某抽水蓄能電站棄渣場地質(zhì)勘察及工程評價

閔 麗，耿軍民，王 玨，董 雪，張云飛

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京市 100161；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北省武漢市 430010）

0 引言

抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)、地下廠房、上/下水庫的形成常常伴隨著大規(guī)模開挖，加上廠內(nèi)、外連接道路開挖等因素，導(dǎo)致抽水蓄能電站工程棄渣量較大[1]。伴隨著國家、行業(yè)層面對棄渣場安全、水土保持恢復(fù)等方面的重視程度越來越高，抽水蓄能電站如何更好地保護(hù)生態(tài)環(huán)境、減少占用耕地面積、減少水土流失的需求也越來越高[2]。抽水蓄能電站棄渣場物源來源復(fù)雜，堆渣時間長，渣體內(nèi)部地質(zhì)條件復(fù)雜， 變形破壞呈現(xiàn)多樣化，同時受設(shè)計階段、勘察深度、不同設(shè)計方案的影響，以及受潛在地質(zhì)災(zāi)害影響存在一定的安全隱患，渣場變更、征地范圍調(diào)整等情況時有發(fā)生。通過行之有效的棄渣場的勘察、及時科學(xué)的評價工作，對抽水蓄能電站項目順利開發(fā)建設(shè)具有重要意義[3-7]。

1 工程概況

1.1 棄渣場基本情況

某抽水蓄能電站位于我國華東地區(qū)，開發(fā)方式為日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，電站規(guī)模為大（1）型一等工程，其主要建筑物按Ⅰ級建筑物設(shè)計。根據(jù)工程場地地震安全性評價報告可知，工程場區(qū)基巖50年超越概率10%地震動峰值加速度為30.8gal（1gal=1cm/s2），相應(yīng)地震基本烈度小于Ⅵ度。工程區(qū)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性好，不具備水庫誘發(fā)地震的條件，誘發(fā)破壞性地震的可能性極小。

下水庫棄渣場位于右岸坡庫外、改線公路西側(cè)沖溝內(nèi)，棄渣場主溝為北東向，沖溝長約800m，地勢平緩，坡降小，地面高程為280～475m，溝中常年流水；棄渣后渣場區(qū)總體呈臺階狀，第一臺階臺面高程在325m左右，第二臺階臺面高程在350m左右，第三臺階臺面高程在410m左右。棄渣場渣場占地面積18.90hm2，設(shè)計容渣量477.43萬m3。該棄渣場規(guī)模為特大型棄渣場，攔擋防護(hù)設(shè)施級別為3級，棄渣場防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇洪水，防護(hù)措施包括攔擋工程、截排水工程、沉沙工程和土地整治工程。2014年，該棄渣場開始堆渣，目前已基本完成堆渣施工。

1.2 棄渣場空間形態(tài)

棄渣后渣場區(qū)總體呈三層臺階狀：第一臺階臺面高程在325m左右，臺面長約220m，最寬處約60m；第二臺階臺面高程在350m左右，臺面長約300m，最寬處約60m；第三臺階臺面高程在410m左右，臺面長約365m，最寬處約85m。下水庫棄渣場示意見圖1。

圖1 下水庫棄渣場Figure 1 Residues spoil areas of Lower reservoir

2 技術(shù)問題及路線

2.1 技術(shù)路線

充分收集棄渣場及周邊相關(guān)勘察資料，采用地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探、原位試驗等綜合勘測手段，研究棄渣體的具體參數(shù)，并進(jìn)行工程地質(zhì)評價。技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 地勘工作技術(shù)線路圖Figure 2 The framework map of technical route

2.2 勘察方法

可行性研究階段應(yīng)對四級以上棄渣場及防護(hù)工程進(jìn)行地質(zhì)勘察，規(guī)定了地質(zhì)勘察應(yīng)包括的工作內(nèi)容[8]。本工程通過資料收集，采用地形測量、地質(zhì)測繪、鉆探、物探、現(xiàn)場原位試驗、室內(nèi)試驗及地下水位長期觀測等多種勘察手段，研究棄渣體現(xiàn)狀下的空間形態(tài)特征、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征和物理力學(xué)性質(zhì)；結(jié)合現(xiàn)場與室內(nèi)試驗、工程類比和穩(wěn)定性計算選取棄渣體力學(xué)參數(shù)，并綜合棄渣體特征和現(xiàn)狀進(jìn)行工程地質(zhì)評價。

圖3 現(xiàn)場探槽取樣及大容重試驗Figure 3 Field trench sampling and bulk density test

3 棄渣場物質(zhì)組成分析

3.1 地表調(diào)查和鉆孔資料分析

地表調(diào)查和鉆探揭示，棄渣體大部分為開挖無用的全強風(fēng)化花崗巖廢料，部分為殘坡積碎石土，但顆粒結(jié)構(gòu)各部位略有區(qū)別，下伏為全、強風(fēng)化花崗巖，未揭示有軟弱土層。

在棄渣過程中，大顆粒（碎塊石）隨坡滾動堆積于原地面平緩處或低洼處，如布置于溝底鉆孔JX1和JX4均揭示有一層碎塊石土層，厚度1～3m。另外，第一平臺棄渣體的角礫土，夾少量碎塊石，顆粒多小于15cm，來源為全強風(fēng)化花崗巖和殘坡積碎石土層，第二平臺棄渣體為含碎塊石角礫土，且局部夾有碎塊石土層，第三平臺棄渣體為角礫土，主要為全強風(fēng)化花崗巖棄料，顆粒粒徑多小于5cm，夾少量碎塊石。鉆孔揭示棄渣體厚度統(tǒng)計見表1。

表1 棄渣體厚度統(tǒng)計表Table1 Thickness statistics table of spoil ground

圖4 鉆孔下長期觀測管和物探作業(yè)Figure 4 Long term observation tube under borehole and geophysical exploration

3.2 物探成果分析

棄渣體厚度和可能的物質(zhì)組成分區(qū)，采用了高密度電法勘探，亦稱直流高密度電阻率法。測區(qū)基巖為花崗巖，當(dāng)存在風(fēng)化、破碎、裂隙、構(gòu)造等發(fā)育時，電阻率（ρ）將不同程度降低；覆蓋層組成主要是角礫土、碎塊石土，相關(guān)組成成分及基巖電阻率范圍見表2。

表2 測區(qū)巖（土）體地球物理參數(shù)統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of geophysical parameters of rock （soil） in survey area

第一、第二、第三平臺坡體物探剖面揭示分別見圖5～圖7。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：整個剖面視電阻率值縱向呈現(xiàn)由淺到深逐漸增大特性，電阻率等值線成層性較好。上部的角礫土、碎塊石土，電阻率表現(xiàn)為相對低阻特性；下部的基巖，電阻率值表現(xiàn)為相對高阻特性。

圖5 棄渣場第一平臺前部坡體物探成果顯示物質(zhì)組成Figure 5 The material composition of the slope in front of the first platform of the spoil areas

圖6 棄渣場第二平臺物探成果顯示物質(zhì)組成Figure 6 The material composition of the second platform of the spoil areas

圖7 棄渣場第三平臺物探成果顯示物質(zhì)組成Figure 7 The material composition of the third platform of the spoil areas

物探成果表明，覆蓋層與基巖面分界線同原地形線基本吻合。

4 棄渣場穩(wěn)定性評價

4.1 物理力學(xué)參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場和室內(nèi)試驗成果及電站前期勘察成果，類比已收集到的類似工程，棄渣體及下伏巖體物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 棄渣場巖、土體物理力學(xué)參數(shù)建議值表Table 3 Recommended values of physical and mechanical parameters of rock and soil of the spoil areas

4.2 穩(wěn)定性復(fù)核

為了開展棄渣后渣場穩(wěn)定性評價，選取典型棄渣場現(xiàn)狀剖面進(jìn)行穩(wěn)定性驗算，剖面見圖8。由于棄渣體前緣已建有攔渣壩，計算底滑面基本按原始地形，前緣剪出口高于壩體，后緣順原地形上延。一般的棄渣體破壞啟動，多為后緣渣體先滑動失穩(wěn)，從而導(dǎo)致其前緣渣土體被推動，最后形成整體滑動破壞[7]。當(dāng)不存在水流掏刷渣體坡腳時，棄渣的破壞多為推移式。

圖8 棄渣體整體穩(wěn)定性驗算剖面Figure 8 Overall stability checking section of the spoil areas

按照基本工況和地震工況，采用瑞典圓弧法進(jìn)行計算。由于該地區(qū)地震基本烈度小于Ⅵ度，故不考慮地震工況。采用邊坡穩(wěn)定計算軟件計算出棄渣體最小安全系數(shù)為1.956，大于基本工況要求的1.3，棄渣場整體穩(wěn)定。

4.3 整體穩(wěn)定性評價

4.3.1 堆積坡比

現(xiàn)棄渣體分三臺階堆積，三臺階寬60～80m，非一坡到頂堆積，這種堆積方式對棄渣場整體穩(wěn)定是有利；現(xiàn)棄渣場整體堆積坡比在1：3.0～1：3.5，小于設(shè)計坡比1：2.0，對整體穩(wěn)定有利；棄渣體三臺階間高差偏大，現(xiàn)未按設(shè)計要求完成防護(hù)施工，現(xiàn)狀下對棄渣場局部穩(wěn)定存在不利影響。

4.3.2 物質(zhì)組成

棄渣場主要由全強風(fēng)化花崗巖構(gòu)成的角礫土、含碎塊石角礫土、碎塊石土，少部分殘坡積碎石土，棄渣體底部和中間未見軟弱土層；棄渣體結(jié)構(gòu)松散—中密狀，向底部密實性漸增；棄渣體透水性向底部漸低，整體呈弱透水性，其儲水性較差，僅棄渣體前部見深埋地下水；棄渣體現(xiàn)有的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)特征對渣場的整體穩(wěn)定有利。

4.3.3 運行情況

棄渣場棄渣至今已近6年，棄渣場整體未見明顯變形跡象，僅發(fā)現(xiàn)有沿3個平臺臨空部位發(fā)生局部的變形和滑移破壞，但經(jīng)少量工程措施處理即可消除不利影響。

4.3.4 穩(wěn)定性驗算

對棄渣場整體穩(wěn)定性驗算可知，其最小安全系數(shù)＞1.3，整體穩(wěn)定。

5 結(jié)論與建議

（1）抽水蓄能電站棄渣場勘察及評價分析，需通過資料收集、棄渣體現(xiàn)狀下的空間形態(tài)特征、物質(zhì)組成研究等工作，經(jīng)工程類比和穩(wěn)定性計算選取合適的物理力學(xué)參數(shù)，最終完成棄渣體特征和現(xiàn)狀工程地質(zhì)評價。

（2）抽水蓄能電站棄渣來源眾多，主要包含籌建期進(jìn)場公路、主體工程開挖棄渣等，也會包含建筑垃圾、砂石系統(tǒng)廢渣等，為避免水土流失造成區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定失衡、避免誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)高度重視棄渣場的設(shè)計和施工、運行管理等相關(guān)工作。

（3）選定的抽水蓄能電站棄渣體大部分為開挖無用的全、強風(fēng)化花崗巖廢料，部分為殘坡積土。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查、物質(zhì)組成分析、棄渣場穩(wěn)定復(fù)核等工作可知，棄渣場未發(fā)生明顯的變形，現(xiàn)狀下整體穩(wěn)定，在暴雨或人類活動作用下出現(xiàn)局部變形失穩(wěn)的可能性較小。

（4）如果棄渣場局部發(fā)生變形和滑移破壞，應(yīng)盡快開展坡體修復(fù)和必要的防護(hù)工作，修復(fù)損毀的地表排水系統(tǒng)，盡快完成棄渣場區(qū)綠化工作，防止水土流失，并定期開展棄渣場變形監(jiān)測工作和定期巡查工作。