泥石流溝道渣場穩(wěn)定性分析及其水土保持措施研究

劉 暉，杜 堯，薛 鵬，黃 斌

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.河海大學(xué) 大禹學(xué)院，江蘇 南京 210098)

泥石流溝道渣場穩(wěn)定性分析及其水土保持措施研究

劉 暉1，杜 堯2，薛 鵬1，黃 斌1

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.河海大學(xué) 大禹學(xué)院，江蘇 南京 210098)

石家溝；泥石流；棄渣場；水土保持措施

我國西部地區(qū)水利水電工程多位于高山峽谷地帶，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，工程棄渣量巨大。受地形條件、施工運距、經(jīng)濟性等因素的限制，工程棄渣場多布置在工程區(qū)附近溝道內(nèi)，因此常受到泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的威脅。以金沙水電站石家溝棄渣場為研究對象，在分析泥石流溝道特征及其影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合項目區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理需要制定了“先擋后棄，以排為主，上排下導(dǎo)，排、攔、截、護(hù)、墾相結(jié)合”的棄渣場水土保持綜合防治體系。

水利水電工程施工過程中的棄土、棄渣是工程建設(shè)造成水土流失的主要來源，因此棄渣場是水土流失防治的重點區(qū)域[1]。受地形和施工條件限制，我國西部地區(qū)水電工程棄渣場多布置在工程區(qū)附近的溝道內(nèi)，棄渣場渣體既可受泥石流影響致穩(wěn)定性變差，又可對泥石流的發(fā)育活動產(chǎn)生一定的影響，渣場一旦失事，危害巨大[2-3]。因此，在進(jìn)行泥石流溝道型棄渣場水土保持措施設(shè)計時須充分考慮泥石流因素的影響，制定科學(xué)合理的防護(hù)措施，以確保棄渣場的安全、穩(wěn)定，降低災(zāi)害性水土流失事件發(fā)生的風(fēng)險，保護(hù)下游敏感目標(biāo)的安全[4-5]。石家溝棄渣場是金沙水電站的主棄渣場，棄渣總量810萬m3，占地面積約25 hm2，是典型的泥石流溝道棄渣場，本文以其為例，對泥石流溝道棄渣場的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并提出泥石流溝道棄渣場水土保持措施設(shè)計的原則和具體防治措施。

1 石家溝基本情況

石家溝流域地處云貴高原北部橫斷山區(qū)川滇山地的西北部，地勢西北高、東南低，山高谷深，地形陡峻，峽谷段階地零星分布，耕地緊缺。主溝縱長，總體縱坡坡降為40.1%，平均切割深度4～8 m。泥石流形成區(qū)段縱坡坡降為69.6%，溝床坡度達(dá)35°，溝床寬5～10 m；流通區(qū)段縱坡坡降為25.9%，溝床坡度12°～15°、寬度1～8 m，切割較深，總體呈V形。泥石流溝道所在區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，干濕季分明，多年平均降水量836 mm，降水集中在每年的6—9月份，期間降水量占全年的65%以上，且大雨、暴雨等強降雨發(fā)生的幾率大。降水量分布不均，隨海拔的增高而增大。石家溝泥石流溝處于青壯年期，泥石流暴發(fā)頻率至少為2%(50年一遇)，總體上是以碎石為主、分選很差、搬運能力極強，以滾動、推移搬運為主。

2 泥石流溝道渣場影響分析

石家溝棄渣場位于泥石流溝道流通區(qū)內(nèi)，泥石流活動與溝道內(nèi)渣場之間存在著交互影響。一方面，泥石流活動直接影響棄渣場的安全穩(wěn)定。泥石流有別于一般的清水流和挾沙水流，泥流中攜帶了大量的石塊、泥沙等固體物質(zhì)，流體黏稠、慣性大、搬運能力強、沖擊力大，泥石流暴發(fā)將直接沖擊渣體，對棄渣場的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。泥石流物質(zhì)受棄渣阻擋，在棄渣體后堆積，將對棄渣體產(chǎn)生重力加載，抬升渣體水位，對渣體的強度、靜水壓力和動水壓力產(chǎn)生影響，使渣體物理力學(xué)強度降低。另一方面，棄渣場堆渣影響了泥石流通行，渣場失事后泥石流破壞力將成倍增加。棄渣場堆渣后將使干河溝物源總量和不穩(wěn)定物質(zhì)顯著增多，這會極大地增加暴發(fā)泥石流的可能性；堆渣體占據(jù)泥石流溝部分流通區(qū)，將對泥石流產(chǎn)生明顯的束流作用，不利于泥石流順暢排泄；在泥石流作用下，一旦渣場失穩(wěn)，大量渣土參與到泥石流活動中，會進(jìn)一步提升泥石流的破壞力，對下游安全構(gòu)成極大威脅。

3 棄渣穩(wěn)定性分析

本工程棄渣料除含少量的覆蓋層開挖料外，其余絕大部分是石渣料，因此渣料黏聚力較小。為確保施工期堆渣安全，進(jìn)行棄渣場整體穩(wěn)定性分析和堆渣邊坡穩(wěn)定性分析尤為重要。

3.1 棄渣場整體穩(wěn)定性分析

以沿渣底沖溝斷面為計算斷面，渣體按無黏性料考慮，渣體容重取19.8 kN/m3。計算工況分為正常工況、短暫工況(持續(xù)降雨)和偶然工況(地震)三種。在穩(wěn)定性計算時，參照《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》(SL 575—2012)，采用摩根斯頓—普賴斯法(滑動面呈非圓弧形)。參考《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5353—2006)，按B類Ⅰ級邊坡考慮選取抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)。

GeoStudio公司開發(fā)的GEO-SLOPE軟件在渣場穩(wěn)定性分析中實用性較好，滿足設(shè)計要求[6]。本文采用GEO-SLOPE軟件對渣場穩(wěn)定性進(jìn)行計算。計算堆渣體在正常工況、短暫工況和偶然工況下的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)。根據(jù)計算結(jié)果，棄渣場在設(shè)計堆存狀態(tài)下整體穩(wěn)定。計算結(jié)果見表1。

表1 石家溝棄渣場整體穩(wěn)定性計算結(jié)果

3.2 堆渣邊坡穩(wěn)定性分析

計算工況也分為正常工況、短暫工況和偶然工況三種。在穩(wěn)定性計算時，采用瑞典圓弧法。參考《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5353—2006)，按B類Ⅰ級邊坡考慮選取抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)。根據(jù)棄渣場渣體物質(zhì)組成、堆渣高度、堆放坡度、渣場地質(zhì)參數(shù)，計算堆渣體在正常工況、短暫工況和偶然工況下的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)，其計算結(jié)果滿足正常工況下大于允許值1.25、短暫工況下大于允許值1.15、偶然工況下大于允許值1.05的渣體邊坡即為堆渣穩(wěn)定邊坡。

采用GEO-SLOPE軟件中的SLOPE/W模塊計算，計算結(jié)果見表2。據(jù)表2可知，堆渣邊坡在三種工況下均穩(wěn)定。

4 防治措施設(shè)計

4.1 措施設(shè)計原則

防治措施設(shè)計的基本原則：①重點突出。渣場總體穩(wěn)定，但由于地處泥石流溝道，泥石流是影響渣場穩(wěn)定性的主要不良地質(zhì)現(xiàn)象，因此防護(hù)時要以泥石流防治為重點，切實搞好泥石流排導(dǎo)工程，確保渣場穩(wěn)定。②偏安全。針對渣場地處泥石流流通區(qū)的特點，防護(hù)工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用現(xiàn)行國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的上限。③技術(shù)可靠和經(jīng)濟合理。在設(shè)計泥石流排導(dǎo)等防護(hù)工程時，既要做到技術(shù)上可靠，確保建筑物和渣體安全，又要經(jīng)濟節(jié)省，減少工程投資。④兼顧地方發(fā)展。針對渣場靠近城市居民區(qū)的特點，對可視范圍內(nèi)的坡面，采用工程與植物相結(jié)合的防護(hù)措施，既可保證建筑物和渣場的安全，又可實現(xiàn)生態(tài)效益，還可提升渣場區(qū)景觀品質(zhì)；在渣場堆置方式和頂面高程的選擇上，既滿足棄渣堆存容量需求，又給后期生產(chǎn)安置和復(fù)墾創(chuàng)造條件。

表2 石家溝棄渣場堆渣邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

4.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的確定

參照相關(guān)規(guī)范，同時考慮棄渣場失事后的直接危害，按照“就高不就低”的原則，確定渣場各項防護(hù)措施的級別，以確保渣場的穩(wěn)定和下游防護(hù)目標(biāo)的安全。渣場等級及各項措施設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 石家溝棄渣場防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

4.3 水土保持措施設(shè)計

針對石家溝棄渣場的特點，制定“先擋后棄，以排為主，上排下導(dǎo)，排、攔、截、護(hù)、墾相結(jié)合”的綜合防治措施體系。棄渣前先修筑攔渣壩，避免堆渣過程中渣體滑落危害溝道下游居民點和基礎(chǔ)設(shè)施，修筑泥石流排導(dǎo)槽對上游泥石流進(jìn)行排導(dǎo)，避免泥石流對渣體的直接沖擊，減小渣體后方壅高對棄渣場穩(wěn)定性的不利影響。布置棄渣場截排水系統(tǒng)、渣面防護(hù)和渣腳攔擋措施，減少不穩(wěn)定物源，降低泥石流發(fā)生時的危害。此外，布設(shè)的防護(hù)措施要在保證建筑物和渣場安全的同時，盡可能兼顧周邊景觀協(xié)調(diào)及地方經(jīng)濟發(fā)展。

4.3.1 攔擋工程

為避免堆渣過程中渣體滑落危害溝道下游居民點和諸多重要基礎(chǔ)設(shè)施，需要在堆渣體坡腳采取攔擋措施。擬在石家溝棄渣場臨金沙江的西側(cè)棄渣坡腳處布置攔渣壩，包括埋石混凝土壩和碾壓堆石壩。埋石混凝土壩壩軸線長約336 m，壩頂高程1 126.0～1 130.0 m，頂寬2 m，垂直于壩軸線方向壩寬6～9 m，最大壩高約8 m，臨渣側(cè)坡比1 ∶0.5，臨空側(cè)坡比1 ∶0.2，主要由埋石混凝土澆筑而成；碾壓堆石壩壩軸線長約345 m，壩頂高程1 140.0 m，頂寬5 m，垂直于壩軸線方向壩寬5～40 m，最大壩高約14 m，臨渣側(cè)坡比1 ∶1，臨空側(cè)坡比1 ∶1.5，主要由棄石碾壓填筑形成。在壩腳布置漿砌石截水溝，全長約220 m。

4.3.2 泥石流排導(dǎo)工程

由于施工棄渣堆填占壓了原有泥石流通道，為防止泥石流危害攀鋼社區(qū)、下游居民點和諸多重要基礎(chǔ)設(shè)施，保障石家溝棄渣場的長期穩(wěn)定，需要對被占壓的泥石流溝道進(jìn)行改道，重點對下游泥石流流通區(qū)采取以疏導(dǎo)為主的防治措施。泥石流排導(dǎo)工程選用排導(dǎo)槽，排導(dǎo)槽基本沿坡面布置，設(shè)計溝底縱坡7%～43.96%。排導(dǎo)槽采用梯形斷面，最小底寬4.0 m，邊坡1 ∶0.5，采用C25混凝土澆筑。排導(dǎo)槽分為進(jìn)口段、槽身段和出口段三段。進(jìn)口處采取63.4 m的喇叭口漸變段與已建泥石流應(yīng)急防治工程出口相銜接，梯形斷面尺寸由16.1 m×6.18 m(底寬×槽深)漸變?yōu)?.0 m×3.1 m(底寬×槽深)。排導(dǎo)槽進(jìn)口兩側(cè)為重力式擋墻，頂寬1.2 m，墻高4.1 ～8.0 m(基礎(chǔ)埋深1.0 m)，臨水側(cè)邊坡1 ∶0.5，臨土側(cè)邊坡1 ∶0.2，采用C25混凝土現(xiàn)澆，下鋪15 cm厚碎石墊層。槽身共分為四段：第一段長333.6 m，設(shè)計縱坡7%；第二段長129.71 m，為縱坡過渡段，縱坡由7%過渡至43.96%，槽底轉(zhuǎn)彎半徑390 m，轉(zhuǎn)角20°；第三段長128.81 m，設(shè)計縱坡43.96%；第四段長200.08 m，設(shè)計縱坡23%。在排導(dǎo)槽第二、第三、第四段布設(shè)防沖肋板，肋板采用C25鋼筋砼澆筑，斷面尺寸為3 m×2 m(深×寬)。其中，第二段和第三段每隔10 m布設(shè)一處防沖肋板，第四段每隔16 m布設(shè)一處防沖肋板。排導(dǎo)槽出口下游的石家溝沖溝及兩側(cè)坡面基巖裸露，最小溝底寬約4 m，最小溝深約10 m，最小邊坡約1 ∶2.5，溝底縱坡約10%。按照明渠均勻流公式計算，排導(dǎo)槽以下原泥石流平均流速約4.2 m/s，排導(dǎo)槽下泄泥石流可通過溝道自然消能，不會對下游溝道造成較大沖刷。

4.3.3 截排水工程

工程棄渣占壓了攀鋼社區(qū)的雨水引排通道，為避免棄渣封堵排水口導(dǎo)致社區(qū)內(nèi)澇，以及排水口出水對渣場穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，需要采取引排措施；同時為防止渣場周邊及坡面水流沖刷渣體和堆渣邊坡，需要對渣體和堆渣邊坡采取截排水及防護(hù)措施。

(1)雨水引排工程。攀鋼社區(qū)雨水引排工程主要由排水箱涵、排水明渠組成，共分四段，總長約1 013 m。第一段主要排除攀鋼社區(qū)G3出水口的雨水(流量2.73 m3/s)，為排水箱涵，全長約100 m，進(jìn)口接G3出水口，采用C20鋼筋砼澆筑，斷面尺寸為1.0 m×1.5 m(寬×深)，涵底縱坡8%，頂板、側(cè)墻和底板厚度均為30 cm，下鋪10 cm厚C15素砼和10 cm厚碎石墊層。第二段主要排除第一段排水箱涵排出的雨水和周邊截水溝排出的堆渣坡面匯水(排水流量3.23 m3/s，其中周邊截水溝第二段流量0.5 m3/s)，為排水明渠，全長約311 m，采用M7.5漿砌石砌筑，斷面尺寸為0.8 m×1.0 m(底寬×深)，邊坡1 ∶0.5，渠底平均縱坡約5.47%(明渠依山布置，陡坡段布置跌坎，坎高40 cm)，下鋪10 cm厚碎石墊層。第三段主要排除攀鋼社區(qū)G4出水口的雨水(流量8.91 m3/s)，為排水明渠，全長約28 m，起點接G4出水口，終點接第二段排水明渠出口，采用M7.5漿砌石砌筑，斷面尺寸為1.2 m×1.5 m(底寬×深)，邊坡1 ∶0.5，渠底縱坡44%，下鋪10 cm厚碎石墊層。第四段主要排除第二段和第三段匯合后的雨水(流量約12.14 m3/s)，為排水明渠，全長約574 m，起點接第二段、第三段匯合點，終點接天然溝道，采用M7.5漿砌石砌筑，斷面尺寸為1.5 m×1.8 m(底寬×深)，邊坡1 ∶0.5，渠底平均縱坡15.44%(明渠依山布置，陡坡段布置跌坎，坎高40 cm)，下鋪10 cm厚碎石墊層。

(2)周邊截水溝。截排渣場外水的周邊截水溝總長約850 m，為矩形斷面，采用M7.5漿砌石砌筑，分兩段布置：第一段長約420 m，斷面尺寸0.5 m×0.8 m(寬×深)，起點為攀鋼社區(qū)附近渣頂排水溝與周邊截水溝相交處，終點為排導(dǎo)槽；第二段長約430 m，斷面尺寸0.8 m×1.0 m(寬×深)，起點為周邊截水溝第一段起點，終點為攀鋼社區(qū)雨水引排工程第二段中點附近。

(3)渣場表面排水工程。渣場表面截排水工程包括渣頂排水溝、坡面排水溝和馬道排水溝，總長7 338 m。渣頂排水溝全長1 208 m，為梯形斷面，斷面尺寸0.5 m×0.6 m(底寬×深)，坡比1 ∶0.5，采用30 cm厚M7.5漿砌石砌筑。每一級馬道內(nèi)側(cè)結(jié)合護(hù)坡布置一條馬道排水溝，全長5 870 m，為矩形斷面，斷面尺寸0.3 m×0.4 m(寬×深)，采用30 cm厚M7.5漿砌石砌筑。坡面排水溝全長約260 m，為矩形斷面，斷面尺寸0.5 m×0.8 m(寬×深)，采用M7.5漿砌石砌筑。起點為渣場高程1 220 m馬道與南面山體交接處，終點為與3#公路相交處上游的排導(dǎo)槽。

4.3.4 植被恢復(fù)及土地復(fù)墾

采用工程措施與植物措施相結(jié)合的防護(hù)方式，在保證建筑物和渣場安全的同時，實現(xiàn)生態(tài)效益和經(jīng)濟效益雙贏。對排導(dǎo)槽和渣體等可視范圍內(nèi)的坡面采用拱形網(wǎng)格綠化和菱形網(wǎng)格綠化，在網(wǎng)格內(nèi)栽植灌木并撒播草籽，灌木樹種選擇車桑子、余甘子。對渣頂平面通過復(fù)墾措施形成耕地，服務(wù)本工程移民的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，造福地方百姓。

5 結(jié) 語

(1)棄渣場與泥石流活動之間存在著交互影響。一方面，棄渣場堆置的棄渣為泥石流的形成提供了物源，改變了溝道的沖淤特征，渣場一旦失穩(wěn)將進(jìn)一步提升泥石流的破壞力，威脅下游防護(hù)目標(biāo)的安全。另一方面，泥石流對棄渣直接造成沖擊，降低了渣體的力學(xué)強度，使得渣體內(nèi)發(fā)生非穩(wěn)定滲流，進(jìn)而對渣場穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

(2)石家溝渣場水土保持措施設(shè)計應(yīng)以泥石流防治為重點，確保渣場穩(wěn)定，采取“先擋后棄，以排為主，上排下導(dǎo)，排、攔、截、護(hù)、墾相結(jié)合”的綜合防治措施體系。設(shè)置排導(dǎo)槽對渣場上游泥石流進(jìn)行排導(dǎo)，布設(shè)攔渣壩對渣場堆渣進(jìn)行擋護(hù)，修建箱涵和截排水溝對渣場周邊來水和渣面匯水進(jìn)行引排，用網(wǎng)格綜合護(hù)坡防護(hù)渣面并進(jìn)行整治復(fù)墾，最終實現(xiàn)工程安全和生態(tài)、經(jīng)濟效益雙贏的目標(biāo)。

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[3] 趙軍，袁國慶，唐世明，等.綽斯甲水電站野人谷泥石流發(fā)育特征分析與防治建議[J].四川地質(zhì)學(xué)報，2011(4)：446-449.

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(責(zé)任編輯 孫占鋒)

S157.2

C

1000-0941(2015)12-0054-04

劉暉(1968—)，女，湖北武漢市人，高級工程師，學(xué)士，主要從事流域規(guī)劃與水土保持勘測設(shè)計工作。

2015-04-26