某水電站棄渣場綜合治理

李映霞，李劍武

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院,貴州 貴陽 550081）

1 工程概況

某水電站位于貴州省威寧縣境內,系該流域中下游河段規劃梯級的第三級水電站。該水電站主要開發任務為發電,水庫總庫容2.484 億m3,總裝機容量為240 MW,保證出力為47.42 MW,多年平均發電量為9.30 億kW·h,年利用小時為3875 h。電站死水位高程為1370 m,正常蓄水位高程為1405 m。

2 棄渣場選址及規劃

2.1 棄渣場選址

本工程主體加臨建工程土石方開挖總量約326.9 萬m3（松方）。根據工程需要和現場實際地形,在壩址右岸上游庫區內和壩址下游右岸分別擬選一個棄渣場進行比較,兩棄渣場分別命名為上游田壩棄渣場和下游棄渣場。田壩棄渣場和下游棄渣場規劃容量分別為336.74 萬m3、25 萬m3。根據水文資料表明,下游棄渣場沖溝洪水設計流量較大,沖溝排水設施工程量大,且規劃設計棄渣容量較小,不適宜作為本工程的棄渣場,故選擇右岸上游的田壩棄渣場作為本工程的唯一棄渣場。

2.2 棄渣場規劃

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

棄渣場規劃需同時滿足坡體穩定及容量要求,根據工程經驗,本棄渣場的具體規劃如下：棄渣場上游迎水坡面共兩個梯級,每梯級坡比為1∶2.0,第一梯級高15 m,第二梯級高14 m,馬道寬6 m；棄渣場中部坡面共四個梯級,每梯級坡比均為1∶1.75,第一至第三梯級高均為15 m,第四梯級高為14 m,各馬道寬6 m；棄渣場下游坡面共四個梯級,每梯級坡比均為1∶1.6,第一至第三梯級高均為15 m,第四梯級高為14 m,各馬道寬6 m。棄渣場上游坡面坡腳及下游坡面坡腳均設置有擋渣壩。

3 棄渣場綜合治理

3.1 棄渣場穩定分析

3.1.1 計算要求及計算工況

棄渣場的穩定性是渣場設計合理與否的基本條件之一。根據棄渣場的布置,借助理正巖土工程軟件,對堆渣體進行穩定計算,驗證棄渣場設計是否合理、安全,確保棄渣場設計滿足安全要求。

根據相關規范要求[1]、棄渣場與樞紐主體工程之間的位置關系,本棄渣場屬于水庫Ⅲ級邊坡。根據規范要求,棄渣場在持久狀況、短暫狀況及偶然狀況下的最小安全系數分別為1.10、1.05 及1.00。

本渣場位于壩址上游,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的穩定性分析,各工況下最小穩定安全系數要求見表1。

表1 各工況下最小穩定安全系數

3.1.2 計算方法及基本參數

堆渣體為松散的土石渣,其可能發生的破壞模式為土質圓弧滑動。根據規范規定：黏性土,混合土和均質堆積物宜按圓弧滑面計算,宜采用下限解法做穩定分析,推薦采用簡化畢肖普法求解最危險滑面和相應安全系數,也可以采用詹布法。因此,本邊坡穩定計算分析采用平面極限平衡下限解法,采用簡化Bishop 法求解最危險滑面和相應安全系數,計算簡圖見圖1。

圖1 計算簡圖

工程區地震基本烈度為Ⅶ度,根據類似工程經驗及《某水電站工程可行性研究報告》,基巖及堆渣體在不同狀態下的物理力學參數見表2。

表2 不同狀態下的物理力學參數

3.1.3 計算結果

各工況下堆渣體邊坡穩定計算結果見表3,均滿足規范要求。

表3 各工況下設計穩定安全系數

3.2 坡面護坡設計

為防止水土流失或保證邊坡穩定性,需對棄渣場進行坡面護坡設計。棄渣場常用的護坡方式主要有三種：框架護坡、漿砌石護坡及干砌石護坡。其中框架護坡對提高邊坡的穩定性有一定的作用,多用于邊坡穩定安全系數富裕度不高的情況,本棄渣場穩定安全系數富裕度較高,從節省工程投資的角度考慮,不宜采用框架護坡。漿砌石護坡適用于有防滲要求的情況,而干砌石護坡適用于水位變化頻繁和有風浪侵蝕的情況,且干砌石為柔性結構,較漿砌石護坡更能適應基礎的變化,故耐久性優于漿砌石。本棄渣場上游坡面為迎水面,中部坡面部分位于消落帶內,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,因此本棄渣場采用干砌石護坡,干砌石厚度為40 cm。

另外,渣場棄渣完成后,根據水土保持要求,將對上游棄渣場頂部進行覆墾。

3.3 排洪工程設計

3.3.1 防洪標準及設計流量

防洪設計標準及相應洪水流量是排水斷面設計的主要計算條件,需根據相關規范[2]要求確定渣場的防洪設計標準。

綜合考慮渣場容量、堆渣高度、可能對下游造成的危害、經濟合理和安全可靠的相關因素,該渣場屬特大型渣場,其運行期防洪設計標準P=2%～1%。由于本棄渣場下游附近無密集居民區及重要水工建筑物,其防洪設計標準按P=2%考慮。工程施工期棄渣場的防洪標準一般不超過5 年一遇,但考慮到該棄渣場規模較大,其施工期防洪標準按10 年一遇考慮。本棄渣場防洪設計標準及相應的設計流量見表4。

表4 渣場設計標準

3.3.2 施工期排洪設計

本棄渣場上游匯水面積大,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）對施工期洪水進行引排。本棄渣場為河谷類庫底型渣場[3-5],長約1.3 km,且渣體堆高較高,施工期適宜采用庫底排水涵進行排洪。

根據地形,排水涵出口頂板高程為1302.60 m,低于長枯水位,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）,滿足有壓流計算條件,說明計算理論及尺寸選擇合適。

3.3.2 運行期排洪方案比選

庫區50 年一遇淤沙高程為1335.00 m,遠高于排水涵出口高程,電站運行一段時間后將被淤堵,因此還需設置運行期排洪設施引排洪水。根據地形、棄渣場布置及與周邊建筑物關系等特點,棄渣場運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

棄渣場右岸地形相對較緩,故右岸具備設置排洪明渠的地形條件,且棄渣場中部坡面右側為玄武巖石料場,終采平臺高程為1365 m,可將排洪明渠出口設置在石料場邊坡上,采用臺階消能將洪水引入石料場終采平臺。排洪明渠長530 m,經計算,為盡量減少明渠右側邊坡開挖及支護工程量,排洪明渠進口需設置在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,明渠基礎局部落在棄渣上,存在基礎不均勻沉降而導致明渠開裂問題,另外明渠出口附近有一較大深切沖溝,覆蓋層較深,該處明渠基礎處理較為困難,且出口處需要原石料場進行側向開挖,開挖及支護工程量較大。右岸覆蓋層及玄武巖強風化層較深,且基礎存在不均勻沉降問題,因此排洪明渠需采用鋼筋混凝土結構。該方案中原設計連接棄渣場左右岸的右岸7#公路需橫跨排洪明渠,因此需將7#公路接入點處排洪明渠設置為橋涵。

（2）右岸排水隧洞

因棄渣場中部坡面右側為玄武巖石料場,亦可采用排水隧洞將上游洪水引入石料場終采平臺,隧洞長約615 m。根據渣場上游地形、電站正常蓄水位、石料場規劃及其地質條件分析,排水隧洞出口頂拱宜設置在1405.00 m 高程,為防止庫區水位倒灌至棄渣場上游,排水隧洞進口底板高程設置為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）,滿足有壓流計算條件,過流凈斷面尺寸選擇合適。

（3）左岸排水涵

棄渣場左岸地形較陡,不具備設置排洪明渠的條件,左岸棄渣場規劃范圍內有一條6 m 寬的鄉村道路,路面高程約為1405 m,可考慮利用鄉村道路作為基礎設置運行期排水涵,以減少開挖支護及基礎處理工程量。排水涵出口需引至下游棄渣場,但對下游棄渣場存在沖刷問題,需設置消能設施。因排水涵出口位于正常蓄水位以下,故屬淹沒出流。根據地形,排水涵進口底板高程設置在1409.50 m,出口高程為1405.00 m,排水涵出口至下游渣場之間設置明渠引至下游棄渣場,明渠底板設置成臺階,且明渠出口需做防沖設施,排水涵及出口明渠總長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）,滿足有壓流計算條件,且上游雍高水位為1426.16,低于上游棄渣場終了高程1429.00 m,不存在漫頂問題,說明計算理論及尺寸選擇合適。

（4）排洪方案選擇

根據上述分析,棄渣場運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。需綜合考慮基礎不均勻沉降、對棄渣場整體穩定的影響、對下游棄渣場的影響、對周邊建筑物的干擾及工程投資等因素,選擇安全、合理、經濟的排洪方案。各排洪方案綜合比較見表5,本棄渣場推薦采用右岸排水隧洞方案。

表5 運行期各排洪方案綜合比較

4 結語

棄渣場綜合治理設計中,應充分考慮棄渣場地形地質情況及與周邊建筑物的關系等特點,進行合理的規劃設計,以滿足堆渣邊坡穩定及堆渣容量的要求。對于位于庫區的河谷類庫底型棄渣場,在設計過程中,需特別注意隨著工程面貌的變化,棄渣場下游及排洪設施出口處庫區水位的變化,以及淤沙高程等對棄渣場邊坡穩定及排洪工程過流能力影響,從而選擇安全、經濟、合理的排洪設計方案。