山區鐵路工程棄渣場溝水治理工程設計分析

吳瑩，何文學，胡志鵬，何容 （中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130）

1 工程概況

該棄渣場位于工程附近溝谷處，工程開挖棄渣料集中堆存于溝道中，屬于攔溝型棄渣場，規劃占地面積約9.07hm2。棄渣區堆渣容量220.0 萬m3（松方），渣頂高程1636m，渣場堆渣坡比1: 1.8，分別在1621m、1606m、1586m、1566m 高程設置馬道。馬道寬度4m，從渣腳1540m 高程起算，累計最大堆渣高度約96m。該棄渣場所在溝道溝谷深、容量大，匯水量大，堆渣前需對溝道進行溝水處理，將溝水通過泄水建筑物下泄至下游溝道，確保溝道內棄渣場的安全運行。

2 工程自然條件

該棄渣場所在區域為中山地貌，地面海拔高程1540～1630m，最大高差90m，地形起伏大。渣場兩側地勢陡峻，地表植被茂密，主要以喬木為主，少量灌木。棄渣區上覆第四系全新統坡洪積（Q4dl+pl）粉質黏土、坡殘積（Q4dl+el）粉質黏土，下伏基巖三疊系上統須家河組（T3x）泥巖、砂質泥巖夾頁巖。棄渣區地層單一，無明顯構造痕跡，地震動峰值加速度值為0.2g，地震動反應譜特征周期為0.40s，工程場地的地震基本烈度為Ⅷ度。

地表水主要為溝水，靠大氣降水及上游補給，向下游及地下排泄。地下水主要為松散堆積體孔隙水、基巖裂隙水地下水主要為第四系覆蓋層孔隙水及基巖裂隙水。漂石層中富含地下水，測區范圍內地下水主要受大氣降水和地表水補給，與地表水聯系密切，雨季水量較豐富。地下水較發育，水位隨季節變化。

棄渣區所在溝道位于四川盆地西部邊緣地區，渣場匯流面積較小，為5.68km2，可劃歸為小流域范疇，溝道長度約4.76km，溝口至分水嶺平均坡度292‰。棄渣場所在溝道設計洪水成果見表1。

表1 棄渣場所在溝道洪水成果表

3 溝水處理工程設計

3.1 設計標準

根據《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）[1]，結合棄渣場堆渣量、最大堆渣高度和渣場失事對主體工程或環境造成的危害程度。綜合分析確定該棄渣場等級為3 級，溝水處理建筑物為3級，設計洪水標準為50 年一遇洪水重現期，相應流量為136.7m3/s，校核洪水標準為100 年一遇洪水重現期，相應流量為153.1m3/s。

3.2 工程布置

該棄渣場所在溝道坡降較緩，在溝道中部堆渣，堆存的棄渣在溝道內形成上下游均放坡、中間大平臺的堆渣體。溝水處理工程布置于溝道渣體右岸，由擋水壩、右岸排水明渠及其消能建筑物、擋渣墻組成，通過擋水壩攔擋、明渠排導，將溝水排至渣體下游側，渣體下游坡腳處設置混凝土擋渣墻，平面布置見圖1。

圖1 棄渣場溝水處理平面布置圖

擋水壩布置在渣場上游右岸，為C25 重力式混凝土結構，壩頂寬度1.5m，內側邊坡1:1.6，外邊坡直立，最大高度10.5m（基礎埋深2.0m）。擋水壩中部布置高6.5m、寬6.0m 的排水通道，將溝道中洪水引至排水明渠中。

排水明渠沿渣場右側邊緣設置，渠道外側邊墻采用重力式，內側邊墻采用貼坡式，排水明渠全長843.32m。其中，明渠緩坡段（0+000.00～0+496.66）平均縱坡0.41%，過流斷面6m×5m～6m×4.5m（寬×高）；明渠陡坡段（0+496.66～0+809.90）分四段，根據天然地面坡度設置，平均縱坡13%～50%，與出口消能設施銜接。明渠出口段（0+809.90～0+843.32）采用臺階式跌水消能，對明渠出口上下游一定范圍采用混凝土護底，岸坡采用貼坡混凝土擋墻護岸。

在棄渣場下游坡腳處設置擋渣墻，為C25 重力式混凝土結構，頂寬2.5m，頂高程為1546.0m，最大高度7.0m（基礎埋深約2.0m），長約29.7m，面坡1:0.05，背坡1:0.4，墻后采用回填石渣夯實。

3.3 水力設計

該棄渣場溝水處理工程水力設計包括擋水壩設計、排水明渠緩坡段設計、排水明渠陡坡段及出口段水力設計。

3.3.1 擋水壩及明渠緩坡段

①擋水壩壩前水頭

排水明渠按無壓流設計，泄流能力按寬頂堰[3]堰流公式計算。

式中：b、n、H0、H、v0、m、σc、σs為每孔凈寬、孔數、堰前水頭（含行近流速水頭）、堰前水深、行近流速、流量系數、側收縮系數、淹沒系數。

②明渠正常水深h0

梯形斷面明渠正常水深的計算公式如下：

式中：Q、i、n、b、h0、m0為明渠斷面流量、底坡、糙率、底寬、正常水深、邊坡系數。

③臨界水深hk和臨界坡度ik

明渠臨界水深和臨界坡度滿足以下條件：

式中：α為動能修正系數；Ak、Rk、χk、Bk、Ck為臨界水深對應的明渠過水斷面面積、水力半徑、濕周、水面寬和謝才系數。

④明渠水力最佳斷面

水力最佳斷面計算公式如下：

式中：bm、?m、Rm、βm、m0、i、n為水力最佳斷面的底寬、水深、水力半徑、寬深比、邊坡系數、底坡、糙率。

⑤明渠水面線

根據分段求和法計算明渠水面線，計算公式見3.3.2節。

⑥計算成果

通過計算得到明渠均勻流正常水深、臨界水深、臨界坡度、水力最佳斷面水深和底寬、壩前水深見表2。排水明渠緩坡段（0+000.00～0+496.66）的控制斷面在入口處，控制水深為臨界水深hk=3.64m，正常水深h0=3.27m，邊坡系數取值m=0.15，糙率n=0.014，底坡i=0.0041。排水明渠水面線計算結果見表3。

表2 明渠進口及緩坡段水力計算

表3 明渠進口及緩坡段水面線計算

3.3.2 明渠陡坡段

本工程明渠陡坡段（0+496.66～0+809.90）分四段，根據天然地面坡度設置，平均縱坡13%～50%，可依照臺階式溢洪道設計，與出口消能設施銜接。

臺階式溢洪道消力設計需要知道池前溢洪道末端水流的斷面比能，即水深與流速。然而，目前對于臺階式溢洪道的水力計算，并無準確的解析公式，大部分是基于試驗總結的經驗或半經驗公式。部分研究通過分段求和法，把臺階看做糙體，得到渠道斷面水深；部分研究臺階式溢洪道的消能特性，計算消能效率。無論得到斷面水深或消能效率，最終均可計算溢洪道底部的流速和水深，為溢洪道下游消力池設計提供依據。

①明渠水面線

明渠陡坡段水面線采用分段求和法[4]，計算公式如下：

式中：Δl1-2、h1/h2、v1/v2、α1/α2、θ、i、Jˉ、n為分段長度、始/末斷面不摻氣水深、始/末斷面平均流速、流速不均勻系數、底坡角度、底坡（i=sinθ）、平均摩阻坡降、糙率。

明渠陡坡段為臺階式，糙率可按Mannnig-Strickler[5]公式計算：

式中：a0為臺階高度，m。

②消能效率

田嘉寧[6]通過對坡度0°～60°的臺階式泄水槽進行模型試驗，總結出當堰上臨界水深與臺階高度比值不大于3 時，各流態躍前斷面消能率大小基本相同，即臺階式泄水槽的消能率計算與流況無關，可以用經驗公式：

式中，η為消能效率；Hdam、?c為泄水槽頂部與底部的高差、渠道臨界水深；A、B與坡度相關。

③摻氣水深

由于明渠陡坡段流速高、高差大，易形成自摻氣水流，水流摻氣將引起明渠陡坡段各斷面水深增加，摻氣水深按下式[4]計算：

式中：?、v、?b、ζ為計算斷面的水深、流速、摻氣后水深、修正系數（取1.0～1.4s/m）。

④計算成果

排水明渠陡坡段隨著地形坡度的變化，以明渠末端為基準面，得到明渠陡坡段水力計算成果見表4，摻氣水深見表5。

表4 排水明渠陡坡段水力計算成果

表5 排水明渠陡坡段摻氣水深

由表可知，采用分段求和法得到底部水深1.46m，流速15.06m/s，消能效率86.78%，摻氣水深1.72～3.56m；采用消能效率法得到底部水深1.46m，流速15.06m/s，消能效率83.65%，摻氣水深1.61～3.56m。

3.3.3 明渠出口段

明渠出口段按照最后一級臺階跌水[3]消能方式進行計算，底板參考消力池進行設計。

式中：躍后水深?''c= 1.66D0.27P；跌落水舌長度ld= 4.30D0.27P；水躍長度lj= 1.9?''c- ?c；收 縮 水 深 ?c=0.54D0.425P；?t為下游渠道水深；，q為單寬流量，P為跌高。

出口段底板厚度可根據抗浮及抗沖要求[7]計算，并取其大值。

式中：t、ΔH'、k1、k2、U、γ、hd、Pm、γd為底板厚度、上下游水位差、底板計算系數（0.15～0.20）、底板安全系數（1.1～1.3）、底板揚壓力、水的重度、出口水深、底板上脈動壓力、底板飽和容重。

通過水力計算，明渠出口段躍后流速為4.64m/s，池長19.65m，池深5.02m?？紤]抗沖和抗浮穩定得到底板厚度分別為1.41m 和1.01m，取值1.5m，見表6。

表6 排水明渠出口段底板計算成果

3.4 結構設計

3.4.1 擋水壩

擋水壩采用C25 重力式混凝土結構，壩前水深5.65m，考慮安全超高，過水斷面高度6.5m，壩頂高程1636.50m。壩頂寬度1.5m，內側邊坡1:1.6，外邊坡直立，擋水壩最大高度10.5m（基礎埋深2.0m）。擋水壩基礎設置2 排帷幕灌漿孔，孔深6.0m，排距1.0m，孔距1.5m?；A及側向邊坡均設置4.5m 長的C25錨筋，間排距1.0m，梅花型布置，入巖3.5m。擋水壩中部布置6.5m 高、6.0m寬的排水通道。

3.4.2 明渠緩坡段

明渠緩坡段底板主要位于泥巖、砂質泥巖夾頁巖之上，基巖地基有一定承載和抗變形能力。排水明渠緩坡段（0+000.00～0+496.66）總長496.66m，平均縱坡0.41%，采用C25 鋼筋混凝土結構，過水斷面由6m×5m 漸變至6m×4.5m（寬×高）。左邊墻采用重力式，右邊墻采用貼坡式，頂寬1.0m，底板厚度1.5m。邊坡噴10cm 厚C25 混凝土，底板及邊墻基礎布置C25，L=4.5m，間排距2.0m的錨筋，入巖3.5m。

3.4.3 明渠陡坡及出口段

排水明渠陡坡段（0+496.66～0+809.90）分四段，根據天然地面坡度設置，平均縱坡13%～50%，過水斷面6m×4.5m（寬×高），采用C25 鋼筋混凝土結構，底板及邊墻基礎布置C25，L=4.5m，間排距2.0m的錨筋，入巖3.5m。

排水明渠出口段（0+809.90～0+843.32）采用臺階式跌水消能，底板采用C35 混凝土，厚度1.5m，為保護岸坡及基礎免于水流的沖刷，對排水明渠上下游40m 范圍采用C35 混凝土護底，岸坡采用C25 貼坡混凝土擋墻護岸，高度7.5m。底板及邊墻基礎布置C25，L=9.0m，間排距1.0m的錨筋，入巖8.0m。

4 結論

溝水處理工程的安全運行是確保溝道及渣場安全的必要措施。本工程溝道流量大、坡度陡，通過對擋水壩、排水明渠、臺階式消能及防護設計對棄渣場進行溝水處理，極大地提高了消能效率，效果明顯。

本文采用分段求和法及消能效率法計算排水明渠陡坡段消能效果，得到消能效率達約85%左右，二者相差3%，說明排水明渠陡坡段采用臺階式消能理論上效果較好。建議對棄渣場排水明渠陡坡段臺階消能進行模型試驗，進一步驗證和優化明渠消能設計。