基于原位監(jiān)測的某水電站棄渣場安全穩(wěn)定性評估研究

孫厚才，孫 昆，劉曉路

(長江水利委員會 長江科學(xué)院 水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

棄渣場是建設(shè)項(xiàng)目水土保持設(shè)施專項(xiàng)驗(yàn)收的重要單位工程之一，正確評判棄渣場安全穩(wěn)定性是建設(shè)項(xiàng)目水土保持設(shè)施專項(xiàng)驗(yàn)收的重要技術(shù)保障。自2005年開展水土保持設(shè)施專項(xiàng)驗(yàn)收以來，棄渣場選址、水土保持措施設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行情況被作為開展建設(shè)項(xiàng)目水土保持設(shè)施專項(xiàng)驗(yàn)收的重要內(nèi)容[1-2]。例如深圳市光明新區(qū)紅坳余泥渣土受納場“12·20”特別重大滑坡事故和恩施市龍鳳壩“1·14”堰塞湖潰壩事件，暴露出工程建設(shè)項(xiàng)目棄渣場的安全存在突出問題。為深刻汲取教訓(xùn)，水利部水保司《關(guān)于印發(fā)〈水利部水土保持設(shè)施驗(yàn)收技術(shù)評估工作要點(diǎn)〉的通知》(水保監(jiān)便字〔2016〕20號)明確指出，對堆渣量超過50萬m3或者最大堆渣高度超過20 m的棄渣場，還應(yīng)查閱建設(shè)單位提供的穩(wěn)定性評估報告。正確判斷棄渣場級別、截排洪、攔擋及防護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，正確理解棄渣場安全穩(wěn)定性監(jiān)測和邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果，是水土保持設(shè)施專項(xiàng)驗(yàn)收的重要技術(shù)保障。因此，對棄渣場安全穩(wěn)定性評估開展研究具有重要的社會意義。

以往棄渣場驗(yàn)收工作主要是為了完成法律法規(guī)規(guī)定的相關(guān)程序，驗(yàn)收前補(bǔ)一個棄渣場安全穩(wěn)定性評估報告，地勘、地質(zhì)、棄渣土工參數(shù)、擋墻的基槽條件資料不完備，往往僅應(yīng)用公式或模型加以計(jì)算就可以了。實(shí)際上，棄渣場的地形、地質(zhì)條件，以及渣體的級配、密度、容重等都是評估其安全穩(wěn)定性的重要參數(shù)；此外，要獲得棄渣場穩(wěn)定性情況不只是獲得其某一時刻的參數(shù)值，其參數(shù)值變化有時會從量變慢慢發(fā)生質(zhì)變，所以其內(nèi)部變化監(jiān)測也非常重要。本研究在安全穩(wěn)定性計(jì)算的基礎(chǔ)上，應(yīng)用其內(nèi)部變形監(jiān)測成果對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，使得其方法更可靠，結(jié)果更可信，棄渣場更安全，實(shí)用價值不言而喻。

1 棄渣場及周邊環(huán)境概況

某水電站位于重慶市武隆縣境內(nèi)，地處烏江干流下游河段。工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)功能。工程等別為二等，規(guī)模為大(2)型，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為600 MW，年平均發(fā)電量27.08億kW·h。工程土石方開挖總量1 885.22萬m3，填筑總量711.90萬m3，棄渣量1 173.32萬m3，棄渣運(yùn)至5處棄渣場集中堆放并進(jìn)行防護(hù)，本研究以其中的GANXG棄渣場為例，對水土保持設(shè)施驗(yàn)收中的棄渣場安全穩(wěn)定性評估進(jìn)行研究，以期為類似工程驗(yàn)收棄渣場安全穩(wěn)定性評估提供參考。

棄渣場位于河段右岸壩上游1 km處的沖溝內(nèi)，為相對獨(dú)立的一條河溝，棄渣場一帶原地貌為溝谷，谷底高程260～400 m，平均坡降15%～25%，為跌坎式?jīng)_溝。溝谷兩岸峰頂高程500～600 m，與谷底相對高差一般在200 m左右，兩岸谷坡地形坡角15°～25°，屬溝道型棄渣場。渣場頂面高程370 m，邊坡坡度為1∶2，設(shè)三級平臺，渣場坡腳接江邊公路和混凝土拌和系統(tǒng)。主要堆置導(dǎo)流明渠和前期道路開挖的棄渣，棄渣場原設(shè)計(jì)棄渣量為300.85萬m3，實(shí)際堆渣量568.32萬m3。

根據(jù)當(dāng)?shù)厮臍庀筚Y料[3]，項(xiàng)目區(qū)多年平均降雨量為1 001.9 mm，4—10月份為雨季，降水量占全年的58.1%。棄渣場溝道屬受季節(jié)性山區(qū)洪水峰值影響較大的河溝，溝內(nèi)平時有水，汛期來水較大，但在枯水期間流量較小。棄渣場主要為出露志留系(S)地層，沖溝兩側(cè)大部分基巖裸露。

2 截排洪、攔擋及防護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 棄渣場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

某水電站棄渣場的防洪標(biāo)準(zhǔn)為4%，保證在洪水和暴雨時不被淹沒。棄渣場集水面積為3.1 km2，頻率設(shè)計(jì)洪峰56.2 m3/s[3]。

2.2 截排洪設(shè)計(jì)

根據(jù)地形條件，排水管涵布置在棄渣場沖溝右側(cè)，上游靠山左側(cè)布置截排水明溝，用來疏導(dǎo)后期渣場上游山體及小沖溝地面來水。棄渣場排水建筑物工程特性見表1。

表1 棄渣場排水建筑物特性

2.3 攔擋、防護(hù)設(shè)計(jì)

棄渣場棄渣來源于右岸一期開挖棄料，多為力學(xué)性狀較差的頁巖，為增強(qiáng)棄渣場的安全穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)采用砼護(hù)腳擋土墻與堆石攔渣壩作為永久防護(hù)體進(jìn)行聯(lián)合攔擋與防護(hù)，以確保該渣場的安全穩(wěn)定。棄渣場底部護(hù)腳擋土墻基礎(chǔ)挖至弱風(fēng)化層，塊石填筑基礎(chǔ)挖至全風(fēng)化層下2 m，埋深不小于3 m，并分層碾壓。護(hù)腳擋墻采用C20塊石砼進(jìn)行澆筑，溝底綜合坡度較陡，施工前清除渣場原始坡面上的腐質(zhì)土、雜草及樹根等不利因素。高程280 m平臺范圍內(nèi)采用灰?guī)r(或含砂巖)石渣料作為填料，分層填筑并碾壓形成堆石擋渣壩，分層厚度為80 cm左右。碾壓設(shè)備采用18～25 t級振動碾，每層碾壓不少于4遍。堆石擋渣壩填筑區(qū)外側(cè)按加筋土邊坡施工。高程280 m平臺以下部位采用干砌石作永久護(hù)坡，280 m平臺以上部位采用草皮作護(hù)坡。

3 安全監(jiān)測結(jié)果及分析

2013年初開始在右岸棄渣場布設(shè)安全監(jiān)測儀器，分別在EL335、EL320、EL300、EL280 m高程各布置1套測斜管，鉆孔深度分別為45、40、40、35 m，各孔均已深入基巖面5 m，以便監(jiān)測渣場深層的側(cè)向位移，同年3月，棄渣場測斜孔取得基準(zhǔn)值。重要監(jiān)測孔(孔口高程EL335.0 m)軸深度-累計(jì)位移曲線如圖1所示、測斜管孔口累積位移如圖2所示。

圖1 棄渣場EL335.0 m高程測斜管深度-累積位移曲線

圖2 棄渣場45 m深測斜管孔口累積位移

4 現(xiàn)狀棄渣場穩(wěn)定性評估

根據(jù)建設(shè)單位提供的水電站棄渣場現(xiàn)狀1∶1 000實(shí)測地形圖資料，復(fù)核現(xiàn)狀渣場實(shí)際堆渣量與原設(shè)計(jì)堆渣量的對比，以及現(xiàn)狀渣場的最大堆高，見表2。

表2 棄渣場堆渣量及最大堆高

4.1 評估依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51018—2014)、《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》(SL 575—2012)和《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)等相關(guān)規(guī)范和規(guī)定，棄渣場為2級渣場(表3)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表3 棄渣場級別標(biāo)準(zhǔn)

4.2 棄渣場邊坡穩(wěn)定計(jì)算方法

因棄渣場屬溝道型，其失穩(wěn)模式主要表現(xiàn)在棄渣場順溝向的滑動穩(wěn)定方面，重點(diǎn)是計(jì)算棄渣場邊坡的抗滑穩(wěn)定能力[4]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[3]規(guī)定，棄渣場穩(wěn)定性分析計(jì)算選用理正軟件，并采用瑞典圓弧法對棄渣場的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，其中滲流作用計(jì)算方法為有效應(yīng)力法。其邊坡穩(wěn)定性可按式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：K為整個滑體剩余下滑力計(jì)算的安全系數(shù)；l為單個土條的滑動面長度,m，l=bsecθ；W為條塊重力，kN，浸潤線以上取重度，以下取飽和重度；U為條塊所受到的浮力，kN；D為條塊所受的滲透力，kN，據(jù)孔隙水壓力梯度場積分得出；θ為條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)半徑之間夾角，(°)；α為條塊的滲透力與水平線的夾角,(°)；c、φ為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，采用總應(yīng)力法時，取總應(yīng)力指標(biāo)，采用有效應(yīng)力法時，取有效應(yīng)力指標(biāo);b為土條寬度。

4.3 棄渣場邊坡穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)棄渣場棄渣現(xiàn)狀，對棄渣場取典型斷面1-1′，如圖3所示，將典型斷面處理后，得到棄渣場邊坡穩(wěn)定計(jì)算典型剖面模型。邊坡計(jì)算模型中基礎(chǔ)巖土的上、下游側(cè)和底部作為不透水邊界，水平方向范圍取坡腳線至頂部放坡線，垂直方向范圍取原始地面線以上。棄渣場渣體以頁巖塊石為主，部分為砂巖和灰?guī)r塊石，其主要填料參數(shù)指標(biāo)見表5。

圖3 棄渣場邊坡穩(wěn)定計(jì)算平面

表5 棄渣場主要填料參數(shù)指標(biāo)

根據(jù)上述相同規(guī)范的規(guī)定，棄渣場抗滑穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)分為正常運(yùn)行工況和非正常運(yùn)行工況。正常運(yùn)行工況指棄渣場在正常和持久的條件下運(yùn)行，棄渣場處在最終棄渣狀態(tài)時，渣體無滲流或穩(wěn)定滲流；非正常運(yùn)行工況指棄渣場在正常工況下遭遇Ⅶ級以上(含Ⅶ級)地震。

各種工況下，渣場1-1′斷面穩(wěn)定系數(shù)如表6所示。

表6 棄渣場1-1′斷面邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

棄渣場所處位置為相對獨(dú)立的一條河溝，谷底高程260～400 m，溝谷兩岸峰頂高程500～600 m，與谷底相對高差一般為200 m左右，渣場頂面高程370 m，設(shè)三級平臺，渣場坡腳接江邊公路和混凝土拌和系統(tǒng)，其中“渣場坡腳接江邊公路和混凝土拌和系統(tǒng)”與水電站工程棄渣場選址四點(diǎn)主要原則中的“棄渣不擠占河道，不影響行洪，不留下隱患”相違背，原因是項(xiàng)目區(qū)山高坡陡，棄渣場選址難以滿足選址四項(xiàng)原則。因此，作為水電站建設(shè)的重要棄渣場地，棄渣場防洪標(biāo)準(zhǔn)按照4%～5%的高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，防洪安全有保障。

安全監(jiān)測結(jié)果表明，棄渣場河床方向近期監(jiān)測數(shù)據(jù)最大變形11.12 mm，主要原因是受上方道路施工及下方地基開挖影響，致此孔變形相對較大，孔口累計(jì)位移36.23 mm，其他測斜孔未見異常變化。同時，根據(jù)表6結(jié)果，棄渣場邊坡穩(wěn)定現(xiàn)狀滿足規(guī)范要求，渣場邊坡穩(wěn)定。

綜合以上對棄渣場的全面分析和評估，以及從棄渣場設(shè)計(jì)到實(shí)施運(yùn)行近10年后，原位變形監(jiān)測結(jié)果及復(fù)核計(jì)算等指標(biāo)顯示，棄渣場目前已基本趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

5.2 建 議

現(xiàn)狀棄渣場級別較高，其后期應(yīng)逐步減少其上部生產(chǎn)生活活動對渣場的干擾，每年定期(尤其是汛前)對棄渣場的截排洪(水)設(shè)施進(jìn)行檢查、疏浚和修繕，以防排水滲入棄渣場內(nèi)部；繼續(xù)對棄渣場進(jìn)行變形監(jiān)測，嚴(yán)禁在棄渣場所處溝道下游或溝口處等位置布設(shè)建筑物或施工場地。