岩溶地区弃渣场水土涵养系统及施工方法与流程

本发明涉及水土保持，具体涉及岩溶地区弃渣场水土涵养系统及施工方法。

背景技术：

1、封闭或半封闭的岩溶洼地是岩溶地貌典型的地形单元。其内部通常发育有落水洞、岩溶管道等，这些岩溶通道构成了洼地降雨及地表径流的天然下泄通道，使得岩溶洼地具有独特的水文特征。雨季时，降雨沿岩溶管道快速下渗，径流迅速消泄；旱季时，因洼地表层缺乏蓄水介质与阻水结构，残存水分在岩溶通道的强渗透作用下继续漏失，地表水快速消耗殆尽，含水能力极差。这一水文特点，导致岩溶洼地即便在降雨充沛的地区也普遍呈现季节性干旱，其地表土壤长期处于缺水状态。

2、基于岩溶洼地天然的封闭地形条件，其常被选作工程建设弃渣的堆存场地。目前，弃渣场水土保持工程中普遍采用的方案是截排水单元。该系统的核心设计思路是在弃渣场坡顶、各级平台及坡脚设置截水沟、排水沟、急流槽等设施，将渣场上游汇水、坡面径流及坡体内部渗水快速收集并通过排水边沟、排水隧洞等通道引离渣体，排入下游自然沟道，以确保渣体不受水流冲刷、维持渣体稳定。

3、然而，快速排干的截排水单元虽能保证雨季渣体稳定，却也彻底切断了洼地原有的水文循环。即，雨季宝贵的水资源被迅速排走，旱季则因岩溶通道的漏水性导致渣体表面覆土迅速失水，复垦植被因极度缺水而大面积枯死，后期补种及管护成本极高，大量岩溶洼地弃渣场面临复垦失败的困境。

技术实现思路

1、本发明提供了一种岩溶地区弃渣场水土涵养系统及施工方法，以解决现有岩溶地区弃渣场因水资源快速流失导致复垦植被成活率低、管护成本高及复垦效果差的问题。

2、第一方面，本发明提供的岩溶地区弃渣场水土涵养系统，包括台阶堆渣体、截排水单元、梯级蓄水单元和复垦单元。台阶堆渣体设置于岩溶洼地内；截排水单元设置于所述台阶堆渣体的坡顶、各级平台及坡脚，用于收集渣场上游汇水、坡面径流及坡体内部渗水；梯级蓄水单元设置于所述台阶堆渣体不同高程的台阶面上，与所述截排水单元连通，用于承接并储存所述截排水单元收集的水体；复垦单元覆盖于所述台阶堆渣体表面，用于栽种植被；所述梯级蓄水单元靠复垦单元一侧的挡墙上设有泄水孔，所述泄水孔连通所述梯级蓄水单元与所述复垦单元。

3、有益效果：通过设置与截排水单元连通的梯级蓄水单元，将雨季原本被快速排走的地表径流有效拦截并储存于渣体内部。在旱季，储存于蓄水单元中的水体可通过挡墙上的泄水孔精准补给至复垦单元，有效缓解岩溶地区因落水洞渗漏导致的表层覆土快速失水问题，提高弃渣场整体的保水率，实现水资源的跨时间尺度调配与高效利用。同时，再通过利用台阶堆渣体不同高程的梯级蓄水单元，结合挡墙不同高度设置的泄水孔，能够根据复垦单元内不同区域、不同植被的差异化需水特性进行分区分级供水，构建分级差异化灌溉体系，提升土地资源化利用效率。

4、在一种可选的实施方式中，所述截排水单元包括汇水槽、截水沟和排水边沟。汇水槽设置于所述台阶堆渣体的上游汇水沟道内，用于收集上游来水；截水沟设置于所述台阶堆渣体与岩溶洼地的交线处，用于拦截渣场周边来水；排水边沟连通于所述截水沟的底部和/或中部，用于将所述截水沟收集的水体向下游输送。

5、有益效果：通过将汇水槽设置于渣场上游汇水沟道内，能够有效拦截上游沟道来水，再通过截水沟设置于堆渣体与岩溶洼地交线处，能够精准拦截渣场周边坡面径流，实现渣场汇水范围内不同来源、不同路径水体的全面收集与归集，确保雨季宝贵水资源能被充分捕获并导入蓄水单元，解决传统系统因收集不充分导致的水资源浪费问题。同时，通过将排水边沟连通于截水沟的底部和/或中部，使得截水沟内不同水层的水体能够沿不同路径有序分流，即，底部水体可通过底部排水边沟优先引入梯级蓄水单元进行储存，用于旱季灌溉；而中部水体可通过中部排水边沟经岸坡落水洞适当分流，避免蓄水单元超载，实现蓄存、分流的差异化调控。

6、在一种可选的实施方式中，所述梯级蓄水单元的挡墙顶部设有溢流表孔，所述梯级蓄水单元的挡墙背后设有挡墙后排水边沟，所述挡墙后排水边沟的始端衔接所述截水沟的底部，末端衔接所述溢流表孔；在小流量工况下，所述截水沟的底层水体经所述挡墙后排水边沟引入所述梯级蓄水单元进行蓄存。

7、有益效果：通过在挡墙背后设置挡墙后排水边沟，并使其始端衔接截水沟底部、末端衔接溢流表孔，在小流量工况下，截水沟收集的底层水体可优先经该通道被引导进入蓄水单元进行蓄存，建立小流量优先蓄存机制，解决因雨季水资源被快速排空而导致的旱季缺水难题。再通过在梯级蓄水单元的挡墙顶部设有溢流表孔，当蓄水单元蓄满或来水增大时，多余水量可通过挡墙顶部的溢流表孔安全下泄，实现径流按量分级处置，兼顾蓄水需求与系统行洪安全。同时，挡墙后排水边沟的布置充分利用了截水沟与蓄水单元之间的天然高程差，使得截水沟底层水体可依靠重力自流进入蓄水单元，无需借助任何外部动力设备，降低系统的建设成本和运维能耗。

8、在一种可选的实施方式中，所述台阶堆渣体的岸坡侧分布有落水洞，所述截水沟的中部通过岸坡排水边沟与所述岸坡侧的落水洞连通；在中流量工况下，所述截水沟收集的中层水体经所述岸坡排水边沟引入所述岸坡侧的落水洞进行分流排泄。

9、有益效果：通过将挡墙后排水边沟与岸坡排水边沟设置不同高度，构建了基于水体垂向分层与流量量级双重驱动下的双通道分流体系。即，小流量时底层水优先经挡墙后排水边沟进入蓄水单元蓄存；中流量时中层水则经岸坡排水边沟引入岸坡落水洞进行安全分流。实现截水沟内不同水层水体的差异化处置，避免中层水体挤占蓄水单元有效库容，确保蓄水单元在中小流量条件下均能保持充足的蓄水空间，显著提升了系统对复杂来水过程的适应能力。同时，利用岩溶洼地岸坡侧天然分布的落水洞作为中水分流排泄的自然出口，通过岸坡排水边沟将截水沟中部水体直接导入落水洞，恢复并利用岩溶洼地原有的天然泄水功能，无需单独设置排水隧洞或开挖长距离排水通道，减少混凝土工程量和土石方开挖量，降低工程造价与施工周期，实现低成本的生态化排水处置。即，蓄水单元兼顾蓄水与小流量调蓄，天然落水洞兼顾中水分流与超标准洪水的辅助排泄，两者互为补充、协同工作，共同提升弃渣场水土涵养系统在面对不同量级降雨工况时的整体适应能力与安全冗余度。

10、在一种可选的实施方式中，在大流量工况下，所述截水沟上层水体经所述截水沟自然下泄至下游自然沟道，各级所述梯级蓄水单元的溢流表孔及连接相邻梯级蓄水单元之间的溢流面作为泄洪主通道。

11、有益效果：在大流量工况下，一方面利用截水沟上层水体沿截水沟自然下泄至下游自然沟道，另一方面通过各级蓄水单元挡墙顶部的溢流表孔及连接相邻蓄水单元之间的溢流面作为泄洪主通道。两条泄洪路径协同工作，分别从渣场外围和渣体表面泄洪，确保超标准洪水能够被迅速、安全地排离渣场，避免因单一泄洪通道过流能力不足而导致的漫顶或溃坝风险，保障弃渣场在极端暴雨工况下的结构安全与行洪稳定。通过与小流量蓄存机制、中流量分流机制有机结合，构建出完整的基于来流量量级自动触发的三级梯度调控体系，小流量时底层水经挡墙后排水边沟优先蓄存，中流量时中层水经岸坡排水边沟分流排泄，大流量时上层水经截水沟自然下泄且各级溢流表孔与溢流面作为泄洪主通道，使得弃渣场水土涵养系统在面对不同量级降雨时能够自动切换至相应的工作模式。同时，连接相邻梯级蓄水单元之间的溢流面，利用台阶堆渣体不同高程之间的天然地形高差，使溢流表孔下泄的洪水沿溢流面呈阶梯状逐级跌落，不断消减水流动能，有效降低洪水的流速与冲刷力，减轻对坡面及坡脚结构的冲击破坏。

12、在一种可选的实施方式中，所述梯级蓄水单元包括由下至上依次铺设于所述台阶堆渣体台阶面上的过渡料层、粘土防渗层、过渡料保护层和块石防冲层，所述过渡料层铺设于所述台阶堆渣体的台阶面与所述粘土防渗层的底面之间，所述块石防冲层铺设于所述过渡料保护层的顶面并覆盖所述梯级蓄水单元的整个底部区域；所述梯级蓄水单元的挡墙设置于所述块石防冲层上方。

13、有益效果：通过在梯级蓄水单元底部设置粘土防渗层，并将其铺设在过渡料层上方，通过碾压夯实形成连续、致密的阻水屏障，切断蓄水单元内水体向底部渣体及岩溶通道的垂直渗漏路径，确保雨季收集的宝贵水资源能够被长期、稳定地储存在蓄水单元内，为旱季复垦灌溉提供可靠的水源保障。再通过将下层过渡料层铺设于台阶堆渣体的台阶面与粘土防渗层底面之间，一方面，起到找平垫层的作用；另一方面作为反滤层，防止下部渣体细颗粒在渗流作用下进入粘土层造成结构破坏。而上层过渡料保护层则覆盖于粘土防渗层顶面，有效保护粘土层在后续施工及运行过程中免受水流冲刷和外界扰动破坏。即，在粘土防渗层的上、下两侧分别设置过渡料层和过渡料保护层，提升粘土防渗层的服役寿命和防渗可靠性，避免因防渗层破坏而导致的蓄水失败风险。再通过在过渡料保护层顶面铺设块石防冲层，并使其覆盖整个蓄水单元底部区域，作为泄洪主通道参与大流量泄洪时，能够有效抵抗溢流水流的冲刷和淘蚀，防止底部结构被掏空破坏，也可以为挡墙提供稳定的基础持力层，增强挡墙的抗滑、抗倾覆稳定性。如此设置，构建出功能分区明确、层次组合有序的蓄水单元底部结构体系。

14、在一种可选的实施方式中，所述泄水孔为沿所述挡墙的高度方向分层设置的多组通孔，每组泄水孔沿所述挡墙的长度方向间隔布置，任一所述泄水孔贯穿所述挡墙的墙身，所述泄水孔的进水端连通所述梯级蓄水单元的内部水体，所述泄水孔的出水端延伸至所述挡墙背离所述梯级蓄水单元的一侧并位于所述复垦单元的上方；各组所述泄水孔分别对应不同高程的所述复垦单元。

15、有益效果：通过在挡墙高度方向分层设置多组泄水孔，并使各组泄水孔分别对应不同高程的复垦单元，形成覆盖渣场各级台阶的立体化灌溉网络，使得位于不同高程的复垦单元能够独立获得水源补给，操作人员可根据各高程复垦单元内种植植被的类型、需水特性及土壤墒情，选择开启相应高程的泄水孔组实施针对性灌溉，实现水资源的精细化分配与按需供给。同时，每组泄水孔沿挡墙长度方向间隔布置，使得出水端在复垦单元上方形成均匀分布的出水点阵列，当开启某组泄水孔进行灌溉时，水体沿挡墙长度方向多点同步出流，均匀覆盖整个复垦单元表面，避免单点出水导致的水量集中、灌溉不均问题，实现均匀灌溉，改善复垦植被的整体长势与成活率。再通过将泄水孔的进水端连通蓄水单元内部水体，出水端延伸至挡墙背离蓄水单元一侧并位于复垦单元上方，充分利用蓄水单元水体与复垦单元之间的天然高程差，使灌溉用水可依靠重力自流进入复垦单元，无需额外配置水泵等动力设备，降低运行成本与管护强度。

16、在一种可选的实施方式中，所述复垦单元包括粘土覆盖层和植被层。粘土覆盖层覆盖于所述台阶堆渣体各级台阶面上；植被层栽种于所述粘土覆盖层上；所述泄水孔的出水端位于对应高程的所述粘土覆盖层上方，所述泄水孔排出的水体经所述粘土覆盖层表面漫流或经灌溉管道输送至所述植被层的根部区域。

17、有益效果：在台阶堆渣体各级台阶面上设置粘土覆盖层作为复垦单元的基础，利用粘土自身颗粒细密、渗透系数低的特性，使其在降雨或灌溉后能够有效吸附并保持大量水分于根系分布层内，显著延缓水分的垂向入渗与蒸发散失速率。同时，泄水孔的出水端位于粘土覆盖层上方，使得蓄水单元补给的水体首先浸润粘土覆盖层表面，再缓慢下渗至植被根系区域，改善岩溶地区弃渣场表层覆土蓄不住水的天然缺陷。

18、在一种可选的实施方式中，岩溶地区弃渣场水土涵养系统还包括落水洞处理单元，所述落水洞处理单元设置于所述岩溶洼地底部的落水洞洞口处，所述落水洞处理单元包括混凝土拱、排水管和土工布。所述混凝土拱为拱形结构体，所述混凝土拱的两端分别坐落于所述落水洞洞口外侧的基岩上，所述混凝土拱跨越所述落水洞的洞口上方，用于承载所述台阶堆渣体底部堆渣的荷载并将荷载传递至两侧基岩；所述排水管嵌于所述混凝土拱的拱体内并沿竖直方向贯穿所述混凝土拱的上、下两侧，所述排水管的上端进口位于所述混凝土拱的顶面并与所述台阶堆渣体的底部堆渣相邻接，所述排水管的下端出口位于所述混凝土拱的底面并与所述落水洞的内部空间相连通，用于将所述台阶堆渣体内部的渗水导入所述落水洞；所述土工布覆盖于所述排水管的上端进口处并铺设于所述排水管进口周围的所述混凝土拱顶面上，用于过滤所述台阶堆渣体内部渗水中的细颗粒物料，防止细颗粒进入所述排水管造成堵塞。

19、有益效果：在落水洞洞口处设置混凝土拱，使拱体两端稳定坐落于洞口外侧的基岩之上，利用拱结构的优异受力特性，将台阶堆渣体底部传递而来的竖向荷载通过拱体转化为对两侧基岩的水平推力和压应力，有效跨越落水洞这一软弱空腔区域，避免堆渣荷载直接作用于洞顶不稳定岩体，保障堆渣体底部结构的长期承载安全与整体稳定。再通过在混凝土拱体内嵌设沿竖直方向贯穿拱体上下两侧的排水管，使排水管上端进口邻接堆渣体底部、下端出口连通落水洞内部空间，在堆渣体内部保留有序、可控的排泄路径，既防止落水洞上方因积水浸泡导致堆渣体强度降低或发生渗透破坏，又避免完全封堵落水洞后区域整体泄水格局遭受颠覆性改变而引发的次生地质灾害风险，实现堆渣体内部渗水的可预见、可控制、可疏导的安全管理目标。再通过在排水管上端进口处覆盖土工布，并将其铺设于排水管进口周围的拱顶面上，使土工布在排水管进口与堆渣体之间形成一道透水阻粒的过滤界面，使得水分可顺利透过的同时细颗粒被有效拦截，确保排水管长期保持畅通的过流状态，有效延长落水洞处理单元的服役寿命，同时避免细颗粒物料沿落水洞大量流失堵塞岩溶管道的潜在生态风险。即，通过混凝土拱进行结构加固、排水管疏导渗水、土工布实施反滤这一组合，在落水洞原位实现堆渣承载与有序排水的双重功能，保留岩溶洼地天然的落水排泄格局，避免大规模封堵和改造对区域水文环境的破坏。

20、第二方面，本发明还提供的岩溶地区弃渣场水土涵养系统的施工方法，应用于第一方面提供的岩溶地区弃渣场水土涵养系统，包括以下步骤：s1：在岩溶洼地内自下而上分层堆填弃渣，碾压密实后形成具有多级台阶的台阶堆渣体；s2：在台阶堆渣体的坡顶、各级平台及坡脚位置施工截排水单元，用于收集渣场上游汇水、坡面径流及坡体内部渗水；s3：在台阶堆渣体各级台阶面上施工梯级蓄水单元，并将梯级蓄水单元与截排水单元连通，使截排水单元收集的水体能够进入梯级蓄水单元储存；s4：在台阶堆渣体表面覆盖复垦基质并栽种植被，形成复垦单元；s5：在梯级蓄水单元的挡墙上开设泄水孔，将泄水孔与复垦单元连通，使梯级蓄水单元储存的水体能够经泄水孔供给至复垦单元。

21、有益效果：通过设置堆渣体成形、截排水配套、蓄水单元建设、复垦恢复、灌溉联通的施工顺序，将弃渣堆存与水土涵养系统建设有机融合为一个整体工程，使水土涵养设施的建设与堆渣过程同步推进，避免堆渣完成后再进行大规模结构改造所带来的重复开挖、二次扰动和工期延误。其中，通过将截排水单元施工安排在梯级蓄水单元施工之前进行，由于截排水系统在蓄水单元尚未建成时即可提前发挥对施工期地表径流和坡面汇水的有序引导功能，使得弃渣场在整个施工周期内始终处于受控的水土保持状态，避免施工过程中因降雨径流无序冲刷而引发的渣体边坡侵蚀和前期水土流失问题。再通过将复垦单元施工安排在泄水孔开设之前进行，由于泄水孔的位置、高程和数量能够根据现场实际栽种的植被类型、根系分布及空间布局进行精准匹配与定位开设，使得蓄水单元储存的水体能够经泄水孔定点供给至对应高程复垦单元内植被的根系区域，避免因先开孔后栽种导致的孔位与植被错位、灌溉水无法有效到达目标根系区域而造成的水资源浪费和灌溉失效问题。再通过构建出水源收集到水源储存再到精准灌溉的完整技术链条，由于梯级蓄水单元在施工阶段即与截排水单元完成连通、复垦单元在栽种植被后即通过泄水孔获得稳定灌溉水源，使得蓄水单元在投入运行之初即形成雨季蓄存、旱季回补的完整水循环闭环，避免传统弃渣场因截排水系统将水资源快速排干、蓄水设施与复垦单元之间缺乏有效水力联系而导致旱季覆土失水过快、复垦植被因缺水大面积枯死、后期补种及管护成本持续攀升的行业痛点问题。