抽水蓄能電站棄渣場全過程管控研究

閆 賓，江獻玉，柴建峰，王 昱，馬保東，李明陽

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術經(jīng)濟研究院，北京市 100761；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100052）

0 引言

目前，新源公司管轄范圍內(nèi)的抽水蓄能電站，在建電站約有54個棄渣場，已投運電站約有46個棄渣場。棄渣場具有非生產(chǎn)性和臨時性等特點，作為抽水蓄能電站建設過程中形成的附屬構筑物，在電站的整個勘察設計及建設管理的過程中往往無法受到足夠重視。

在上述背景下，通過對新源公司系統(tǒng)內(nèi)在建和已投運電站棄渣場的情況進行有針對性的普查，梳理不同階段棄渣場可能存在的問題，分析產(chǎn)生這些問題的原因，不僅有利于摸清現(xiàn)有棄渣場的現(xiàn)狀及存在問題，還可為后續(xù)類似工程棄渣場的選點、勘測設計、施工、運維提供經(jīng)驗和教訓，有效提高棄渣場的全過程管控能力。

1 主要普查成果概述

1.1 在建電站棄渣場

普查工作主要從30余個角度出發(fā)，主要涵蓋：渣場設計變更情況、年降雨量、集雨面積、渣場設計參數(shù)、擋排設計、堆渣設計要求等內(nèi)容。主要普查成果如下：

（1）54個渣場中，22個與水土保持報告中渣場設計容量變化幅度小于20%，約占總量的41%；6個與水土保持報告中渣場設計容量變化幅度在20%～30%之間，約占總量的11%；18個與水土保持報告中渣場設計容量變化幅度超過30%，約占總量的33%；8個還未開工，約占總量的15%。統(tǒng)計結果見圖1。

圖1 與水土保持報告中渣場設計容量的變化統(tǒng)計餅圖Figure 1 Statistical diagram of the change of design capacity of slag yard in the report of soil and water conservation

（2）54個棄渣場中，有9個棄渣場高度大于等于100m，棄渣場高度多在20～80m之間；18個棄渣場的設計堆渣量大于100萬m3，10個棄渣場的設計堆渣量位于50萬～100萬m3之間，26個棄渣場的堆渣量小于50萬m3。堆渣量—高度統(tǒng)計結果見圖2。

圖2 棄渣場高度—堆渣量散點圖Figure 2 Scatter diagram of height-slag amount of spoil areas

（3）54個棄渣場中，有33個棄渣場采用的混凝土擋渣墻，有13個棄渣場采用的漿砌石擋渣墻；有35個棄渣場采用了盲溝，8個棄渣場采用了涵洞，29個棄渣場采用了明渠，7個棄渣場采用了排水洞，17個棄渣場采用了截排水溝。

（4）54個棄渣場中，有34個渣場有壓實度要求，約占總量的63%，有20個渣場無壓實度要求，約占總量的37%；12個渣場堆渣順序是至上而下，24個渣場堆渣順序是至下而上。

從以上普查結果不難看出：①渣場規(guī)劃時往往優(yōu)選溝谷型棄渣場，溝谷型棄渣場擋排設施工程量相對較?。虎跅壴鼒龈叨群驮鼒鋈萘恐g存在近似線性關系，棄渣場規(guī)劃容量較大時，棄渣場高度一般較高，后期需要重點其穩(wěn)定性；③棄渣場設計容量發(fā)生變化的原因往往是前期理論計算的土石方平衡結果與實際施工存在差別，棄渣場本身選址的問題[1]；④棄渣場穩(wěn)定性計算時用到的棄渣場地基物理力學參數(shù)、棄渣體物理力學參數(shù)往往通過工程類比得出，不是通過現(xiàn)場試驗得出的；⑤棄渣場設計往往重視的是渣體外截排水設施，較少關注渣體本身排水，較少結合穩(wěn)定性分析的成果[2]。

1.2 已投運電站棄渣場

普查工作從8個角度出發(fā)，涉及約40個問題，涵括了棄渣場規(guī)模、日常管理機構、截排水等設施現(xiàn)狀及穩(wěn)定性、運維等多方面信息量。主要普查成果如下：

（1）有統(tǒng)計數(shù)據(jù)的46個棄渣場中，有16個已移交當?shù)卣?，約占總量的35%；其余30個棄渣場由電站自行管理，約占總量的65%；部分渣場已移交當?shù)卣脑鼒鋈杂呻娬具M行日常維護。移交情況統(tǒng)計示意圖見圖3。

圖3 棄渣場移交情況統(tǒng)計餅圖Figure 3 Statistical diagram of the handover of the spoil areas

（2）有統(tǒng)計數(shù)據(jù)的41個棄渣場中，約70%棄渣場的護坡、截排水及攔擋等設施均處于正常狀態(tài)；其余30%的棄渣場局部有變形或者損壞或嚴重損害，或擬申請經(jīng)費進行相應的工程治理。護坡、截排水及攔擋等設施出現(xiàn)損害的渣場中約60%位于浙江、江西等亞熱帶季風濕潤氣候地區(qū)。

（3）有統(tǒng)計數(shù)據(jù)的42個棄渣場中，有29個棄渣場狀態(tài)良好，一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，約占統(tǒng)計渣場總數(shù)量的69%；有13個棄渣場曾經(jīng)投入資金維護，約占總量的28%，其中6個電站是移交當?shù)卣巴度胭Y金進行的治理[3]。

（4）在有統(tǒng)計數(shù)據(jù)的40個棄渣場中，20個棄渣場屬于永久征地，20個棄渣場屬于臨時征地；10個棄渣場已經(jīng)移交給地方政府管理，其中2個是永久征地，8個是臨時征地；30個棄渣場尚未移交地方政府，依舊由電站自身管理，其中有18個是永久征地，12個是臨時征地。

（5）有統(tǒng)計數(shù)據(jù)的42個棄渣場中，約90%以上的棄渣場目前沒有安裝監(jiān)測設施，從各電站反饋的運維經(jīng)驗來看，棄渣場也需要智能化監(jiān)測系統(tǒng)。

綜合分析以上普查結果不難看出：①部分渣場已移交當?shù)卣脑鼒鋈杂呻娬具M行日常維護的原因往往是渣場靠近電站工程區(qū)域，地方政府并不能對渣場進行全面、實際、有效的管控，地方政府未履行維護職責；②護坡、截排水及攔擋等設施出現(xiàn)損害的渣場中約60%位于浙江、江西等亞熱帶季風濕潤氣候地區(qū)，原因主要有選址、基礎處理、施工質(zhì)量、日常維護等；③棄渣場臨時征地未能移交的原因往往是與地方政府簽訂協(xié)議，達成不移交共識，地方政府不予接收，電站仍在使用，征地協(xié)議未到期；④通過物聯(lián)網(wǎng)技術，建立棄渣場安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對渣場實時監(jiān)測，掌握渣場的運行狀態(tài)。

2 渣場規(guī)劃

截至2020年底，新源公司在建抽水蓄能電站為27個，通過統(tǒng)計近幾年開工的電站土石方平衡相關數(shù)據(jù)，南方地區(qū)電站土石方總利用率為47%～67%，北方地區(qū)電站土石方總利用率為18%～49%，綜合每個抽蓄電站開挖量的50%為棄渣，如何處理好工程開挖量的一半，已成為工程建設的關鍵之一。

渣場規(guī)劃廣義來說主要包括渣場選址、渣場布置。做好渣場規(guī)劃，通過收集地形、地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、周邊敏感性因素、占地面積、棄渣場容量和運距等參數(shù)，進行技術經(jīng)濟比選，選擇合適的位置，有利于節(jié)約工程造價，促進社會穩(wěn)定和諧和可持續(xù)發(fā)展[4]。進行渣場規(guī)劃時應著重關注以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）渣場選址應充分考慮土石方平衡計算得出的棄渣數(shù)量，渣場占地情況，場內(nèi)運輸條件，渣場的擋排、截排水設施工程量等因素確定，渣場選址直接影響了工程造價和經(jīng)濟效益[5]。

（2）渣場選址要充分論證渣場設置位置對下游居民生活的影響程度，包括暴雨山洪等特殊情況下的影響。

（3）渣場選址前應充分勘察地基的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，確實需要在泥石流溝和軟弱結構面上布置渣場的，應進行充分論證并采取必要的工程措施[6]。

（4）渣場布置應盡量實現(xiàn)高料高棄，低料低棄。

（5）渣場選址是水土保持設計的重要內(nèi)容。渣場選址涉及建設征地移民、施工、水土保持等專業(yè)內(nèi)容，應由各專業(yè)人員共同參與渣場選址。

（6）渣場的征地范圍和征地性質(zhì)應綜合考慮后期移交的難易程度、永臨結合的可行性、對電站安全運行影響等。

（7）渣場選址應盡量避免選在湖泊、河道管理區(qū)，基本農(nóng)田保護區(qū)、集中居民點及廠礦企業(yè)的上游或周邊，一二級水源保護區(qū)，高等級公路兩側可視范圍等區(qū)域。

圖4 某電站下水庫棄渣場鳥瞰圖Figure 4 Aerial view of the spoil areas of a power station

3 渣場設計

截至2020年底，新源公司系統(tǒng)內(nèi)約有4個電站的6個渣場在基建期發(fā)生過設計變更，設計變更提出的原因多為防洪標準提高，截排水溝結構調(diào)整，擋渣墻結構調(diào)整等；約有5個運行期電站的8個渣場處于整體不穩(wěn)定狀態(tài)，約有4個運行期電站的6個渣場投入資金進行治理過。

渣場設計的主要內(nèi)容包括渣場分級和設計標準、渣場穩(wěn)定性分析、渣場擋護、渣場截排水等內(nèi)容，進行渣場設計時應著重關注以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）渣場設計前應收集水文、地形地質(zhì)、水土保持等方面的資料，受到臺風、強降雨等極端氣候影響的渣場應重點關注[7]。

（2）可行性研究階段應確定渣場布置位置、規(guī)模，完成渣場擋護、排水方案設計，提出渣場防護工程措施及主要工程量，完成渣場穩(wěn)定性分析。

（3）招標、施工圖階段渣場設計應復核渣場堆渣容量，對擋護、截排水設施進行結構設計，滿足工程施工招標及現(xiàn)場施工要求。渣場擋護、截排設計成果應有針對性的地勘工作[8]。

（4）渣場設計應細化給出從渣場起用到最終形成，整個過程中各階段、各標段的填筑量、填筑高程，對渣場防護、排水、擋墻等施工的界面，各標段間的銜接要求等。

（5）對于利用渣場平臺形成的施工工廠等場地，應提出渣體的碾壓參數(shù)及渣料的物理力學指標[1]。

（6）渣場地基、渣體的物理力學參數(shù)宜優(yōu)先通過試驗確定。棄渣場堆置要素應根據(jù)渣體物理力學參數(shù)、巖土組成、地形地質(zhì)條件等確定。

（7）松散的碎石土堆積物內(nèi)部往往呈現(xiàn)無黏性的平面破壞情況，穩(wěn)定性分析計算時應平面滑動計算；密實的碎石土堆積物穩(wěn)定性分析計算時應按圓弧滑面計算，推薦使用畢肖普法。

（8）渣體穩(wěn)定性分析時，在考慮通過計算軟件搜索獲取的滑動面時，還應考慮渣體沿原始地面等其他潛在軟弱面發(fā)生變形破壞的可能[2]。

（9）渣場設計時應對清除地表附著物提出明確要求，避免地表附著物在長時間的物理、化學作用下碳化泥化，降低渣體和原地表之間形成潛在軟弱滑動面的風險。

（10）對不受水流沖刷影響的渣場坡腳擋墻，擋墻應考慮利用渣料，優(yōu)先考慮使用漿砌石擋墻、鋼筋石籠結構形式。

（11）渣體內(nèi)部含水量對渣體的整體穩(wěn)定有較大影響，渣場設計時應關注渣體的內(nèi)部排水設計。渣體底部應設置一定厚度的排水棱體，排水棱體的質(zhì)量應得到保證。

（12）渣場設計過程中，應結合渣場擋、排設施設計合理的運維道路，方便運行期巡檢和維護。

（13）規(guī)模較大的棄渣場應建立棄渣場安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對渣場實時監(jiān)測，掌握渣場的運行狀態(tài)。監(jiān)測系統(tǒng)運行示意圖見圖5[9]。

圖5 棄渣場穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)運行示意圖Figure 5 Operation diagram of stability monitoring system of spoil areas

4 渣場運檢

棄渣場運檢主要包括渣場的運行業(yè)務、檢查業(yè)務、維護業(yè)務。永久征地范圍內(nèi)的渣場應按期開展渣場的運行、檢查、維護等工作。臨時征地范圍內(nèi)暫未移交地方的渣場，在未移交之前應開展渣場的運行、檢查、維護等工作。已移交地方政府的渣場，應由地方政府負責渣場的運行、檢查、維護等工作。對于壩后壓坡體部分，應按大壩的相關要求開展運行、檢查、維護等工作。

4.1 渣場移交

移交運行單位的渣場包括永久征地范圍內(nèi)的渣場及臨時征地范圍內(nèi)暫未移交的渣場。進行渣場移交時應著重關注以下幾個方面的內(nèi)容：

圖6 某電站上水庫壩后壓坡體鳥瞰圖Figure 6 Aerial view of the slope behind the dam of the upper reservoir of a Hydropower Station

（1）應按照《水利部水土保持設施驗收技術評估工作要點》的相關要求，在首臺機組投產(chǎn)運行前完成渣場水土保持設施專項驗收。對堆渣量超過50萬m3或者最大堆渣高度超過20m的渣場，在水土保持專項驗收前應完成穩(wěn)定性評估工作。

（2）渣場永久征地范圍內(nèi)，堆渣量超過50萬m3或者最大堆渣高度超過20m的渣場，宜建立監(jiān)測系統(tǒng)，渣場監(jiān)測宜納入工程整體監(jiān)測范圍。渣場常規(guī)監(jiān)測內(nèi)容為表觀變形監(jiān)測和振動觀測，對于地質(zhì)條件復雜的情況，需要實施地基變形監(jiān)測、內(nèi)部變形監(jiān)測、地下水位監(jiān)測及水文氣象監(jiān)測等。

（3）移交地方管理的渣場，應做好驗收、交接工作，明確管理責任。對電站安全運行有不利影響的，且地方政府無法履行相關職責的，可委托運行單位履行相關職責。運行單位應將檢查過程中發(fā)現(xiàn)的問題及時函告地方政府。

4.2 渣場運檢

渣場運檢包括渣場的運行業(yè)務及渣場的檢查業(yè)務。進行渣場運檢時應著重關注以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）運行單位應建立渣場檢查制度。汛前、汛后以及暴風、暴雨、特大洪水或者強烈地震發(fā)生后，應組織對其所管轄渣場進行檢查。巡視檢查應結合當前運行狀況，確定重點巡視部位。

（2）渣場檢查分為日常巡查、年度詳查。日常巡查每月應不少于一次，汛期、臺風、強降雨及地震等特殊情況下應增加巡視檢查次數(shù)；年度詳查通常每年至少在汛前和汛后各進行一次。年度詳查除對渣場各種設施進行檢查外，還應分析渣場運行情況、維護記錄和監(jiān)測數(shù)據(jù)等，初步評判渣場運行狀態(tài)。

（3）渣場檢查可通過目視、耳聽、手摸，同時輔以相應的工具和儀器進行；檢查人員應由專業(yè)人員組成，檢查工作應由經(jīng)驗豐富、熟悉本工程情況的水工專業(yè)技術人員主持。檢查人員不宜任意變動，現(xiàn)場記錄應及時整理。對渣場存在的問題應逐項檢查和記錄，對異常和損壞部位應詳細說明，并進行攝像或錄像，以待專項調(diào)查和養(yǎng)護修理。

（4）巡視檢查中如發(fā)現(xiàn)有裂縫、滑移、塌陷等征兆或其他異常跡象，應立即上報，并分析其原因。對巡視檢查中發(fā)現(xiàn)的安全問題，應立即處理。巡視檢查及處理情況應以文字、圖表的方式記載保存。

（5）對已移交地方管理且對電站安全穩(wěn)定運行有重大影響的渣場應密切關注，及時反映情況。

（6）宜定期委托專業(yè)機構對渣場進行安全性評價。

（7）渣體檢查項目一般包括：渣體有無裂縫、沉陷、滑坡、大量積水、沖刷、堆積等現(xiàn)象；植被是否完好等。

（8）坡腳支擋設施檢查項目一般包括：混凝土有無基礎掏空、斷裂、滲漏、溶蝕、侵蝕和凍害等情況；滲漏水量和水質(zhì)有無明顯變化。

（9）巡檢道路檢查項目一般包括：路面有無松散、裂縫、坑洼、隆起、積水、碎石等；路基是否穩(wěn)定；路基排水是否通暢，有無破損、堵塞、積水、植物滋生；護欄有無撞壞、斷裂、松動、錯位、缺件、銹蝕等現(xiàn)象；交通標志、路面標線、減速帶、球面鏡有無破損、缺失。

（10）監(jiān)測設施檢查項目一般包括：各類監(jiān)測儀器，各測點的保護裝置及接地防雷裝置，監(jiān)測儀器電纜、監(jiān)測自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡電纜、電源電纜及供電系統(tǒng)等是否正常運行；光纜、電纜、儀器標識牌是否清晰可見。

4.3 渣場維護

運行單位應對渣場進行經(jīng)常性的養(yǎng)護和定期檢修工作。養(yǎng)護修理一般分為日常性養(yǎng)護維修、大修、搶修。進行渣場維護時應著重關注以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）應根據(jù)日常檢查所發(fā)現(xiàn)的問題，編制大修計劃，報批后進行大修。

圖7 某電站棄渣場截水溝損壞及渣體表面滑塌現(xiàn)狀Figure 7 Current situation of intercepting ditch damage and slag surface collapse in a power station spoil areas

（2）渣場維護工作應及時，避免釀成更大的損壞。維護工作施工中，不論工程量大小均應做好施工記錄，內(nèi)容包括維修部位、使用材料、施工方法等，維修記錄存入檔案。

（3）渣體處理時應遵照“上截下排”的原則進行修理。在上游采取截水設施，將來水匯集后通過表面排水設施或渣體內(nèi)部排水設施排出，避免對渣體造成沖刷；在下游壩坡采取導滲排水措施，將渣體內(nèi)的滲水導出，以增強渣體穩(wěn)定。

（4）渣體的滑坡處理應根據(jù)其產(chǎn)生的原因、部位、滑移深度、體量大小、嚴重程度等，進行具體分析，采取適當措施。

（5）渣場表面截排水設施及具備檢修條件的渣體內(nèi)部排水設施，應及時進行清淤，保持排水設施完整、通暢，防止雨水對渣體的浸蝕和沖刷，確保渣體上游擋水設施和下游攔渣設施的正常運行。

（6）巡視檢查過程中發(fā)現(xiàn)監(jiān)測設施運行異常時，應由具備維修經(jīng)驗的員工進行維修處理，對于帶電設備維修人員應具備帶電作業(yè)資質(zhì)。

（7）加強渣體表面綠化植被的養(yǎng)護工作，保證存活率，提高固坡能力，降低水土流失、滑坡等病害發(fā)生風險。

5 結論

依托新源公司系統(tǒng)內(nèi)100余個渣場的調(diào)研普查分析結果，分別對規(guī)劃、設計、移交、運檢、維護階段的棄渣場提出了應重點關注的內(nèi)容。

（1）渣場規(guī)劃階段應重點關注渣場選址和布置等內(nèi)容。遇到渣場選址對周圍環(huán)境和居民影響較大，渣場地基條件較差時，應進行充分論證。

（2）渣場設計階段應重點關注渣場穩(wěn)定性分析，渣場擋護、渣場截排水等內(nèi)容。渣場設計前應充分收集水文、地形地質(zhì)、水土保持等方面的資料，可行性研究階段應完成渣場穩(wěn)定性分析及方案設計工作，招標設計階段應完成擋護、截排水設施的結構設計工作。

（3）渣場運檢階段應重點關注渣場運行、檢查、維護等內(nèi)容。移交運行單位的渣場包括永久征地范圍內(nèi)的渣場及臨時征地范圍內(nèi)暫未移交的渣場，運行單位應建立渣場檢查制度，渣場維護工作應及時，避免釀成更大的損壞。