金沙江某水電站100m級高棄渣體穩(wěn)定性研究與評價

季法強+馬福祥+萬克勇

摘 要：國內(nèi)對棄渣體的研究、重視程度相對較晚，特別是對大型水電站高度大于100 m的棄渣體穩(wěn)定性研究更是甚少，基本處于空白。該文以某水電站114 m高的棄渣體作為研究對象，通過搜集資料、野外地質(zhì)調(diào)查、勘探、試驗等手段，從工程區(qū)地質(zhì)環(huán)境、棄渣體基本特征、變形破壞特征、參數(shù)的取值、定性分析和計算復核等方面進行分析和研究，對棄渣體的穩(wěn)定性做出評價。該項研究成果可以直接為工程服務，對保障工程安全運行和水土保持驗收都具有重要的工程意義，其研究內(nèi)容和方法對同類工程項目也具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：100 m級 棄渣體 穩(wěn)定性研究

中圖分類號：TV523 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（a）-0018-02

某水電站位于金沙江中游河段，為一等大（Ⅰ）型工程，為滿足棄渣需要，樞紐區(qū)共布置四個棄渣場。其中，1號棄渣場實際棄渣情況與原批復方案變化較大，棄渣量310萬m3比原方案增加了87萬m3，渣體最大高度114 m比原方案增高了35 m，渣體坡比由原來的1∶1.75調(diào)整為1∶1.4～1∶1.5，成為上百米級的高大棄渣體。不論是從水土保持驗收工作需要，還是考慮到工程安全，都有必要對1號棄渣體進行穩(wěn)定性研究和評價。

1 地質(zhì)環(huán)境

工程區(qū)屬高山峽谷地貌，河面高程1 100 m左右，兩岸山頂2 000～3 000 m左右；地層主要為白堊系紫紅色砂巖和第四系堆積物；主要構(gòu)造線總體呈NNW～NW向及NNE～NE向，為區(qū)內(nèi)基本構(gòu)造格架，程海—賓川活動斷裂帶（F12）距離工程區(qū)20 km。

工程區(qū)冬半年天氣晴朗干燥，降雨少；夏半年西南暖濕氣團加強，沿河谷溯源入侵，汛期雨量多，強度大。多年平均年降水量729.2 mm，最大日降水量120.8 mm，多年平均氣溫為21.9 ℃。

2 棄渣體基本特征

2.1 棄渣體的形態(tài)特征

1號棄渣體位于電站水庫區(qū)右岸（見圖1）。渣場底座原自然坡度為10°～30°，現(xiàn)棄渣體外側(cè)斜坡坡度為32°～36°，頂部為不規(guī)則平臺，棄渣體總高度97～114 m，垂直厚度20～30 m，水平厚度20～50 m，棄渣體總方量約310萬m?。

根據(jù)變形特征，將棄渣體由上游至下游劃分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)。Ⅰ區(qū)控制長度111 m，渣體高度114 m；Ⅱ區(qū)控制長度127 m，渣體高度108 m；Ⅲ區(qū)控制長度338 m，渣體高度97 m。

2.2 棄渣體的結(jié)構(gòu)特征

通過調(diào)查和對棄渣過程的了解，結(jié)合鉆探揭露，對棄渣體物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)的認識：

（1）棄渣體頂部平臺鋪蓋一層厚度10～20 cm的綠化土層。

（2）棄渣體物質(zhì)組成主要為塊碎石，細粒土含量低，孔隙率較大。棄渣體上層的塊碎石含量為75%～80%，粒徑一般5～20 cm，最大為60 cm，角礫含量10%～15%，砂土含量5%～15%；棄渣體下層的塊碎石含量約95%，粒徑一般3～35 cm，最大為80 cm，角礫和砂土含量約5%。

3 棄渣體的變形破壞特征

3.1 棄渣體Ⅰ區(qū)的變形破壞特征

（1）Ⅰ區(qū)在水庫蓄水期的變形破壞特征。

2013年4月～7月庫水位由1 133 m高程抬升至1 210 m，2013年11月庫水位由1 210 m高程驟降至1 145.7 m，在庫水位大幅抬升和驟降過程中，棄渣體Ⅰ區(qū)頂部平臺和迎水面產(chǎn)生明顯破壞：頂部平臺外側(cè)15～20 m范圍產(chǎn)生了開裂、沉降等變形破壞，裂縫長度大于20 m，寬度10～30 cm，沉降量30～50 cm。

（2）棄渣體Ⅰ區(qū)在水庫運行期的變形破壞特征。

水庫已處于正常運行階段，棄渣體Ⅰ區(qū)整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但頂部和迎水面仍有一定變形：頂部平臺外側(cè)10～17 m范圍內(nèi)有輕微沉降變形，目前沉降量10～30 cm；臨水面也仍有渣體垮塌、網(wǎng)格梁彎曲等變形跡象。

3.2 棄渣體Ⅱ區(qū)的變形破壞特征

（1）Ⅱ區(qū)在水庫蓄水期的變形破壞特征。

在庫水位大幅度抬升和驟降過程中，棄渣體Ⅱ區(qū)頂部平臺靠岸里側(cè)產(chǎn)生沉降拉裂變形，裂縫長度大于30 m，寬度5～20 cm。

（2）Ⅱ區(qū)在水庫運行期的變形破壞特征。

水庫運行期階段，頂部平臺及岸外側(cè)無明顯變形跡象，僅坡肩在雨季時有明顯的水土流失現(xiàn)象，導致局部網(wǎng)格梁懸空。

3.3 棄渣體Ⅲ區(qū)的變形破壞特征

在水庫蓄水期和運行期，棄渣體Ⅲ區(qū)總體沉降量不大，頂部平臺和迎水斜坡均未發(fā)現(xiàn)有裂縫、垮塌等明顯的變形破壞特征，整體穩(wěn)定性好。

4 試驗方法及參數(shù)取值原則

4.1 試驗方法簡述

渣體自身特點不宜進行大剪試驗，除對渣體進行了常規(guī)的物理力學性質(zhì)試驗外，為糾偏和校正室內(nèi)試驗成果，本次研究在棄渣體Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)有代表性部位進行了動力觸探試驗，根據(jù)動探成果，通過經(jīng)驗公式換算渣體的承載力和變形模量，并作為棄渣體參數(shù)選取的重要參考依據(jù)。

4.2 參數(shù)取值原則

根據(jù)動探成果換算，Ⅰ區(qū)淺表和Ⅱ區(qū)淺表層變形模量平均值33～38 MPa，Ⅲ區(qū)上層和Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的中深部變形模量平均值43～49 MPa，均遠高于室內(nèi)試驗的壓縮模量16～20 MPa，說明棄渣體除棄渣過程的機械壓密外，堆后的自重作用、庫水下的自密實效應也起了一定的作用，使渣體具有較高的密實性和力學特性。

最終通過整理室內(nèi)、外物理力學指標試驗值，考慮試驗邊界條件、物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、變形破壞特征等，考慮上述認識，重點以原位試驗成果為依據(jù)，適當調(diào)整后提出棄渣體各層物理力學參數(shù)建議值。

5 棄渣體穩(wěn)定性評價

5.1 宏觀定性分析endprint

根據(jù)對棄渣過程的了解，結(jié)合棄渣體不同部位在不同時期的變形破壞特征和現(xiàn)場調(diào)查情況，宏觀定性分析認為有以下幾方面。

（1）棄渣體Ⅰ區(qū)淺表部穩(wěn)定性較差，天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，預測在庫水位消落時有產(chǎn)生進一步變形破壞的可能性，以頂部平臺岸外側(cè)產(chǎn)生沉降、迎水斜坡局部垮塌等變形破壞形式為主，但對大壩樞紐及水庫運行無影響。

（2）棄渣體Ⅱ區(qū)目前無明顯變形跡象，在天然工況下整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，正常的水位抬升和消落對其穩(wěn)定性影響較小，預測非常工況下可能會有一定影響，但不會造成整體失穩(wěn)破壞，對大壩樞紐工程及水庫運行無影響。

（3）棄渣體Ⅲ區(qū)目前無明顯變形跡象，在天然工況下整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，正常的水位抬升和消落對其穩(wěn)定性影響較小，預測非常工況下也不會產(chǎn)生明顯影響。

（4）棄渣體在蓄水后的幾年中已經(jīng)歷了當?shù)亟涤?、庫水浸泡、水位驟降等一系列對穩(wěn)定有影響的作用，表現(xiàn)出的變形仍只是淺表層局部垮塌、沉降、開裂等現(xiàn)象，未對水庫造成明顯影響，說明渣體整體穩(wěn)定，未來可能經(jīng)受的最大影響是地震作用。分析認為，渣體在水浸作用下持續(xù)沉降的同時，密實度也持續(xù)增加，水下相應的力學指標也會略有提高。加之除Ⅰ區(qū)外，其他各區(qū)水下棄渣體均有網(wǎng)格梁防護，即使未來發(fā)生50年超越概率10%水平峰值加速度0.163 g的地震，渣體仍不會整體失穩(wěn)，局部的垮塌等變形不影響水庫正常運行。

5.2 復核計算結(jié)果

基于“極限平衡法”和“有限元”兩種方法，對棄渣體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各區(qū)的整體穩(wěn)定性和局部塊體穩(wěn)定性（自動搜索）分別進行了計算，計算結(jié)果表明：

Ⅰ區(qū)在天然、地震、降雨、水位消落等四種工況下的整體穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.31、1.16～1.26、1.27～1.30、1.29～1.30，均為穩(wěn)定狀態(tài)；在四種工況下的局部塊體（自動搜素最危險滑面）穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.04～1.12、0.93～1.12、1.01～1.10、1.03～1.12，天然、降雨、水位消落三種工況下為欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，地震工況下為不穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)。

Ⅱ區(qū)在上述四種工況下的整體穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.45～1.48、1.28～1.42、1.42～1.43、1.43～1.46，均為穩(wěn)定狀態(tài)；在四種工況下的局部塊體（自動搜素最危險滑面）穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.20～1.34、1.07～1.21、1.17～1.27、1.17～1.30，天然、地震工況下為基本穩(wěn)定～穩(wěn)定狀態(tài)，降雨、水位消落工況下為穩(wěn)定狀態(tài)。

Ⅲ區(qū)在上述四種工況下的整體穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.35～1.40、1.16～1.20、1.16～1.18、1.16～1.18，均為穩(wěn)定狀態(tài)；四種工況下的局部塊體（自動搜素最危險滑面）穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.17～1.35、1.16～1.20、1.16～1.18、1.16～1.18，均為基本穩(wěn)定～穩(wěn)定狀態(tài)。

計算結(jié)果與宏觀定性分析基本吻合。

6 結(jié)語

該項目所運用的地質(zhì)調(diào)查、勘探、試驗、定性分析及計算等研究手段和評價方法合理、準確，可靠性高，能充分反映出渣體的客觀實際，分析預測出了渣體各區(qū)在不同工況下的整體與局部塊體（自動搜素最危險滑面）的穩(wěn)定性，研究成果可以作為渣體處理和水土保持驗收的技術(shù)依據(jù)，研究內(nèi)容和評價方法對類似工程有一定的參考價值和借鑒意義。

參考文獻

[1] 許虎，顧平，羅飛，等.金沙江某水電站棄渣場穩(wěn)定性評價[J].水電與新能源，2012（3）：51-53.

[2] 劉建偉，史東梅，馬曉剛，等.棄渣場邊坡穩(wěn)定性特征分析[J].水土保持學報，2007，21（5）：192-195.

[3] 鄒維.新疆波波娜電站棄渣體滑動穩(wěn)定性分析與防治措施[J].水利水電快報，2011，32（5）：39-41.endprint