新疆波波娜電站棄渣體滑動穩(wěn)定性分析與防治措施

鄒 維

(新疆水利廳水保中心,新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

波波娜電站位于新疆和田地區(qū)喀拉喀什河中游河段,是新疆“十一五”規(guī)劃重點(diǎn)工程。工程主要由攔河引水樞紐、引水發(fā)電洞、調(diào)壓井、地面廠房和尾水洞渠等建筑物組成。水庫總庫容398.65萬 m3,裝機(jī)容量150MW。工程總投資11.1億元,其中土建投資4.6億元。工程于2006年10月開工建設(shè)。

在發(fā)電引水洞和 4號施工支洞爆破施工時(shí),洞內(nèi)的大量棄渣由汽車?yán)\(yùn)至洞口后就近傾倒,經(jīng)過幾年不斷傾倒和堆積,再經(jīng)過機(jī)械推平和碾壓,堆積面積和體積不斷擴(kuò)大,在洞口逐漸形成了一個(gè)由棄渣堆積形成的梯形臺體。整個(gè)棄渣體約155.49萬m3,占地面積81837.70m2,最大堆積高度達(dá)110m左右(見圖1)。

工程水土保持監(jiān)測工作始于2007年。監(jiān)測人員發(fā)現(xiàn)在 4號施工支洞口堆積有大量棄渣,沿山坡堆積成梯形臺體。在臺體頂面邊緣,多條橫向張性裂隙發(fā)育,裂面呈鋸齒狀,開口寬度1～5 cm,臺體表面邊緣部分已向下滑動,出現(xiàn)陷落和塌滑現(xiàn)象,其他地段也有進(jìn)一步向下滑動跡象。2010年夏,項(xiàng)目區(qū)降水量較往年普遍增多 40%左右,平均降水量達(dá)到134.8mm,特別是在 9月23～25日,出現(xiàn)了罕見的持續(xù)多日降雨現(xiàn)象,降水量達(dá)到46.5mm,大量雨水滲透進(jìn)入到棄渣體內(nèi)部,導(dǎo)致該棄渣體前緣出現(xiàn)了部分滑動,滑動方量在1萬 m3左右。

圖1 棄渣體堆放剖面

2 棄渣體特征

2.1 地形地貌

棄渣體堆放處地形坡度 30°～50°,傾向 SE,表層是結(jié)構(gòu)松散的風(fēng)積沙土,地表裸露,無植被覆蓋,結(jié)構(gòu)松散,易出現(xiàn)滑動,且棄渣體位于調(diào)壓井下方半山腰處,棄渣頂面至地面最大垂直高差在110m左右,傾向與坡向一致,棄渣體坡度在 36°左右。棄渣體距山下的伊蘭拉克沖溝的水平距離僅250m左右,棄渣底面距伊蘭拉克沖溝垂直深度約150m。分析以上地貌特征得知,在此傾倒棄渣不僅會引起水土流失,也不符合水土保持的要求;從工程角度考慮,不利于棄渣體的穩(wěn)定,極易引起滑坡等現(xiàn)象。因此在 4號施工支洞口不能傾倒棄渣,更不便于棄渣體永久堆放。

2.2 地層巖性

棄渣堆放處地表覆蓋有0.2～1.0m厚的風(fēng)積沙土,呈干燥和松散狀態(tài);下覆基巖為云母石英片巖夾綠泥石片巖,薄層狀結(jié)構(gòu),片狀構(gòu)造,巖石片理發(fā)育,片理面為主要結(jié)構(gòu)面,屬中硬巖,巖層走向57°～70°SE40°-55°。棄渣表面為機(jī)械碾壓后破碎的沙石,下部大多呈現(xiàn)5～20cm之間的不規(guī)則塊狀,巖性為云母石英片巖,結(jié)構(gòu)較為松散。

2.3 工程地質(zhì)

在棄渣堆放處的巖體沒有大的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。在棄渣堆放體邊緣部分,由于雨水滲透等影響,部分細(xì)小顆粒隨雨水流失,導(dǎo)致棄渣體邊緣部分地段下滑失穩(wěn),因而在邊緣處出現(xiàn)一些橫向發(fā)育的張性裂隙,裂面呈鋸齒狀粗糙不平,開口呈“V”字形,深度2～5 m,傾角大都呈直立狀。主要裂隙走向如下:

(1)L1:距棄渣體邊緣0.3～0.6m,裂隙開口寬 0.1 ～0.35m,長15 m,走向 NE30°-45°;

(2)L2:距棄渣體邊緣1～1.8m,裂隙開口寬0.01～0.1m,長5m,走向 NE15°,由于雨水滲透作用,在裂隙局部地方已形成直徑為0.02～0.05m的漏斗狀;

(3)L3:距棄渣體邊緣1.5～2.0m,開口寬0.05～0.1m,長 3m,走向 NE30°,由于雨水滲透作用,在裂隙局部地方已形成直徑為0.02～0.05m的漏斗狀;

(4)L4:距棄渣體邊緣2.0～4.5m,裂隙開口寬0.01～0.1m,長15 m,走向 NE15°,有的地方已形成直徑為0.02～0.05 m的漏斗狀。

2.4 水文地質(zhì)

棄渣體主要是由直徑5～20cm的不規(guī)則多邊體塊狀組成,呈空隙多、無膠結(jié)、凝聚力低、密實(shí)程度不夠等狀況,因此結(jié)構(gòu)較為松散,滲透性強(qiáng),穩(wěn)定性差。

當(dāng)?shù)貧夂蚋稍?無地表徑流和地下水出露。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笥^測資料統(tǒng)計(jì),多年平均降水量80.7 mm;日最大降水量26.6 mm,降雨四季(春、夏、秋、冬)分配比例為14%、53%、17%和16%。降水主要集中于5～8月,占年降水量的 69%,因此在5～8月或雨水比較集中的時(shí)段,該棄渣體出現(xiàn)滑動的概率會更高。

3 棄渣體滑動的誘發(fā)因素

經(jīng)過對棄渣體的監(jiān)測分析,在項(xiàng)目區(qū)能引起棄渣體邊坡滑動的主要因素包括:雨水滲透、荷載增加、人為擾動和結(jié)構(gòu)松散。

3.1 雨水滲透

由于棄渣體是由施工爆破后形成的直徑5～20cm的不規(guī)則塊狀的棄渣組成,棄渣表面防水性較差,棄渣體結(jié)構(gòu)較為松散,滲透性較強(qiáng)。一旦遭遇雨水,棄渣體內(nèi)便會聚積大量水分,在重力作用下,雨水帶走細(xì)小顆粒,逐漸形成滲漏通道,使棄渣體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為松散,帶動棄渣體向下滑動。

3.2 荷載增加

由于棄渣體堆積面積和體積在不斷擴(kuò)大,在棄渣體邊緣部分,松散的結(jié)構(gòu),加之機(jī)械擾動,已無法支撐不斷增加的上部棄渣體重量,使棄渣體邊緣開始滑動。

3.3 人為擾動

大量塊狀棄渣呈松散結(jié)構(gòu)狀態(tài)覆蓋在棄渣體邊緣部分,加之邊緣部分自由臨空,在坡角失去支撐情況下,受到施工車輛等人為擾動后,棄渣體邊緣部分很容易出現(xiàn)下滑現(xiàn)象。

3.4 結(jié)構(gòu)松散

由于棄渣體結(jié)構(gòu)較為松散,滲透性強(qiáng),穩(wěn)定性差,在降水、荷載增加、人為擾動等情況下,都會改變原來暫時(shí)的平衡狀態(tài),促使棄渣體邊緣向下滑動。

4 棄渣體穩(wěn)定性分析

4.1 計(jì)算條件

工程棄渣多為不規(guī)則的塊碎石,從安全角度出發(fā),可將其作為無粘性土考慮,計(jì)算條件如下:不計(jì)棄渣體凝聚力;假定棄渣體棄渣單一均勻;由于棄渣體滲透性較強(qiáng),假定棄渣體內(nèi)部的浸潤線與外界水位一致;計(jì)算工況為正常工況,即為棄渣完畢后的工況。

4.2 計(jì)算過程

依據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》,該棄渣體按照土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算,砂、碎石或礫石堆積物宜按平面滑動計(jì)算(見圖2),抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為內(nèi)摩擦角的正切值與坡角的正切值之比。即

式中 Kc為安全系數(shù);Q為塊體自重;β為邊坡坡角;φ為土層內(nèi)摩擦角或自然休止角。

圖2 滑動計(jì)算示意圖

經(jīng)過野外測量和試驗(yàn)得出:該棄渣的邊坡坡角為 36°,棄渣內(nèi)摩擦角或自然休止角為 34°;代入上式后得出:Kc=0.93。

4.3 計(jì)算結(jié)論

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL386-2007),當(dāng)邊坡坡角 β小于棄渣的內(nèi)摩擦角 φ時(shí),則棄渣是穩(wěn)定的,建議穩(wěn)定安全系數(shù)土質(zhì)邊坡為1.20～1.30。

由于棄渣體 β＞φ,且 Kc=0.93＜(1.20～1.30),因此,該棄渣體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)對棄渣體滑動的誘因分析,在降水量主要集中的5～8月,或單日降水量較大且持續(xù)時(shí)間較長的某個(gè)時(shí)段,是最易發(fā)生棄渣體滑動的時(shí)段。

5 棄渣體防治措施

在采用現(xiàn)有棄渣場的情況下,針對該棄渣體的特點(diǎn)和滑動誘因,為減少水土流失和增強(qiáng)棄渣體的抗滑穩(wěn)定性而采取了如下措施。

(1)增加棄渣的密度。采用機(jī)械在棄渣體表面反復(fù)碾壓,改變現(xiàn)有棄渣體內(nèi)部的塊體結(jié)構(gòu),使棄渣體原有塊體破碎成粒徑較小的碎石土,將較為細(xì)小的顆粒擠壓填充到粗顆粒的孔隙中,從而排走空氣,使棄渣體內(nèi)碎石之間結(jié)合得更為密實(shí),增加棄渣體密度,減小棄渣體內(nèi)部孔隙率,堵塞雨水滲漏通道,增強(qiáng)棄渣體抗滑穩(wěn)定性。

(2)提高棄渣表面防滲性。一方面,通過機(jī)械碾壓提高棄渣體表面防滲性;另一方面,在棄渣體表面鋪灑防滲性較好的黃土,防止雨水大量下滲到棄渣體內(nèi)部,同時(shí)修建排水溝,做好棄渣體表面雨水排泄和疏導(dǎo),起到積極的抗滑穩(wěn)定作用。

(3)增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性。修理?xiàng)壴w邊坡,使棄渣體邊坡坡度達(dá)到允許范圍之內(nèi)。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)手冊》,碎石土在松散狀況,塊徑小于25 cm的情況下,邊坡高度在20～30m的允許邊坡值應(yīng)為1∶1.50～1∶1.75(即 33°41′～29°45′),在安全穩(wěn)定值范圍內(nèi),可阻止其下滑。

(4)修筑擋渣墻。在棄渣體的坡腳修筑擋渣墻,增加棄渣體的抗滑系數(shù),可有效防止棄渣體向下滑動,同時(shí)也阻止了棄渣體面積的進(jìn)一步擴(kuò)大,減少了水土流失。

(5)停止傾倒棄渣。按照水土保持方案的要求,必須停止繼續(xù)在 4號施工支洞口傾倒棄渣,減輕棄渣體上部荷載,遏制棄渣體繼續(xù)下滑的勢頭。

(6)減少擾動。減少停放在棄渣體的機(jī)械和設(shè)備,并減少施工車輛在棄渣體表面的擾動,防止棄渣體出現(xiàn)下滑現(xiàn)象。

6 結(jié) 語

根據(jù)對該棄渣體事前進(jìn)行的穩(wěn)定性分析,建設(shè)單位采取了必要的預(yù)防措施,因而此次棄渣體滑動沒有給工程造成嚴(yán)重?fù)p失,也沒有出現(xiàn)人員傷亡情況,得到主管單位的高度肯定。目前,該棄渣體在部分地段仍有繼續(xù)滑動跡象,因此需要建設(shè)單位按照棄渣體的防治措施要求,繼續(xù)實(shí)施防治措施,阻止棄渣體繼續(xù)下滑,徹底消除該棄渣體對發(fā)電廠的安全威脅。