中煤平朔集团有限公司 山西朔州 036006
摘要：安太堡露天矿即将面临跨马关河作业，为保障正常采矿工作，对在马关河上游设置拦河堤坝疏导洪水进行了方案设计。工程前期总体设计规划备选四个方案，经过方案比选，选择采取了上游沟道拦蓄，总沟道调蓄，涵管排泄，共建调蓄坝5座的方案。根据流域参数校核了洪水与泥沙，并分述了5座拦蓄坝枢纽工程规模，提升了安太堡露天矿的防洪能力和安全等级。
关键词：安太堡露天矿；拦蓄坝；流域；防水；
马关河是桑干河一级支流源子河的支流，发源于平鲁区榆岭乡的张马营、石井沟一带，经王高登、陶村，在陶村乡的歇马关村东南进入朔城区境内，在朔城区流经赵家口，在小平易乡元子河村东汇入源子河。其总体走势为西北高、东南低，海拔在1250m～1450m之间。安太堡露天矿开采区上游马关河流域面积28km2，主河道长7.32km，河道平均比降21.4‰。无已建、在建水利水电工程。
马关河位于平朔矿区核心地带，自北向南纵穿平朔矿区中部。目前，安太堡露天矿采掘已经到达马关河西岸边缘，根据平朔矿区露天矿接续方案，安太堡露天矿须跨越马关河河谷，必然影响到马关河河道的正常行洪排水功能。因此，要保障在安太堡露天矿跨马关河期间的生产作业，避免安全生产事故发生，需在马关河上游流域设置拦河堤坝，并设置必要的疏导泄水工程。
1、马关河流域地质情况
马关河流域四周为低中山区，属海河流域桑干河支流马关河。区内地貌单元主要包括剥蚀低中山区、黄土丘陵区及洪冲积河谷地貌。剥蚀低中山区位于四周山区，洪冲积河谷区主要为桑干河及支流马关河河谷。
区内出露的地层为古生界奥陶系下统冶里组（O1y）、亮甲山组（O1l）以白云岩为主的碳酸盐岩地层，奥陶系中统下马家沟（O2x）、上马家沟（O2s）以灰岩为主的碳酸盐岩地层；石炭系本溪组（C2b）、太原组（C3t）、山西组（C3s）的含煤系砂页岩地层；二叠系下石盒子组（P1x）砂页岩地层。第四系松散覆盖层有，中更新统洪积（Q2pl）黄土、上更新统风积（Q3eol）黄土以及库区淤积物（Q4l）。
本区大地构造单元属吕梁—太行断块云岗块坳西南边缘，南临桑干河新裂陷的朔州浅凹陷，块坳与凹陷之间为神头山前断裂。燕山期运动形成了本区的基本构造格架，主要的构造形迹为断裂和褶皱，喜山期进一步改造和继承，并形成了一些新断裂。新生代以来，本区新构造运动主要表现为地壳大面积不均匀抬升，形成了大同断陷盆地，山地不断上升，盆地持续下降，并接受沉积，目前地壳处于相对稳定时期，区域稳定性尚好。
2、马关河防治方案选择
安太堡露天跨马关河作业过程中，在一定标准下能可靠排水泄洪，避免安全生产事故发生的原则进行总体规划布置。初拟三个方案，第一为改河，第二修箱涵，第三为水保。后经实地踏勘、室内研讨，一致认为：改河方案理论上虽较彻底，但选线难、工程浩大、占地多、投资大不现实；修箱涵排河水跨越露天矿生产区，涉及问题多，难实施不可行；水保方案在上游沟道修筑淤地坝系工程，将一定标准下洪水调蓄，大水变小水可人为控制，便于实施可达到规划之目标。因此，选取水保方案，在水保方案中工程总体规划布置备选四个方案，方案比较见下表1。
第一方案：上游沟道拦蓄，总沟道调蓄，涵管排泄。该方案分别在上游1、2、3、4号支沟近沟口处布置拦蓄坝系工程，将设计标准下的洪水及泥沙调蓄，通过缓存后排入下游总沟道；总沟道再设置一座调蓄坝工程，将上游支沟坝系工程排泄的洪水调蓄，后经排水涵管跨越露天矿开采作业区排入下游马关河。该方案共需建调蓄坝5座，铺设钢筋混凝土DN1200排水涵管4.88km。
第二方案：上游沟道拦蓄，总沟道调蓄，提排临时储蓄。该方案分别在上游2、3、4号支沟近沟口处布置拦蓄坝系工程，将设计标准下的洪水及泥沙调蓄，通过缓存后排入下游总沟道；总沟道再设置一座调蓄坝工程，将上游支沟坝系工程排泄的洪水调蓄，后经泵站提水输送到1号沟临时储蓄。该方案共需建调蓄坝4座，泵站1处，输水渠道0.6km，临时储蓄库1座，蓄水90.3万m3。
第三方案：上游沟道拦蓄，总沟道调蓄排入矿坑。该方案分别在上游1、2、3、4号支沟近沟口处布置拦蓄坝系工程，将设计标准下的洪水及泥沙调蓄，通过缓存后排入下游总沟道；总沟道再设置一座调蓄坝工程，将上游支沟坝系工程排泄的洪水调蓄，后直排矿坑。该方案共需建调蓄坝5座。
第四方案：在第二方案基础上增加一座提排泵站，将临时储蓄库的水提排到露天矿内排土场。该方案共需建调蓄坝4座，泵站2处，输水渠道0.6km，临时储蓄库1座。
经过方案比较，第一方案虽然目前存在穿越矿坑不便施工，但按露天矿接续开采规划填筑厂方案2020年可完全满足设计施工条件，所以第一方案采用分期实施可达到预期目标，综合比较第一方案优于第二、第三、第四方案，推荐使用第一方案。
表1 工程方案比较表
3、工程选址
安太堡露天矿开采区横穿歇马关河流，需在河道上游设置拦泥蓄滞洪水，为露天矿开采作业创造一个好环境，在一定标准下保障安太堡露天矿横穿马关河的整个作业过程中，既要把马关河拦蓄滞洪量排泄，又要使排泄水安全跨越安太堡露天矿开采区，下游排泄工程选线，根据安太堡露天矿接续开采规划，以及挖填进展计划，选择输水路线全长4.88km。排泄工程选型，考虑露天矿开采作业，填筑场有大型车辆通过，为保证工程安全，排泄输水工程选型为钢筋混凝土管涵式。
图1 河沟流域面积及坝均选型位置
拦蓄坝均选型为水保工程中淤地坝。选址如下：
1）1号沟坝址，位于一号沟位于北岭煤矿下游260米处，坝址选择在近沟口处，距离沟口公路130米，大坝南北走向。
2）2号沟坝址，位于二号沟（木瓜界沟）位于北岭煤矿上游500米处，坝址选择在近沟口处，距离沟口448米，大坝南北走向。
3）3号沟坝址，位于三号沟（马营沟）位于北岭煤矿上游874米处，坝址选择在近沟口处，距离沟口公路430米，大坝南北走向。
4）4号沟坝址，位于四号沟（好锥沟）位于北岭煤矿上游874米处，坝址选择在近沟口处，距离沟口298米，大坝南北走向。
5）马关河坝址，位于马关河坝址选择在北岭煤矿上游200m处，大坝东西走向。
表2 工程等别及标准
4、设计洪水分析计算
4.1流域参数
流域特征参数包括流域的面积、主河道长和平均坡度等，以上参数均采用1：1万地形图量测和计算。
流域平均坡度：
式中：J—流域平均坡度，m/km；
Z0，Z1…Zn—自计算断面开始的沿程各计算点高程，m；
L1，L2…Ln—相应各计算点与相邻前一点之间距离，km；
L—流域主河道长，km。
根据拟建工程布置情况，以及安太堡露天矿开采区上游歇马关河流域水系情况，设计洪水及泥沙按5个卡口断面分析计算。流域参数见下表3。
表3 计算断面流域特征参数表
4.2洪水
洪水计算采用了《山西省水文计算手册》中的综合瞬时单位线法（流域水文模型法）和推理公式法计算方法。基于安全考虑，除1号沟道采用流域水文模型法成果，其它沟道均采用推理公式法计算成果。成果见表4。洪水由暴雨形成，全部集中于汛期。
表4 采用洪水计算成果表
注：P为降雨频率，T=1/P，T为重现期。
4.3泥沙
河道泥沙计算采用山西省2010年编制的《山西省水文计算手册》进行计算。计算断面各流域多年平均输沙量计算结果见表5。
表5马关河沟道泥沙计算成果
4.4 蓄滞库工程规模
工程总体规划布置由上游沟道拦蓄工程与下游疏导排泄工程两部分组成，具体规划布置为：（1）上游沟道拦蓄工程共四座（名为1、2、3、4号沟），均布置于近沟口处；（2）下游疏导排泄工程由蓄滞工程与输水工程两部分组成，蓄滞工程布置于北岭村上游200m处，输水工程起于露天矿接续开采边界上游100m，终于露天矿下游歇马关河。
上游沟道拦蓄工程共四座（名为1、2、3、4号沟）拦蓄坝枢纽工程由土坝、溢洪道、放水建筑物组成。坝顶宽10m；大坝上游坝坡1：2.5，下游坝坡为1：2，上游坝坡为干砌石护坡，下游坝坡为草皮护坡，下游坝脚排水设置棱式反虑体。溢洪道为河岸开敝式溢洪道，放水建筑物采用卧管式，断面为矩形，结构为浆砌石污工结构。上游沟道拦蓄滞洪规模见表7。
表7 上游沟道拦蓄坝系工程规模设计指标
依据《水土保持工程设计规范》GB51018—2014，按照淤地坝工程标准，选取泥沙设计淤积年限为10a，设计滞洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为50年一遇，确定工程规模。下游马关河（总沟道）拦蓄滞洪及下游排泄输水工程由土坝、放水建筑物、下游排洪工程三部分组成，蓄滞工程规模见表6。下游排泄输水工程规模，按7a泄完设计频率一次洪水总量计算下泄流量，叠加上上游4沟道下泄量，并扩大30%作为输水流量。在p=5%洪水时，总沟道马关河调蓄滞洪库容达1.66万m3，下游疏导排泄工程输水流量为1.47m3/s；在p=2%洪水时，下游马关河调蓄滞洪库容达25万m3，疏导排泄工程输水流量为1.88m3/s。
表6 下游马关河蓄滞库工程规模指标表
马关河（总沟道）拦蓄滞洪土坝位于北岭煤矿上游200米处，最大坝高12m，设计最大放水流量1.83m3/s。下游排洪工程为钢筋混凝土管涵式，全长4880m。管涵进口布置于露天矿接续开采规划跨越马关河境界边，考虑边界预留安全生产平台，向上沿伸100m作为管涵进口处。然后管涵接进口向下沿露天矿填筑场1250～1220高程，绕行露天矿生产区到下游马关河。设计排水流量1.88m3/s。
5、结论
（1）工程实施后，可建成淤地坝4座，总库容达122万m3，可建成马关河拦蓄滞洪库1座，总库容达25万m3，其中：拦泥库容0.7万m3，调滞洪水库容24.3万m3。
（2）项目建成后可减轻洪涝灾害，有利于水土保持，有利于生态效益和经济效益的提高；建成后可改善安太堡露天矿生产条件和周边村庄的生态环境，促进周边村庄的产业结构调整；
（3）项目建成后，提高了安太堡露天矿防洪能力和安全程度，确保20年一遇洪水不淹没露天矿，保证了安太堡露天矿安全生产；50年一遇洪水可合理调度同时，提高了该段河道的防洪标准，具有显著的社会效益、经济效益和生态效益。
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作者简介：
武懋（1981.1-），男，籍贯山西朔州，硕士。主要从事露天采矿技术工作。
论文作者:武懋,史灵杰
论文发表刊物:《基层建设》2017年第34期
论文发表时间:2018/3/14
标签：马关论文; 露天矿论文; 沟道论文; 工程论文; 方案论文; 洪水论文; 下游论文; 《基层建设》2017年第34期论文;