桐城抽水蓄能電站上庫棄渣場規(guī)劃設(shè)計(jì)

段東亮，胡利強(qiáng)，鄭國權(quán)，姚成平，潘 偉

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

當(dāng)前，我國正處于能源綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，為配合風(fēng)、光等新能源大規(guī)模高比例發(fā)展，早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，抽水蓄能電站提速建設(shè)，到2030年，將建成一批抽水蓄能骨干項(xiàng)目[1-2]。抽水蓄能項(xiàng)目多位于山區(qū)，建設(shè)內(nèi)容主要包括上下庫大壩、輸水系統(tǒng)、地下發(fā)電廠房、開關(guān)站、交通道路及生產(chǎn)生活管理區(qū)等，土石挖填方量大、余方數(shù)量多，經(jīng)綜合利用之后仍會產(chǎn)生大量棄渣。作為抽水蓄能電站項(xiàng)目的施工配套組成，棄渣場是水土流失及其危害產(chǎn)生的主要源頭之一，其安全有序運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)系到整個工程建設(shè)的進(jìn)展和管控，在電站整個勘察設(shè)計(jì)及建設(shè)過程中都極為重要[3-8]。文章以安徽桐城抽水蓄能電站上庫棄渣場為例，結(jié)合渣場自然條件、堆置方案及措施布設(shè)，介紹了抽水蓄能項(xiàng)目大型棄渣場規(guī)劃設(shè)計(jì)，可為同類型工程提供參考。

1 棄渣場概況

桐城抽水蓄能電站上庫棄渣場位于上水庫東北側(cè)山坳溝谷內(nèi)，為溝道型渣場，占地20 hm2，擬堆渣量為470萬m3(松方)，堆渣高程為400～530 m，最大堆高為130 m。渣場主要堆置上水庫施工區(qū)域內(nèi)壩基、庫盆、進(jìn)出水口、導(dǎo)流洞、圍堰拆除、環(huán)庫路等部位開挖產(chǎn)生的棄渣和其他施工面產(chǎn)生的零星棄渣，棄渣土石比為2∶1。根據(jù)《水電工程水土保持設(shè)計(jì)規(guī)范(NB/T 10344—2019)》中渣場級別的確定辦法，上庫棄渣場堆渣量超300萬m3、最大堆渣高度超100 m，級別為1級。棄渣場總平面布置見圖1所示。

圖1 棄渣場總平面布置示意

1.1 地形地質(zhì)條件

渣場所在區(qū)域?qū)俚蜕角鹆甑孛玻乇碇脖话l(fā)育，所在溝谷近似呈“V”字型，呈北東走向，坡降為15%，兩側(cè)地形不對稱，東南側(cè)溝坡較陡，坡度為30°～50°，西北側(cè)溝坡較緩，坡度為20°～30°。溝谷兩側(cè)基巖為二長片麻巖夾斜長角閃片麻巖及閃長巖脈，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD為10%～45%，局部為0～5%，巖體破碎，地下水位埋深為0.8～3.1 m。根據(jù)地質(zhì)測繪和鉆孔揭露，溝谷沿線山坡分布?xì)埰路e(Qedl)粉質(zhì)黏土夾碎石，厚為1.1～1.3 m，地表多為殘坡積和全風(fēng)化土層覆蓋，表層全風(fēng)化層厚為1.8～2.5 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚為0.7～2.7 m，強(qiáng)風(fēng)化巖體破碎，弱風(fēng)化帶上限高程為399.4～501.9 m，兩處局部有陡崖，溝谷底部可見沖洪積滾石、漂石堆積和出露的弱風(fēng)化基巖。

1.2 氣象水文條件

項(xiàng)目區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨量豐沛，多年平均降水量為1 368.6 mm，降水主要集中在3—9月，占全年降水量的81.9%，多年平均氣溫為16.0℃，多年平均蒸發(fā)量為1 018.2 mm。棄渣場所在沖溝上游集雨面積為53 hm2，溝道比降為0.25，內(nèi)有季節(jié)性徑流，徑流系數(shù)為0.58。

根據(jù)安徽省山丘區(qū)中小河流洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

式中：

R24，P——設(shè)計(jì)頻率為P的24 h凈雨量，本地區(qū)R24，P=P24，P-50；

C——地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，本區(qū)為淺山區(qū)，C值為0.028；

F——山坡集雨面積，km2。

查《安徽省年最大24 h點(diǎn)雨量均值等值線圖》，項(xiàng)目區(qū)年最大24 h點(diǎn)雨量均值為124 mm，CS=3.5CV，年最大24 h點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv值取0.60。經(jīng)計(jì)算，棄渣場上游50年、100年、200年一遇全年洪水洪峰流量分別為17.3 m3/s、21.2 m3/s、25.2 m3/s。

2 選址合理性分析

上庫棄渣場用地現(xiàn)狀為林地，覆蓋層較薄，部分基巖出露，地質(zhì)情況較好。渣場不涉及河道、湖泊管理范圍；周邊無重要基礎(chǔ)設(shè)施、居民點(diǎn)，不屬于對人民生命財(cái)產(chǎn)安全及行洪安全有重大影響的區(qū)域；不涉及崩塌、滑坡危險(xiǎn)區(qū)及泥石流易發(fā)區(qū)。渣場靠近上庫施工區(qū)域，現(xiàn)場有鄉(xiāng)村道路可供使用，可減少施工便道修筑；溝谷地形便于堆渣和防護(hù)，節(jié)約占地，選址合理。

3 棄渣場規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 堆置方案

渣場分臺階堆置，上下游側(cè)均形成堆渣邊坡，中間530 m高程處形成寬276 m的堆渣平臺。下游側(cè)邊坡坡比為1∶2.75，每20 m設(shè)一馬道，其中410 m、430 m、470 m、510 m高程馬道寬為2 m，450 m、490 m高程馬道寬為5 m；上游側(cè)邊坡坡比為 1∶2.75，在502 m、515 m高程設(shè)置2 m寬馬道。為便于后期巡檢，在上下游側(cè)邊坡設(shè)1 m寬的人行步級。

棄渣堆置前進(jìn)行場區(qū)清表，自下至上分層堆置棄渣，石渣盡量堆置在渣場底部及渣場上下游臨空側(cè)，臨坡側(cè)5 m范圍內(nèi)每堆高1 m攤鋪、推平1次，其他區(qū)域每堆高3 m攤鋪、推平1次，然后進(jìn)行碾壓，渣體相對密實(shí)度不小于0.6。530 m高程處堆渣平臺形成斜坡形或龜背形，中間高兩邊低或中間高四周低，坡比控制在1%～2%之間，以利排水。

3.2 攔渣工程

棄渣先攔后棄，棄渣堆置前先在坡腳處修筑擋渣墻。下游側(cè)擋渣墻高11 m，埋置深度不小于1 m，采用C20砼重力式擋墻，墻頂寬為2 m，墻底寬為17.6 m，背坡坡比為1∶0.8，面坡坡比為1∶0.6，墻趾(踵)高為1 m、寬為0.8 m，墻身設(shè)置Φ50 mmPVC排水管，梅花形布置，間距為@1.5 m×1.5 m，墻底C10砼墊層厚為200 mm。上游側(cè)擋渣墻兼具擋水功能，配合側(cè)面排洪隧洞泄洪，墻高為10 m，埋置深度不小于1 m，采用C20砼重力式擋墻，墻頂寬為2 m，墻底寬為16.2 m，背坡坡比為1∶0.8，面坡坡比為1∶0.6，墻趾(踵)高為1 m、寬為0.8 m，墻身設(shè)置1排間距1.5 m的Φ50 mmPVC排水管，墻底C10砼墊層厚為200 mm。上、下游擋渣墻典型斷面如圖2、圖3所示。

圖2 上游擋渣墻典型斷面示意(單位：mm)

圖3 下游擋渣墻典型斷面示意(單位：mm)

3.3 防洪排導(dǎo)工程

3.3.1排洪隧洞

堆渣前在渣場右岸山體內(nèi)修建排洪隧洞，輔以上游側(cè)修筑的擋渣(水)墻，將上游來水引排至下游側(cè)溝道，以滿足施工期導(dǎo)流和渣場排洪需求，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇。排洪隧洞為城門洞形，斷面尺寸為3.0 m×2.86 m(凈寬×凈高)，頂拱中心角為120°，采用鋼筋砼襯砌。隧洞縱坡為10.85%，底部采用加糙臺階進(jìn)行消能減速。隧洞出口設(shè)消力池及出水明渠，隧洞進(jìn)口高程為498 m，出口高程為401 m，消力池底高程為396.5 m，出水明渠底高程為397.5 m，消力池?cái)嗝娉叽鐬?.5 m×9.5 m×2.5 m(凈長×凈寬×凈高)。排洪隧洞典型斷面見圖4。

圖4 排洪隧洞典型斷面示意(單位：mm)

3.3.2截排水工程

1) 周邊截排水溝

為疏導(dǎo)兩側(cè)坡面匯水及場內(nèi)堆渣平臺排水溝、馬道排水溝來水，在堆渣范圍線外1～3 m處修建截排水溝。截排水溝采用C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)，直角梯形斷面，溝底根據(jù)地形調(diào)整落在原狀土上，縱坡較大段采用加糙臺階消能。設(shè)計(jì)采取10年一遇短歷時(shí)暴雨標(biāo)準(zhǔn)，左側(cè)截排水溝斷面尺寸為1.4 m/1.0 m×0.8 m(頂寬/底寬×深)，長度為973 m；右側(cè)截排水溝斷面尺寸為0.9 m/0.6 m×0.6 m(頂寬/底寬×深)，長度為846 m。截排水溝每10～15 m設(shè)置一道結(jié)構(gòu)縫，縫寬為20 mm，采用聚乙烯閉孔泡沫板填縫，雙組份聚硫密封膏封口。棄渣場周邊截排水溝設(shè)計(jì)情況見表1。

表1 棄渣場周邊截排水溝設(shè)計(jì)一覽

2) 馬道排水溝

在上下游側(cè)邊坡各級馬道布置馬道排水溝，疏導(dǎo)堆渣邊坡坡面匯水，避免邊坡遭沖刷，馬道排水溝靠馬道內(nèi)側(cè)布置，采用C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)，矩形斷面，斷面尺寸為0.5 m×0.5 m(寬×深)，布置長度為1 768 m。

3) 頂部平臺排水溝

渣場頂部平臺面積約為5.2 hm2，為疏導(dǎo)平臺地表匯水，在其靠外側(cè)邊坡邊緣2～3 m處布置頂部平臺排水溝，排水溝采用生態(tài)植草溝，寬淺弧形斷面，斷面尺寸為3.3 m×0.3 m(寬×深)，布置長度為722 m。

4) 排水盲溝

堆渣前、清表后在渣場底部修建排水盲溝，排導(dǎo)渣體滲水，盲溝采用碎石、塊石盲溝及級配砂反濾層鋪筑，底層碎石、塊石盲溝深約2 m，上部反濾層由200 mm厚粗砂層、100 mm厚中細(xì)砂層及土工布組成。盲溝長為750 m，末端接DN1000Ⅲ級鋼筋砼排水管穿過擋渣墻，排往下游溝道。

3.4 植被綠化工程

渣場堆置完成后，堆渣平臺采取喬、灌、草多層次混交造林進(jìn)行植被恢復(fù)，頂部平臺采取種植喬木、灌木及撒播草籽造林方式，堆渣邊坡采取噴播灌草方式。渣體石渣較多，為避免水肥滲漏流失，植物措施實(shí)施前，先進(jìn)行場地平整和覆土回填等土地整治措施，其中坡面覆土厚度為0.1～0.15 m，頂部平臺覆土厚度為0.2 m～0.3 m，灌木穴植填土厚度為0.3 m，喬木穴植填土厚度為0.5 m。

結(jié)合立地條件及植被特點(diǎn)，選擇當(dāng)?shù)馗蛋l(fā)達(dá)、耐貧瘠、抗病強(qiáng)、分蘗快、耐干旱的優(yōu)良鄉(xiāng)土樹種[9-11]。喬木選擇馬尾松、側(cè)柏、櫟類及黃連木等，地徑5 cm以上，株行距為2 m×6 m；灌木選擇茶、郁李、忍冬等，苗高為60 cm、冠幅為55 cm以上，株行距為1.5 m×2.0 m；草種選擇狗芽根、結(jié)縷草、百喜草及本地雜草混種，平臺草籽撒播量為50 kg/hm2，邊坡噴播灌草量為250 kg/hm2。

3.5 臨時(shí)防護(hù)工程

1) 臨時(shí)排水工程。渣場采取自下至上方式堆置，上游側(cè)截水溝未修筑完善前，為及時(shí)疏導(dǎo)大雨時(shí)場內(nèi)及上游側(cè)邊坡雨水，避免上游側(cè)坑洼積水浸泡渣體，避免堆渣平臺和邊坡遭沖刷，在堆渣體上邊坡及堆渣平臺布置臨時(shí)排水溝導(dǎo)排，接入兩側(cè)已修筑的截水溝(邊溝)內(nèi)。臨時(shí)排水溝采用梯形斷面，提前預(yù)留實(shí)施，斷面尺寸為1.0 m/0.5 m×0.5 m(頂寬/底寬×高)，采取砂漿護(hù)面。需緊急開溝排水時(shí)，水溝開挖后，可采取鋪襯土工布防沖刷。

2) 臨時(shí)攔沙工程。為減少渣場泥沙隨雨水輸移，在渣場下游約50 m處，地勢較開闊、溝底較緩段設(shè)一攔沙坎，攔沙坎采用鋼筋石籠“品”字形碼放，石籠寬高均為1 m，碼放2層，上游面鋪襯反濾土工布。大雨前后及時(shí)清淤，其余時(shí)間根據(jù)淤積情況進(jìn)行清淤，泥沙運(yùn)至渣場晾干、堆置。

3) 臨時(shí)苫蓋工程。堆渣期間做好晴雨預(yù)報(bào)，大雨來臨之前，在未壓實(shí)、易遭沖刷的堆渣邊坡、填渣作業(yè)區(qū)采用土工布、塑料彩條布等進(jìn)行臨時(shí)苫蓋，避免松散渣體遭沖刷滑塌和產(chǎn)生大的水土流失。

3.6 渣場穩(wěn)定性驗(yàn)算

1) 渣場抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算

正常運(yùn)用工況：棄渣場在正常和持久的條件下運(yùn)用，棄渣場處在最終棄渣狀態(tài)時(shí)，渣體無滲流或穩(wěn)定滲流[12]。

非常運(yùn)用工況Ⅰ：多雨地區(qū)的棄渣場還應(yīng)核算連續(xù)降雨期邊坡的抗滑穩(wěn)定，其安全系數(shù)按非常運(yùn)用工況采用[12]。

非常運(yùn)用工況Ⅱ：棄渣場在正常工況下遭遇Ⅶ度以上(含Ⅶ度)地震[12]。

計(jì)算參數(shù)：渣場地基及堆渣體的巖土物理力學(xué)參數(shù)，以地質(zhì)專業(yè)建議值為參考依據(jù)，渣場巖土物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 渣場巖土物理力學(xué)參數(shù)

正常運(yùn)用工況下，棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.35；非常運(yùn)用工況Ⅰ下，安全系數(shù)不小于1.25；非常運(yùn)用工況Ⅱ下，安全系數(shù)不小于1.15。

經(jīng)驗(yàn)算，所有工況均處于穩(wěn)定狀態(tài)，計(jì)算成果見圖5～圖7所示。

圖5 正常運(yùn)用工況抗滑穩(wěn)定計(jì)算示意

圖6 非常運(yùn)用工況Ⅰ抗滑穩(wěn)定計(jì)算示意

圖7 非常運(yùn)用工況Ⅱ抗滑穩(wěn)定計(jì)算示意

2) 擋渣墻穩(wěn)定性驗(yàn)算

計(jì)算參數(shù)：墻體材料容重為25 kN/m3，墻后渣土內(nèi)摩擦角為30°，墻后渣土粘聚力為10 kPa，墻后渣土容重為19 kN/m3，墻背與墻后填土摩擦角為17.5°，地基巖土容重為26.9 kN/m3，地基巖土內(nèi)摩擦角為45°。擋墻基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化基巖上：地基承載力不小于800 kPa。墻后渣土水下內(nèi)摩擦角為25°，墻后渣土水下粘聚力為6 kPa，墻后渣土浮容重為9 kN/m3，地基巖土浮容重為16.9 kN/m3。

擋渣墻建筑物級別為2級，基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化基巖上，正常應(yīng)用工況下，擋渣墻的基底抗滑、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不小于1.30、1.50；非常運(yùn)用工況下，擋渣墻的基底抗滑、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不小于1.10、1.40。

經(jīng)驗(yàn)算，正常運(yùn)用工況、降雨工況及地震工況下，擋渣墻抗滑、抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。擋渣墻穩(wěn)定計(jì)算成果見表3。

表3 擋渣墻穩(wěn)定計(jì)算成果

4 結(jié)語

棄渣場是抽水蓄能項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，渣場設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合場地條件，因地制宜，科學(xué)防治，通過采用攔渣、防洪排導(dǎo)以及臨時(shí)排水、沉沙、苫蓋等措施，減少工程建設(shè)過程中的水土流失，避免造成危害；植被恢復(fù)選用適生優(yōu)良的鄉(xiāng)土種，做好土地整治，提高成活率，防治水土流失的同時(shí)，美化、改善棄渣場及周邊生態(tài)環(huán)境。