖

圖8 引水洞+兩側(cè)天溝排水系統(tǒng)典型橫斷面示意圖(m)

該排水設(shè)計方法在處理大主溝匯水棄渣場排水方面效果顯著，尤其適用于選址困難，需占用常流水主溝的棄渣場。

3 結(jié)論

本文依托鐵路隧道棄渣場工程，通過對棄渣場截排水方法的探討分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)根據(jù)溝道型棄渣場的特點及溝道匯水流量的大小，提出了渣頂水溝+截水天溝、雙截水溝和引水洞+兩側(cè)天溝3種棄渣場截排水設(shè)計方法。

(2)渣頂水溝+截排水天溝和雙截排水溝截排水設(shè)計方法適用于溝道型匯水流量較大的渣場，工程投資適中，施工工期較短，質(zhì)量控制容易，排水效果較好。引水洞+兩側(cè)天溝截排水設(shè)計方法適用于占常流水的大型溝道型渣場，工程投資較高，施工工期較長，但排水效果良好。