石家溝特大型棄渣場選址合理性分析研究

趙明華， 劉培培， 朱信波

(長江三峽勘測研究院有限公司(武漢),湖北 武漢 430074)

1 棄渣場比選

金沙水電站工程棄渣主要來自導流工程、大壩及廠房工程地基的開挖棄渣,預(yù)計總量810萬m3。

電站工程棄渣場選址應(yīng)根據(jù)容量、占地類型與面積、地形地質(zhì)條件、環(huán)境與征地移民、棄渣運距及道路建設(shè)、棄渣組成及堆填方案、防護工程量及棄渣場后期利用等情況[1-2],經(jīng)綜合分析后確定,按此規(guī)定,對金沙水電站棄渣場位置進行了調(diào)查與選擇。

金沙水電站壩址及附近山高坡陡,河谷深切,受地形限制,適宜棄渣的場地較少,且棄渣方量大,主棄渣場選擇困難,壩址上下游各4 km左右各有1處規(guī)模較大的溝谷即石家溝、何家灣(表1),鋼廠溝容量小,可作為棄渣場的補充,因此就石家溝與何家灣進行比選。

表1 各規(guī)劃棄渣場主要環(huán)境特征一覽表Table 1 List of main environmental characteristics of each planned waste disposal site

從棄渣容量上看,兩溝谷基本滿足要求,其中何家灣容量略為偏緊。

兩溝谷地質(zhì)條件均較好,滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育,均為溝道型棄渣場,需進行工程防護。石家溝處于尖山子泥石流溝的一段,此溝地方政府已完成了泥石流治理工程,需復(fù)核。

從運輸距離上看,何家灣少0.5 km,而且運輸過程中造成物料散落和場塵影響較小。兩溝谷均無道路至壩址,均需修建公路。

從征地移民上看,何家灣民房多,粗略估計,補償資金和難度比石家溝大一倍以上,石家溝占優(yōu)。

從環(huán)境保護角度看,何家灣民房較密集,且有蘇鐵東路穿過該區(qū)域,周邊環(huán)境敏感點較多,施工對居民擾動較大,占用耕園地較多,石家溝占優(yōu)。

總體來看,石家溝運距較何家灣遠0.5 km,占用了尖山子泥石流溝一段,已完成治理工程需復(fù)核,相對何家灣,對周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響較小,征地和移民搬遷難度小,容量較大,因此初定石家溝作為主要棄渣場。

2 石家溝棄渣場地質(zhì)條件

規(guī)劃的石家溝棄渣場位于金沙水電站壩址上游約3.8～4.4 km的左岸石家溝溝道內(nèi)(圖1),場區(qū)呈盆狀開闊地形,東西向長350～600 m,南北向?qū)?50～500 m,總占地面積約25 hm2。

棄渣場南、北兩面由山梁所圍,場區(qū)總體地勢由東南向西北傾斜。南側(cè)為尖山山體,山脊為西北—東南走向,山體雄厚,脊頂高程1 350～1 120 m；北側(cè)為東西走向山梁,山脊較單薄,脊頂高程1 140～1 230 m；西側(cè)地勢較低,地面高程1 100～1 125 m。渣場內(nèi)地表以農(nóng)田、林地為主,無重要建筑或構(gòu)筑設(shè)施分布。

圖1 石家溝棄渣場航片圖(引自Google)
Fig.1 Aerial photo of Shijiagou waste disposal area

場區(qū)在大地構(gòu)造分區(qū)上隸屬揚子準地臺之康滇地軸西部,地震基本烈度為7度。場區(qū)內(nèi)無大的斷層通過,地表大多基巖裸露。尖山子泥石流溝從棄渣場穿過,占用泥石流流通區(qū)長630 m的溝段。未發(fā)現(xiàn)其它滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

場區(qū)內(nèi)沖溝沿線溝底主要為漂石或塊石夾土,厚度5～15 m；其余地段有少量的人工堆積物。其余大部分山坡基巖裸露,大致以渣場中心為界,北側(cè)基巖為第三系昔格達組(N2x)疏松粉砂巖夾粘土巖,產(chǎn)狀平緩,走向5°左右、傾向東、傾角2°～7°,巖層走向與沖溝方向近垂直,傾向與沖溝流向相反,沖溝方向未鋪滿整個場區(qū),基本不存在順層滑動的不利組合或穩(wěn)定問題；南側(cè)及前緣巖體為二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖(P3em),地表表部為全強風化巖石。

場區(qū)內(nèi)基巖淺表部裂隙發(fā)育,透水性較強,地下水位埋深大,估計比金沙江水位(1 000 m)略高。

3 泥石流對棄渣場的影響分析

從初步勘察情況看,尖山子泥石流溝從規(guī)劃棄渣場穿過,棄渣場占用了泥石流溝下游流通區(qū)溝段,石家溝棄渣場選址是否成立,關(guān)鍵在于泥石流對其影響的程度,為此對尖山子泥石流進行了專門研究[3]。

尖山子泥石流溝發(fā)源于新莊尖山北坡,彎曲延伸,總體流向由東至西,在清香坪污水處理廠附近流入金沙江,匯水面積約0.92 km2,規(guī)劃棄渣場以上匯水面積約0.35 km2。主溝曲線長度2.282 km,彎曲系數(shù)1.222,最大相對高差750 m,平均比降40.1%；主溝切割深度4～5 m。高程1 300 m即攀鋼三小區(qū)以上溝段為形成區(qū),以下至江邊為流通區(qū)。

泥石流物源主要是形成區(qū)兩岸山坡厚約8 m左右的崩坡積物。崩坡積物形成時間較早,分布面積較廣,大部分較密實,其中穩(wěn)定的崩坡積體體積62萬m3,不穩(wěn)定體和潛在不穩(wěn)定體體積分別為0.6萬m3、10.3萬m3。

在100年一遇的降水頻率下，泥石流一次過程總量為10.85萬m3,規(guī)模上屬大型,位于泥石流活動的易活動區(qū),活動性強,屬于山坡與山谷型泥石流的過渡類型,稀性泥石流。泥石流發(fā)生的可能性為易發(fā),目前正處于青壯年期,在雨季暴發(fā)泥石流的概率較大。

2011年攀枝花市將尖山子泥石流防治工程列為搶險應(yīng)急類地質(zhì)災(zāi)害治理項目,在完成勘察設(shè)計方案審查后,采取“攔擋+排導”相結(jié)合的防治策略,修建了谷坊壩、防護堤、護底等治理工程,于2012年4月竣工。據(jù)跟蹤調(diào)查,經(jīng)歷了多個水文年,泥石流溝修建的谷坊壩等各建筑物未遭受任何損毀,谷坊壩、防護堤內(nèi)偶爾有少量堆積物,地方政府每年都進行了清理,少有物質(zhì)進入到下游棄渣場占用的溝段,說明防治工程是有效的。

尖山子泥石流搶險應(yīng)急防治工程的實施,為石家溝溝道棄渣創(chuàng)造了可能。據(jù)此分析,只要做好泥石流溝水的導排,石家溝具備興建棄渣場的條件。

4 棄渣堆填方案及防護措施

石家溝棄渣場為溝道型棄渣場[4],規(guī)劃堆渣高程1 120～1 250 m,堆渣邊坡設(shè)計坡比1∶2(圖2),每堆高10 m設(shè)置一3 m寬馬道,每堆高40 m布置一10 m寬馬道；其中后部堆渣高度達60～80 m,前部堆渣高度30～40 m,最大堆高130 m(圖3),計劃堆渣810萬m3,屬特大型棄渣場。

圖2 石家溝棄渣場堆填平面圖
Fig.2 Plan of Shijiagou waste disposal site

立足于當?shù)匾褜嵤┑哪嗍鲬?yīng)急防治工程的基本情況,按照“先攔后棄、以排為主,工程、植物、臨時措施相結(jié)合”的原則[5],構(gòu)建以泥石流排導為重點、與現(xiàn)有防治工程相協(xié)調(diào)的防護體系,確保渣場穩(wěn)定和防護工程建筑物安全,并為當?shù)貭I造居民休閑空間創(chuàng)造條件。

圖3 石家溝棄渣體典型剖面圖
Fig.3 Typical section of Shijiagou waste slag body

1.人工堆積碎石夾土;2.洪積塊石夾土;3.昔格達組疏松粉砂巖夾粘土巖;4.峨眉山組玄武巖;5.全、強風化帶及分界線。

石家溝棄渣場為特大型棄渣場,防洪設(shè)計標準為100年一遇設(shè)計洪水,泥石流排導工程安全級別為一級,攔擋工程建筑物級別為3級。

防護體系由工程措施、植物措施和臨時措施組成。工程措施包括表土剝離、泥石流排導、攔擋、截排水、護坡、土地整治等工程,植物措施為渣場頂面及邊坡的植被恢復(fù),臨時措施為施工期間臨時擋護。

5 棄渣體穩(wěn)定性分析

5.1 棄渣體穩(wěn)定性宏觀分析

棄渣主要沿兩條東西向溝谷堆填,堆渣高程1 120～1 250 m,地表總體向西傾斜,傾角15°～20°,而棄渣場地表全強風化巖體厚度較大,強度較低,特別是昔格達組為弱膠結(jié)巖石,巖層近水平,巖質(zhì)疏松,遇水易軟化,抗剪強度低,加上堆渣方量較大、堆填高度大,計劃堆存棄渣810萬m3,其中后部堆渣高度達60～80 m,前部堆渣高度30～40 m,棄渣體存在穩(wěn)定問題。

另外,棄渣基本沿兩條溝谷堆填,原本為一匯水地形,匯水面積較大,加上堆填棄渣多為壩區(qū)開挖的碎塊石,其巖石主要為強、弱風化上帶花崗巖,少量各種風化的砂巖,質(zhì)量較堅硬至較疏松,強度相對較低,形態(tài)多呈碎石狀,少量風化砂,利于地表水下滲,且北半部昔格達組粉砂巖夾粘土巖透水性弱,地下水匯聚后不易迅速排走,對棄渣體穩(wěn)定不利。堆渣占用尖山子泥石流溝中段,截斷了沖溝,泥石流物質(zhì)會沖入棄渣體,不僅對其形成加載,而且沖溝流水進入棄渣體,亦對棄渣體的穩(wěn)定不利。

由此可見,棄渣體存在穩(wěn)定問題,需采取工程措施,以滿足其穩(wěn)定要求。

5.2 棄渣體穩(wěn)定性計算

石家溝棄渣體穩(wěn)定性計算時假定：由于渣料中除含少量的覆蓋層開挖料外,其余絕大部分是石渣料,渣料粘聚力較低,因此穩(wěn)定計算時,可按無粘性料考慮,渣料粘聚力C值取0；堆渣體渣料單一均勻。

棄渣場邊坡按B類Ⅰ級邊坡考慮選取抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)。采用瑞典圓弧法進行計算,計算參數(shù)在地勘報告中選取。實際計算時,渣料粘聚力C值取5 kPa,內(nèi)摩擦角φ取值除了依據(jù)地勘報告建議值,還對比了攀枝花地區(qū)一些相似棄渣場或排土場的經(jīng)驗,水上取38°,水下取35°。

根據(jù)棄渣場渣體物質(zhì)組成、堆渣高度、堆放坡度,同時參考棄渣場地質(zhì)參數(shù),計算出棄渣體相應(yīng)的最小安全系數(shù)(采用GEO-SLOPE公司開發(fā)的GeoStudio軟件中的SLOPE/W模塊計算),計算結(jié)果詳見表2。

表2 棄渣體穩(wěn)定計算結(jié)果一覽表Table 2 List of calculation results of waste slag stability

根據(jù)上表可知,棄渣體穩(wěn)定安全系數(shù)均達到規(guī)范要求,在擬定堆放坡度下能滿足穩(wěn)定要求。

5.3 棄渣場失穩(wěn)致災(zāi)預(yù)測

棄渣場失穩(wěn)致災(zāi)預(yù)測從尖山子泥石流沖擊棄渣場致災(zāi)、棄渣體滑動或暴發(fā)泥石流致災(zāi)兩方面進行預(yù)測分析。

據(jù)調(diào)查,尖山子溝曾經(jīng)暴發(fā)泥石流規(guī)模不大,另經(jīng)計算,尖山子泥石流整體沖擊力44.56 kPa,對于整個棄渣體來說,不會產(chǎn)生太大影響,而且即使有泥石流發(fā)生沖下,由于棄渣場后緣泥石流溝有一個近直角轉(zhuǎn)彎,其不在上游泥石流溝正前方(圖2),也不會產(chǎn)生大的致災(zāi)影響。

棄渣場原始地形是圈椅形、三脊夾兩溝,中后部較寬闊、前緣束窄,加上堆填外形方案設(shè)計為中部凸出、南北稍凹(圖2),北邊匯水面積小,所以即使發(fā)生了失穩(wěn)或泥石流,前方仍為原沖溝,無致災(zāi)危害對象,對環(huán)境基本無影響。

綜上所述,棄渣場失穩(wěn)致災(zāi)的可能性不大,即使有發(fā)生,對環(huán)境也基本無影響。

5.4 棄渣體穩(wěn)定性總體評價

石家溝棄渣場除發(fā)育有尖山子泥石流溝外,未發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。其穩(wěn)定性一方面在于自身穩(wěn)定,另一方面在于泥石流帶來的穩(wěn)定問題?；谏鲜龆烟罘桨?、防護體系基礎(chǔ),棄渣體整體穩(wěn)定,攔渣壩的抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定也能滿足要求。經(jīng)預(yù)測分析,渣場失穩(wěn)致災(zāi)的可能性不大,即使發(fā)生,對環(huán)境基本無影響。只要做好泥石流排導工程、棄渣體的攔擋及截排水工程,石家溝基本適宜作為棄渣場。

6 棄渣場選址合理性分析

石家溝位于金沙水電站壩址上游左岸約3.8～4.4 km,若作為棄渣場,運距小,容量滿足要求；溝道地形,適合棄渣和修建攔擋設(shè)施；土地類型主要為農(nóng)用地,無重要建(構(gòu))筑物設(shè)施分布；除尖山子泥石流溝穿過外,無其他不良地質(zhì)現(xiàn)象,場地整體穩(wěn)定；不占用金沙江河道行洪斷面,不涉及自然保護區(qū)、水源保護區(qū)等現(xiàn)行法律法規(guī)保護的環(huán)境敏感目標,不影響上游泥石流防治工程的功能；水土保持防治的難度小,對環(huán)境影響也在可控范圍內(nèi)。

泥石流是棄渣場成立的唯一限制性因素。在上游泥石流防治工程已經(jīng)實施、流域泥石流規(guī)模不大且地質(zhì)災(zāi)害并不突出的現(xiàn)實情況下,只要采取包括排導槽、攔渣壩、截排水等綜合防治措施,避免泥石流直接沖擊渣體,確保渣場渣體穩(wěn)定和不危及公共安全,基本可以消除泥石流影響。

另外地方政府全程參與了棄渣場選址與設(shè)計工作,認為石家溝作為棄渣場不影響地方規(guī)劃,而且還可利用棄渣場形成平臺建成一供居民休閑娛樂的廣場,社會效益是顯而易見的。

總體來看,規(guī)劃的棄渣場基本符合棄渣場選址原則,在切實做好泥石流排導等綜合防治措施、確保渣體穩(wěn)定和不危及公共安全的前提下,既可較經(jīng)濟地解決工程棄渣問題,還能產(chǎn)生為周邊居民營造休閑娛樂空間的社會效益,體現(xiàn)了城市周邊設(shè)置棄渣場的特點,該渣場選址是合理的。

7 結(jié)語

(1) 金沙水電站規(guī)劃的石家溝棄渣場是合理的,體現(xiàn)了城市及其周邊設(shè)置棄渣場因地制宜的理念,既解決工程棄渣,還計劃打造成一廣場,是電站建設(shè)與地方規(guī)劃結(jié)合的雙贏方案。

(2) 石家溝于2014年開始棄渣,至2018年基本棄渣結(jié)束,未發(fā)生渣場邊坡失穩(wěn)、泥石流等現(xiàn)象,從安全監(jiān)測看,棄渣場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 棄渣場位置的選擇是工程建設(shè)中一項重要的內(nèi)容,更是前期工作的關(guān)鍵。必須慎重選擇棄渣場的位置，并做好堆填防護設(shè)計。