某水電站棄渣場(chǎng)綜合治理

李映霞，李劍武

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,貴州 貴陽(yáng) 550081）

1 工程概況

某水電站位于貴州省威寧縣境內(nèi),系該流域中下游河段規(guī)劃梯級(jí)的第三級(jí)水電站。該水電站主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電,水庫(kù)總庫(kù)容2.484 億m3,總裝機(jī)容量為240 MW,保證出力為47.42 MW,多年平均發(fā)電量為9.30 億kW·h,年利用小時(shí)為3875 h。電站死水位高程為1370 m,正常蓄水位高程為1405 m。

2 棄渣場(chǎng)選址及規(guī)劃

2.1 棄渣場(chǎng)選址

本工程主體加臨建工程土石方開挖總量約326.9 萬(wàn)m3（松方）。根據(jù)工程需要和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形,在壩址右岸上游庫(kù)區(qū)內(nèi)和壩址下游右岸分別擬選一個(gè)棄渣場(chǎng)進(jìn)行比較,兩棄渣場(chǎng)分別命名為上游田壩棄渣場(chǎng)和下游棄渣場(chǎng)。田壩棄渣場(chǎng)和下游棄渣場(chǎng)規(guī)劃容量分別為336.74 萬(wàn)m3、25 萬(wàn)m3。根據(jù)水文資料表明,下游棄渣場(chǎng)沖溝洪水設(shè)計(jì)流量較大,沖溝排水設(shè)施工程量大,且規(guī)劃設(shè)計(jì)棄渣容量較小,不適宜作為本工程的棄渣場(chǎng),故選擇右岸上游的田壩棄渣場(chǎng)作為本工程的唯一棄渣場(chǎng)。

2.2 棄渣場(chǎng)規(guī)劃

田壩棄渣場(chǎng)位于壩址右岸上游田壩小河沖溝,距壩址直線距離約2 km,有簡(jiǎn)易公路通達(dá),距213 國(guó)道直線距離100 m～300 m,交通十分便利。棄渣場(chǎng)初步規(guī)劃堆渣高程為1310 m～1429 m,最大堆渣高度為119 m,規(guī)劃堆渣量約330 萬(wàn)m3,實(shí)際堆渣326.9 萬(wàn)m3（松方）。本棄渣場(chǎng)分為上、下兩部分,下部棄渣場(chǎng)最終高程為1369 m,低于死水位1 m,上部棄渣場(chǎng)最終高程為1429 m,高于正常蓄水位24 m。

棄渣場(chǎng)規(guī)劃需同時(shí)滿足坡體穩(wěn)定及容量要求,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),本棄渣場(chǎng)的具體規(guī)劃如下：棄渣場(chǎng)上游迎水坡面共兩個(gè)梯級(jí),每梯級(jí)坡比為1∶2.0,第一梯級(jí)高15 m,第二梯級(jí)高14 m,馬道寬6 m；棄渣場(chǎng)中部坡面共四個(gè)梯級(jí),每梯級(jí)坡比均為1∶1.75,第一至第三梯級(jí)高均為15 m,第四梯級(jí)高為14 m,各馬道寬6 m；棄渣場(chǎng)下游坡面共四個(gè)梯級(jí),每梯級(jí)坡比均為1∶1.6,第一至第三梯級(jí)高均為15 m,第四梯級(jí)高為14 m,各馬道寬6 m。棄渣場(chǎng)上游坡面坡腳及下游坡面坡腳均設(shè)置有擋渣壩。

3 棄渣場(chǎng)綜合治理

3.1 棄渣場(chǎng)穩(wěn)定分析

3.1.1 計(jì)算要求及計(jì)算工況

棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性是渣場(chǎng)設(shè)計(jì)合理與否的基本條件之一。根據(jù)棄渣場(chǎng)的布置,借助理正巖土工程軟件,對(duì)堆渣體進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算,驗(yàn)證棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)是否合理、安全,確保棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)滿足安全要求。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[1]、棄渣場(chǎng)與樞紐主體工程之間的位置關(guān)系,本棄渣場(chǎng)屬于水庫(kù)Ⅲ級(jí)邊坡。根據(jù)規(guī)范要求,棄渣場(chǎng)在持久狀況、短暫狀況及偶然狀況下的最小安全系數(shù)分別為1.10、1.05 及1.00。

本渣場(chǎng)位于壩址上游,堆渣體一部分（1370 m 以下）低于死水位,一部分（1370 m～1405 m）位于消落帶,一部分（1405 m～1429 m）位于正常蓄水位以上,因此需考慮電站施工期、正常運(yùn)行期、暴雨工況、水位降落期及地震工況這五種工況下棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性分析,各工況下最小穩(wěn)定安全系數(shù)要求見表1。

表1 各工況下最小穩(wěn)定安全系數(shù)

3.1.2 計(jì)算方法及基本參數(shù)

堆渣體為松散的土石渣,其可能發(fā)生的破壞模式為土質(zhì)圓弧滑動(dòng)。根據(jù)規(guī)范規(guī)定：黏性土,混合土和均質(zhì)堆積物宜按圓弧滑面計(jì)算,宜采用下限解法做穩(wěn)定分析,推薦采用簡(jiǎn)化畢肖普法求解最危險(xiǎn)滑面和相應(yīng)安全系數(shù),也可以采用詹布法。因此,本邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析采用平面極限平衡下限解法,采用簡(jiǎn)化Bishop 法求解最危險(xiǎn)滑面和相應(yīng)安全系數(shù),計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 計(jì)算簡(jiǎn)圖

工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度,根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)及《某水電站工程可行性研究報(bào)告》,基巖及堆渣體在不同狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 不同狀態(tài)下的物理力學(xué)參數(shù)

3.1.3 計(jì)算結(jié)果

各工況下堆渣體邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表3,均滿足規(guī)范要求。

表3 各工況下設(shè)計(jì)穩(wěn)定安全系數(shù)

3.2 坡面護(hù)坡設(shè)計(jì)

為防止水土流失或保證邊坡穩(wěn)定性,需對(duì)棄渣場(chǎng)進(jìn)行坡面護(hù)坡設(shè)計(jì)。棄渣場(chǎng)常用的護(hù)坡方式主要有三種：框架護(hù)坡、漿砌石護(hù)坡及干砌石護(hù)坡。其中框架護(hù)坡對(duì)提高邊坡的穩(wěn)定性有一定的作用,多用于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)富裕度不高的情況,本棄渣場(chǎng)穩(wěn)定安全系數(shù)富裕度較高,從節(jié)省工程投資的角度考慮,不宜采用框架護(hù)坡。漿砌石護(hù)坡適用于有防滲要求的情況,而干砌石護(hù)坡適用于水位變化頻繁和有風(fēng)浪侵蝕的情況,且干砌石為柔性結(jié)構(gòu),較漿砌石護(hù)坡更能適應(yīng)基礎(chǔ)的變化,故耐久性優(yōu)于漿砌石。本棄渣場(chǎng)上游坡面為迎水面,中部坡面部分位于消落帶內(nèi),下游坡面位于死水位以下,上游及中部坡面均存在水位變化的情況,且坡體為土石混合的松散渣體,存在不均勻沉降問題,因此本棄渣場(chǎng)采用干砌石護(hù)坡,干砌石厚度為40 cm。

另外,渣場(chǎng)棄渣完成后,根據(jù)水土保持要求,將對(duì)上游棄渣場(chǎng)頂部進(jìn)行覆墾。

3.3 排洪工程設(shè)計(jì)

3.3.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)流量

防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)洪水流量是排水?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)的主要計(jì)算條件,需根據(jù)相關(guān)規(guī)范[2]要求確定渣場(chǎng)的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

綜合考慮渣場(chǎng)容量、堆渣高度、可能對(duì)下游造成的危害、經(jīng)濟(jì)合理和安全可靠的相關(guān)因素,該渣場(chǎng)屬特大型渣場(chǎng),其運(yùn)行期防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)P=2%～1%。由于本棄渣場(chǎng)下游附近無密集居民區(qū)及重要水工建筑物,其防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按P=2%考慮。工程施工期棄渣場(chǎng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)一般不超過5 年一遇,但考慮到該棄渣場(chǎng)規(guī)模較大,其施工期防洪標(biāo)準(zhǔn)按10 年一遇考慮。本棄渣場(chǎng)防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的設(shè)計(jì)流量見表4。

表4 渣場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

3.3.2 施工期排洪設(shè)計(jì)

本棄渣場(chǎng)上游匯水面積大,施工期10 年一遇洪水流量為61.2 m3/s,需采用斷面較大的排洪渠（洞）對(duì)施工期洪水進(jìn)行引排。本棄渣場(chǎng)為河谷類庫(kù)底型渣場(chǎng)[3-5],長(zhǎng)約1.3 km,且渣體堆高較高,施工期適宜采用庫(kù)底排水涵進(jìn)行排洪。

根據(jù)地形,排水涵出口頂板高程為1302.60 m,低于長(zhǎng)枯水位,故施工期排水涵為自由出流。初擬排水涵凈斷面為2.5 m×2.8 m（寬×高）,利用有壓流公式試算,上游水深為6.45 m,與排水涵凈高之比為2.34（＞1.5）,滿足有壓流計(jì)算條件,說明計(jì)算理論及尺寸選擇合適。

3.3.2 運(yùn)行期排洪方案比選

庫(kù)區(qū)50 年一遇淤沙高程為1335.00 m,遠(yuǎn)高于排水涵出口高程,電站運(yùn)行一段時(shí)間后將被淤堵,因此還需設(shè)置運(yùn)行期排洪設(shè)施引排洪水。根據(jù)地形、棄渣場(chǎng)布置及與周邊建筑物關(guān)系等特點(diǎn),棄渣場(chǎng)運(yùn)行期排洪方案主要有以下三種：右岸排洪明渠、右岸排水隧洞及左岸排水涵。

（1）右岸排洪明渠

棄渣場(chǎng)右岸地形相對(duì)較緩,故右岸具備設(shè)置排洪明渠的地形條件,且棄渣場(chǎng)中部坡面右側(cè)為玄武巖石料場(chǎng),終采平臺(tái)高程為1365 m,可將排洪明渠出口設(shè)置在石料場(chǎng)邊坡上,采用臺(tái)階消能將洪水引入石料場(chǎng)終采平臺(tái)。排洪明渠長(zhǎng)530 m,經(jīng)計(jì)算,為盡量減少明渠右側(cè)邊坡開挖及支護(hù)工程量,排洪明渠進(jìn)口需設(shè)置在1424.00 m 高程,過流凈斷面尺寸為5 m×4 m（寬×高,矩形）。受地形及過流條件限制,明渠基礎(chǔ)局部落在棄渣上,存在基礎(chǔ)不均勻沉降而導(dǎo)致明渠開裂問題,另外明渠出口附近有一較大深切沖溝,覆蓋層較深,該處明渠基礎(chǔ)處理較為困難,且出口處需要原石料場(chǎng)進(jìn)行側(cè)向開挖,開挖及支護(hù)工程量較大。右岸覆蓋層及玄武巖強(qiáng)風(fēng)化層較深,且基礎(chǔ)存在不均勻沉降問題,因此排洪明渠需采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。該方案中原設(shè)計(jì)連接棄渣場(chǎng)左右岸的右岸7#公路需橫跨排洪明渠,因此需將7#公路接入點(diǎn)處排洪明渠設(shè)置為橋涵。

（2）右岸排水隧洞

因棄渣場(chǎng)中部坡面右側(cè)為玄武巖石料場(chǎng),亦可采用排水隧洞將上游洪水引入石料場(chǎng)終采平臺(tái),隧洞長(zhǎng)約615 m。根據(jù)渣場(chǎng)上游地形、電站正常蓄水位、石料場(chǎng)規(guī)劃及其地質(zhì)條件分析,排水隧洞出口頂拱宜設(shè)置在1405.00 m 高程,為防止庫(kù)區(qū)水位倒灌至棄渣場(chǎng)上游,排水隧洞進(jìn)口底板高程設(shè)置為1406.00 m。因排水隧洞出口頂拱位于正常蓄水位以下,故屬淹沒出流。初擬排水隧洞凈斷面為直徑4.8 m 的馬蹄形,利用有壓流公式進(jìn)行試算,上游水深為8.1 m,與排水隧洞凈高之比為1.66（＞1.5）,滿足有壓流計(jì)算條件,過流凈斷面尺寸選擇合適。

（3）左岸排水涵

棄渣場(chǎng)左岸地形較陡,不具備設(shè)置排洪明渠的條件,左岸棄渣場(chǎng)規(guī)劃范圍內(nèi)有一條6 m 寬的鄉(xiāng)村道路,路面高程約為1405 m,可考慮利用鄉(xiāng)村道路作為基礎(chǔ)設(shè)置運(yùn)行期排水涵,以減少開挖支護(hù)及基礎(chǔ)處理工程量。排水涵出口需引至下游棄渣場(chǎng),但對(duì)下游棄渣場(chǎng)存在沖刷問題,需設(shè)置消能設(shè)施。因排水涵出口位于正常蓄水位以下,故屬淹沒出流。根據(jù)地形,排水涵進(jìn)口底板高程設(shè)置在1409.50 m,出口高程為1405.00 m,排水涵出口至下游渣場(chǎng)之間設(shè)置明渠引至下游棄渣場(chǎng),明渠底板設(shè)置成臺(tái)階,且明渠出口需做防沖設(shè)施,排水涵及出口明渠總長(zhǎng)600 m。初擬排水涵凈斷面為3 m×4 m（寬×高,矩形）,利用有壓流公式進(jìn)行試算,上游水深為16.67 m,與排水涵凈高之比為4.16（＞1.5）,滿足有壓流計(jì)算條件,且上游雍高水位為1426.16,低于上游棄渣場(chǎng)終了高程1429.00 m,不存在漫頂問題,說明計(jì)算理論及尺寸選擇合適。

（4）排洪方案選擇

根據(jù)上述分析,棄渣場(chǎng)運(yùn)行期排洪方案主要有右岸排洪明渠、右岸排水隧洞及左岸排水涵。需綜合考慮基礎(chǔ)不均勻沉降、對(duì)棄渣場(chǎng)整體穩(wěn)定的影響、對(duì)下游棄渣場(chǎng)的影響、對(duì)周邊建筑物的干擾及工程投資等因素,選擇安全、合理、經(jīng)濟(jì)的排洪方案。各排洪方案綜合比較見表5,本棄渣場(chǎng)推薦采用右岸排水隧洞方案。

表5 運(yùn)行期各排洪方案綜合比較

4 結(jié)語(yǔ)

棄渣場(chǎng)綜合治理設(shè)計(jì)中,應(yīng)充分考慮棄渣場(chǎng)地形地質(zhì)情況及與周邊建筑物的關(guān)系等特點(diǎn),進(jìn)行合理的規(guī)劃設(shè)計(jì),以滿足堆渣邊坡穩(wěn)定及堆渣容量的要求。對(duì)于位于庫(kù)區(qū)的河谷類庫(kù)底型棄渣場(chǎng),在設(shè)計(jì)過程中,需特別注意隨著工程面貌的變化,棄渣場(chǎng)下游及排洪設(shè)施出口處庫(kù)區(qū)水位的變化,以及淤沙高程等對(duì)棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定及排洪工程過流能力影響,從而選擇安全、經(jīng)濟(jì)、合理的排洪設(shè)計(jì)方案。