某水電站棄渣場穩(wěn)定性計算及對泥石流的影響分析

劉振旺 韓子曄 韓會令

(天津華北工程勘察設(shè)計有限公司，天津 300181)

1 工程概況

大渡河某水電站壩址位于官料河河口上游約230 m處，壩型為混凝土閘壩，壩頂高程557 m，最大壩高63.0 m，壩頂長319.4 m，壩軸線方向為S48°W;發(fā)電廠房布置于左岸臺地，設(shè)6臺單機(jī)容量為57.5 MW燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。

該水電站棄渣場位于官料河支溝干河溝溝谷，距離壩址區(qū)約10.0 km，主要用于工程棄渣料堆棄。考慮到溝谷內(nèi)存在泥石流痕跡，存在爆發(fā)泥石流的可能，該棄渣場擬按單側(cè)堆棄石渣的方式進(jìn)行棄渣堆存，并對溝內(nèi)主溝道做順直處理，以便溝內(nèi)排水更加順暢。經(jīng)計算，該渣場容渣量為280萬m3(松方，下同)，根據(jù)棄渣規(guī)劃，干河溝渣場需棄渣約為278萬m3。渣堆頂高程為780.00 m，底高程為670.00 m，最大堆高110.0 m。溝口的堆渣體會占據(jù)大面積溝道而束窄泥石流流通渠道，泥石流對兩岸的沖刷作用增強(qiáng)，可能導(dǎo)致右岸邊坡失穩(wěn)堵塞溝道，進(jìn)而產(chǎn)生較嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害。若較大規(guī)模泥石流可能會引起堆渣體局部失穩(wěn)，導(dǎo)致堵塞溝道進(jìn)而形成更大規(guī)模泥石流，這對溝口居民和水電站造成較大威脅。因此，評價渣場的穩(wěn)定性及對泥石流的影響，可以進(jìn)一步合理化渣場設(shè)計與施工，保證渣場的穩(wěn)定性和安全性。

2 研究區(qū)自然和環(huán)境地質(zhì)背景

2.1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于青藏高原與四川盆地交界地帶，主要山脈屬大涼山和峨眉山系，區(qū)內(nèi)的大渡河強(qiáng)烈下切，兩岸溝谷發(fā)育，山勢陡峻，嶺谷高差多在1 000 m以上。強(qiáng)烈的內(nèi)外動力地質(zhì)作用，塑造了本區(qū)典型的侵蝕、構(gòu)造地貌形態(tài)特征，呈現(xiàn)出構(gòu)造剝蝕山地和以侵蝕堆積為主的山間河谷地貌景觀。區(qū)內(nèi)除石炭系和第三系地層缺失外，自下元古界至新生界第四系地層均有出露。

研究區(qū)處于涼山斷塊的邊緣地帶，斷裂構(gòu)造較為復(fù)雜，主要發(fā)育NE、NW和近SN向斷裂構(gòu)造，分屬三蘇場NE向、滎經(jīng)—馬邊—鹽津NW向和大涼山近SN向構(gòu)造帶，近場區(qū)處于上述構(gòu)造的交匯區(qū)，另穿插有一些EW向斷裂的成分。斷裂的規(guī)模及長度均不大，在平面上呈斷續(xù)狀延伸，活動性亦較弱。

2.2 自然環(huán)境條件

大渡河流域地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)，總體上冬季受高空西風(fēng)環(huán)流控制，夏季受印度洋、太平洋季風(fēng)影響，季節(jié)變化明顯。大渡河流域南北跨5個緯度，東西跨4個經(jīng)度，地形差異大，山高谷深，致使不同區(qū)域間的氣候特征不同。流域上游河源地區(qū)海拔高程在4 000 m以上，屬高原氣候，冬寒夏涼，天氣寒冷干燥，年平均氣溫在6℃以下，極端最低氣溫可達(dá)－36℃以下，氣溫日差可達(dá)30℃左右。如阿壩氣象站全年平均氣溫只有3.5℃，極端最低溫度達(dá)－33.9℃，極端最高溫度只有28℃。河源地區(qū)年降水量在600 mm左右，山區(qū)降水量700 mm左右，以降雪為主，一般在每年9月上旬開始降雪至第二年6月上旬結(jié)束，降雪長達(dá)9個多月。最大日降水量在40～70 mm之間。降水日數(shù)在160天左右。多年平均年蒸發(fā)量一般在1 200～1 600 mm。干河溝地處大渡河流域中游段，位于大渡河支流官料河右岸，溝道的地表徑流來自于降水的匯集。溝常年流水，但季節(jié)分配不均，汛期水流較大，枯水期溝內(nèi)水流小，徑流主要集中在5～10月，其中又以6～9月為最大。溝內(nèi)無水文觀測站，屬于無資料地區(qū)。

2.3 地層巖性

研究區(qū)地層出露有下元古界峨邊群、震旦系、寒武系、奧陶系，第四系松散堆積層主要位于溝口、兩岸的緩坡地帶、溝床等部位，現(xiàn)將地層由老至新分述如下。

(1)下元古界峨邊群

第三段:底為變質(zhì)砂巖，偶見變質(zhì)礫巖，下部為黃灰至深灰色細(xì)粒變質(zhì)砂巖、粉砂巖夾千枚狀板巖，中上部為變質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖、泥砂質(zhì)板巖夾炭質(zhì)板巖。該層巖性較軟，主要分布于溝谷左岸，位于F3斷層的西南翼，該地層面積約 6.43 km2，占整個流域面積55.91%。

(2)古生界震旦系上統(tǒng)

燈影組的白云巖為粗晶白云巖，易風(fēng)化、溶蝕。尤其是震旦系這種古老的粗晶白云巖，在經(jīng)歷多次構(gòu)造運動的作用，以及長期的風(fēng)化、溶蝕作用，常產(chǎn)生“砂糖狀”風(fēng)化，這種風(fēng)化作用非常徹底，巖石強(qiáng)度幾乎全部喪失，將產(chǎn)生大量的松散固體物源。

(3)古生界寒武系

上統(tǒng)二道水組:白云質(zhì)灰?guī)r夾頁巖及鈣質(zhì)砂巖。該層主要分布于溝谷右岸，面積約0.49 km2，占整個流域面積4.26%。

(4)奧陶系

下統(tǒng)紅石崖組:巖性為石英砂巖、砂質(zhì)頁巖。該層主要分布于溝谷右岸，F(xiàn)7斷層西翼，該地層面積約0.55 km2，占整個流域面積4.78%。

(5)第四系全新統(tǒng)

沖洪積層:以砂卵礫石為主，主要分布于下游溝床、及溝口部位。

泥石流堆積物:碎礫石和塊石堆積為主，主要分布于溝床及溝口部位。

3 棄渣場穩(wěn)定性與潛在影響

棄渣場位于干河溝的谷口河漫灘，溝谷地形平坦，棄渣方便，存渣量較大。經(jīng)計算，該渣場容渣量為280萬m3。根據(jù)棄渣規(guī)劃，干河溝渣場需棄渣約為278萬m3，堆積范圍為:距離溝口1 570 m至290 m處，堆積長度約為1 280 m，渣堆頂高程為780.00 m，底高程為670.00 m，最大堆高110.0 m。堆渣區(qū)域原溝底寬約20～55 m，溝底起點高程為780.00 m，終點高程為645.00 m。計算得相應(yīng)水深約1.05 m，溝內(nèi)水面線從781.05 m降至646.05 m匯入官料河，平均縱坡降約8.9‰。

水電站位于干河溝棄渣場的下游附近區(qū)域，如果堆渣失穩(wěn)會發(fā)生崩塌，導(dǎo)致棄渣滑入溝道，會對溝口居民的安全和玉林橋水電站的正常運行有一定影響。干河溝棄渣場按單側(cè)堆棄石渣的方式進(jìn)行棄渣堆存?？紤]到溝谷內(nèi)存在泥石流痕跡，存在偶發(fā)小型泥石流的可能，并對溝內(nèi)主溝道做順直處理，以便溝內(nèi)排水更加順暢。

3.1 堆渣體穩(wěn)定性分析

極限平衡法是規(guī)范推薦的滑坡穩(wěn)定性分析計算方法，本階段采用加拿大公司開發(fā)的GeoSlope系統(tǒng)軟件中的SLOPE模塊，進(jìn)行穩(wěn)定性分析計算。根據(jù)《水電水利邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T5353—2006)，邊坡穩(wěn)定性分析基本方法是極限平衡下限解法，當(dāng)采用多種方法分析計算時，不同下限解法中應(yīng)取成果最高值，但不應(yīng)超過上限解法中的最低值，SLOPE軟件中常用的為一般條分法、畢肖普(Bishop)法和摩根斯坦(M－P)法。其中M－P法計算值一般較高，且該方法為邊坡規(guī)范推薦的嚴(yán)格解法。因此，穩(wěn)定性評價以M－P法計算結(jié)果為主。

(1)棄渣場堆積方式及計算模型

根據(jù)現(xiàn)有勘探資料，本次對棄渣場的穩(wěn)定性計算分析剖面選取堆渣體穩(wěn)定性較差部位，即渣體堆積較高較厚的部位，共選取兩條剖面，橫Ⅰ－Ⅰ'剖面、Ⅱ－Ⅱ'剖面，各剖面的計算方法相同，此處以Ⅰ－Ⅰ'剖面來說明計算方式，計算模型見圖1。

圖1 Ⅰ-Ⅰ'剖面計算模型

(2)計算工況與荷載組合

棄渣場位于干河溝堆積區(qū)，一旦失事會危及到溝口居民的生命和財產(chǎn)安全及下游玉林橋電站的正常運行，據(jù)《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T5353—2006)，從棄渣場所處的位置、重要性及其危害性，將棄渣場的邊坡等級劃為B類Ⅱ級邊坡，相應(yīng)的安全系數(shù)見表1。

表1 水電水利工程邊坡設(shè)計安全系數(shù)

棄渣場穩(wěn)定性主要受干河溝泥石流運動特征、邊坡地形特征以及邊坡的物質(zhì)組成成分等因素影響，在這些因素中只有堆渣物質(zhì)組成成分不確定，但通過相近的工程類比也可以得到較為可靠的參數(shù)，根據(jù)其不確定因素較少這一特點，棄渣場最小安全系數(shù)可適當(dāng)取各工況的下限值(見表2)。

表2 B類2級邊坡穩(wěn)定性計算工況與荷載組合

堆渣后將改變坡體形態(tài)，引起坡體內(nèi)部的應(yīng)力重分布。另外，在實際工程施工中一坡到頂、三級馬道及五級馬道三種不同堆渣方式的不同，這些都可能會成為影響渣場穩(wěn)定性的重要因素。堆渣過程中受技術(shù)條件所限制，無法將渣體堆積密實，導(dǎo)致渣體本身的結(jié)果較為松散，因自身穩(wěn)定性差可能會發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，除了上述潛在滑面外，渣體與坡體表面的含碎石粉質(zhì)黏土層的淺表層接觸面將成為新的潛在滑面，要注意渣體局部的穩(wěn)定破壞。

穩(wěn)定性計算結(jié)果表明:

①天然狀態(tài)下，棄渣場堆渣后所選剖面在不同堆渣形式下的三個潛在滑面穩(wěn)定性系數(shù)均在1.3以上，堆渣自身穩(wěn)定性也較高，滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。

②在暴雨工況下，穩(wěn)定系數(shù)小于1.05，即不穩(wěn)定情況主要出現(xiàn)在一坡到頂?shù)亩言绞较?，除I－I’剖面的淺層滑面在3.3%設(shè)計暴雨頻率下達(dá)到穩(wěn)定以外，其他堆渣體均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，而潛在滑面的穩(wěn)定系數(shù)均高于1.10，顯然，這是由于堆渣體一坡到頂?shù)亩逊e形式使得自身穩(wěn)定性較差。在三級馬道和五級馬道的堆渣方式下堆渣體、潛在滑面1及潛在滑面2的穩(wěn)定系數(shù)均高于1.10，滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。

③地震工況下，一坡到頂?shù)亩言问较缕拭娴臏\層滑面穩(wěn)定系數(shù)小于1.0，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，三種堆渣方式下潛在滑面以及其他兩種堆積方式下的淺層滑面均滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 棄渣場穩(wěn)定性對泥石流的影響

(1)棄渣場對物源特征的影響

本次對干河溝泥石流溝物源調(diào)查主要有四類物源:坡面侵蝕物源、溝道堆積物源、人工堆積物源及滑坡體物源等四類，流域內(nèi)松散固體物源量規(guī)模很大，可能參與泥石流活動的不穩(wěn)定物源量為48.85×104m3。其中坡面侵蝕物源為主要物源，源總量為535.60×104m3，可能參與泥石流活動的不穩(wěn)定物源量為44.48×104m3，總量占總物源量的96.88%，不穩(wěn)定物源量占總部穩(wěn)定物源量的91.05%。坡面侵蝕物源豐富，分布范圍廣，且分布較為連續(xù)，堆積區(qū)、流通區(qū)及匯水物源區(qū)都有廣泛的分布，所以渣體所在溝體為典型的沿途補(bǔ)給型泥石流溝。

渣場需棄渣約為278萬m3，棄渣場分布于河溝的堆積區(qū)，基本成自然態(tài)堆積，堆積初期塊碎石體與土體的嵌合程度也較低，堆渣體會呈松散態(tài)，架空現(xiàn)象較為明顯。且堆積體表面植被覆蓋率較低，甚至沒有植被覆蓋，使得表面松散物源裸露，在降雨條件下很容易被雨水沖刷而產(chǎn)生坡面侵蝕現(xiàn)象，而堆渣體坡腳也容易被干河溝水流的沖刷產(chǎn)生坍塌失穩(wěn)。在此條件下，堆渣體可直接參與泥石流活動的物源量比重將會比較高，渣體表面比較松散。受坡面侵蝕可直接參與泥石流活動的沖刷厚度按0.5 m計算，棄渣場堆渣面積共15.45×104m2，棄渣場不穩(wěn)定物源量約為7.73×104m3，堆渣后物源總量增加了50.29%，可能直接參與泥石流活動的不穩(wěn)定物源增加了15.82%。以上數(shù)據(jù)表明，棄渣場堆渣后在物源總量和不穩(wěn)定物源量上增加很明顯，增加了干河溝泥石流爆發(fā)的可能性與危險性，渣場一旦失穩(wěn)，極大增加了泥石流的危害性和破壞性。

(2)棄渣場對沖淤特征的影響

棄渣場位于干河溝堆積區(qū)，對物源區(qū)和流通區(qū)的沖淤特征影響甚微。干河溝流域堆積區(qū)較長，在此段總坡降較小，溝谷寬度較大，總體來看，泥石流的沖淤特征表現(xiàn)為淤略大于沖的特點。只有爆發(fā)較大規(guī)模泥石流時，強(qiáng)大的水動力條件將導(dǎo)致該段沖淤平衡發(fā)生變化，短期內(nèi)表現(xiàn)為以沖為主的特征。堆渣后泄洪溝道寬度減小較為明顯，使得行洪斷面減小，堆渣體對泥石流的束流作用較為明顯，暴雨時泥石流會發(fā)生雍高現(xiàn)象。另外，為了排洪順暢，堆渣過程中需對主溝道做順直處理，摩擦相對原始溝道較小，流速在此情況下會加大，這將增大水動力條件，增強(qiáng)其攜帶、沖蝕能力，導(dǎo)致沖淤平衡發(fā)生改變，堆積區(qū)沖淤特征由淤略大于沖的特點轉(zhuǎn)為以沖為主的特點，堆積區(qū)范圍縮小至下游溝口處。

(3)棄渣場失穩(wěn)對泥石流的影響

通過以上棄渣場對泥石流運動特質(zhì)的影響分析，物源是爆發(fā)泥石流的必要條件，棄渣場堆渣后會使干河溝物源總量和不穩(wěn)定物源量都有顯著的增加，這將極大增加爆發(fā)泥石流的可能性，堆渣體所占據(jù)大部分溝道將對泥石流產(chǎn)生較為明顯的束流作用，首先會產(chǎn)生泥石流堆高現(xiàn)象。為使泥石流排泄順暢，必須對坡腳溝谷做順直處理，加大泥石流的流速，泥石流的攜帶和侵蝕能力都會有所增強(qiáng)，這使得干河溝近乎整個流域都會表現(xiàn)為以沖為主的泥石流特征。而堆渣體本身比較松散，巖土體之間的嵌合能力也較差，暴露于泥石流下的堆渣體坡腳很容易遭受到泥石流的侵蝕和沖刷而失穩(wěn)。棄渣場一旦失穩(wěn)，大量渣土體參與到泥石流活動中，會提高泥石流的破壞能力，對溝口居民和下游水電站的運營帶來極大的威脅。

4 防治措施建議

根據(jù)規(guī)范要求，防護(hù)措施中截水壩、排水設(shè)施、攔渣壩等攔擋建筑物等級按Ⅳ級建筑物設(shè)計，渣場防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，并按100年一遇校核。棄渣場均設(shè)置永久攔擋防護(hù)措施，在坡腳處修建擋渣墻防護(hù)，擋渣墻采用梯形斷面。

此外，應(yīng)在棄渣場內(nèi)部及周邊設(shè)置排水溝將棄渣場上有山坡洪水和棄渣區(qū)周邊地標(biāo)產(chǎn)生的徑流排向下游，在渣場內(nèi)部設(shè)置排水土溝和沉砂池，將多余徑流排往場外。由于棄渣結(jié)構(gòu)松散，易發(fā)生滑坡和坍塌，需采取削坡措施，削掉非穩(wěn)定邊坡的部分土體，減緩邊坡坡度。根據(jù)《開發(fā)建設(shè)項目水土保持方案技術(shù)規(guī)范》對棄渣場削坡的有關(guān)規(guī)定，針對堆渣體的內(nèi)摩擦角，將棄渣陡坡削成緩坡，邊坡經(jīng)削坡治理后，可使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)計采用直線方式進(jìn)行削坡，將陡坡削成2.0∶1。

一般棄渣結(jié)構(gòu)不良，肥力也較低，保水保墑能力差，不利于植物成活及生長，需要采取覆土措施。棄渣場棄渣前需先剝離坡體表土，集中堆放在棄土場周圍空地，待排棄結(jié)束后，及時將表土回填至企圖最終平臺上，覆土厚度在30 cm以上，為防止土壤產(chǎn)生風(fēng)力和水力侵蝕，覆土結(jié)束后采用防護(hù)網(wǎng)苫蓋，并撒播草籽防護(hù)。

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