朱岔峡水电站 2号弃渣场边坡稳定度分析与水土保持措施

马晓燕,邸 利,傅志娥,侯 涛,张 富,胡晓红

(1.甘肃农业大学资源与环境学院,甘肃兰州 730070;2.武威市水土保持工作站,甘肃武威 733000;3.甘肃农业大学林学院,甘肃兰州 730070;4.天祝县水土保持工作站,甘肃天祝 733015)

朱岔峡水电站 2号弃渣场边坡稳定度分析与水土保持措施

马晓燕1,邸 利1,傅志娥2,侯 涛3,张 富3,胡晓红4

(1.甘肃农业大学资源与环境学院,甘肃兰州 730070;2.武威市水土保持工作站,甘肃武威 733000;3.甘肃农业大学林学院,甘肃兰州 730070;4.天祝县水土保持工作站,甘肃天祝 733015)

弃渣场;边坡;稳定性;水土保持措施;朱岔峡水电站

在实地调查的基础上,对甘肃省大通河朱岔峡水电站 2号弃渣场边坡稳定度进行了分析与计算,结果表明:朱岔峡水电站 2号弃渣场边坡滑动稳定安全系数(K)为 0.19,远小于工程中一般要求的 1.25～1.35,属不稳定边坡。在防护措施布设上建议采用抗滑桩—钢索—铁丝笼带以增强边坡的稳定性,并在枯水期及时清理河道,以保障洪水期水流畅通,同时选择小叶杨、扁穗冰草等根系发达、适应性强的植物稳固边坡,防止新的水土流失发生。

自西部地区实施大开发以来,国家加强了对甘肃省水利设施建设的投资力度,先后投资建设了一批水利工程项目,这对甘肃省的经济发展起到了积极的拉动作用,但也会造成相当严重的水土流失。为使工程建设对环境的不利影响得到有效控制,对工程建设项目实时监测,对施工弃渣场边坡稳定度进行分析,依据分析结果采取相应的水土保持措施显得尤为重要。

1 项目区概况

大通河朱岔峡水电站位于甘肃省天祝藏族自治县境内大通河中游,甘青交界段扎隆口至金沙峡口河段,距兰州市约 200 km,距天祝藏族自治县县城约 100 km;是大通河青岗峡至金沙峡河段梯级开发的第三级水电站,为无调节低水头大流量径流引水式电站;装机容量为34MW,设计水头 38.0m,安装 3台机组,额定引用流量 102m3/s,年利用小时数为 4 218h,多年平均发电量为 1.434亿kW◦h;建设总工期为 25个月,主体工程施工期(包括施工准备期和竣工清理)为 24个月。该电站采用有坝引水的布置方式,坝顶高程为 2 213m,大坝长 121.30m、高16m;工程等级为 IV等,工程规模为小(一)型,枢纽工程主要建筑物为 4级,次要建筑物为 5级;工程由引水枢纽、引水系统和厂区三大部分组成,工程开发的主要任务是发电。

主体工程土石方开挖总量为 54.70万m3,平衡后弃渣总量42.17万 m3。该电站 2号弃渣场,经实测总堆渣量达 66.66万m3,边坡长达 75m,坡度达 75°。在实地监测过程中发现,堆渣使沟内原有植被遭到破坏,输电线路受到影响。另外,由于堆渣坡度过陡,有近 160m3的弃渣已滑入大通河河道,最宽处侵占了河道的 2/3。

2 朱岔峡水电站 2号弃渣场边坡稳定度分析

在进行朱岔峡水电站 2号弃渣场稳定度分析计算时,采用的数据主要来源于《甘肃省大通河朱岔峡水电站工程水土保持方案报告书(报批稿)》和实地监测。选取的数据有:①弃土、弃石、弃渣量;②弃渣场边坡稳定度测量计算数据;③弃土、弃石、弃渣场必需的生物措施面积;④弃渣场布设的工程措施规格及其工程量。

2.1 土坡滑动失稳的机理

一般弃渣场土坡滑动失稳的原因有两种:一是外力的作用破坏了土体内原来的应力平衡状态[1-2]。如路堑或基坑的开挖,使土体自身的重力发生变化,改变了其原有的应力平衡;路堤的填筑或土坡面上有堆料、车辆荷载时,土坡内部的应力状态会发生改变;另外,土中的渗流力或邻近打桩施工扰力等的作用,也会破坏土体原有的应力平衡,促使土坡滑塌。二是土体的抗剪强度受外界因素的影响而降低,导致土坡失稳[3]。如外界气候等自然条件的变化,造成土体时干时湿、收缩膨胀、冻结融化等,从而使土质变松,抗剪强度下降;土体还会因雨水的渗入而降低其抗滑性;土坡附近施工引起的震动,如打桩、爆破等也会造成土体抗剪强度降低。

2.2 砂性土坡的稳定性分析

根据实际观测,朱岔峡水电站 2号弃渣场的弃渣为均质砂性土,而由均质砂性土构成的土坡,破坏时滑动面大多近似于平面。因此,在分析朱岔峡水电站 2号弃渣场边坡稳定性时,可假定滑动面是平面(如图 1所示)。

图1 砂性土坡

2.3 朱岔峡水电站 2号弃渣场边坡稳定性分析

如图 1所示的简单土坡,已知土坡高为 H,坡角为 m,土的重度为 γ(γ=gρ),土的抗剪强度 τf=σtanφ(σ表示正应力,φ表示内摩擦角)。若假定滑动面是通过坡脚A的平面AC,AC的倾角为 n,则可计算滑动土体ABC沿AC面上滑动的稳定安全系数 K值[1,4]。

安全系数K随倾角n的变化而变化,当 m=n时滑动稳定安全系数最小。据此,朱岔峡水电站 2号弃渣场滑动稳定安全系数可取为

朱岔峡水电站 2号弃渣场坡角 m=75°,根据现场踏勘,该工程弃渣场弃渣主要为砂性土,参照科研报告工程地质内容,确定弃渣场内摩擦角 φ=35°[5],故可有

而工程中一般要求 K值为 1.25～1.35[5]。因此,朱岔峡水电站 2号弃渣场边坡不稳定。

3 朱岔峡水电站 2号弃渣场水土保持措施

为使弃渣场边坡趋于稳定,应及时疏通河道,采取有效的水土保持工程措施及植物措施固定边坡,积极预防在丰水期或其他外力影响下造成弃渣滑塌。

3.1 工程措施

根据实地测量和对朱岔峡水电站 2号弃渣场边坡稳定状况的分析,最初我们选择了两种水土保持工程措施,即在大通河左岸修筑挡渣墙和在弃渣场边坡面上布设抗滑桩—钢索—铁丝笼带。在大通河左岸修筑挡渣墙是防止弃渣场弃渣滑落的有效措施,不仅能够有效、长期地防止滑落,而且可以加固河岸,但经过分析发现直接在左岸修筑挡渣墙是不可取的,因为近 80m长的左岸,在坡长超过 20m的情况下未采取分级处理措施,加之堆渣坡度过陡,极易使弃渣滑入河道;同时,修筑挡渣墙需开挖基础,而挡渣墙基础埋深至少需 1.5m[4,6],这会使施工难度增大。在权衡考虑施工过程中不会造成新的滑塌(或造成滑塌的程度在人为可控制的范围内),以及降低施工难度和有利于河道清理等的基础上,我们认为选择布设抗滑桩—钢索—铁丝笼带对朱岔峡水电站 2号弃渣场进行防护比较合理。且经实践检验抗滑桩—钢索—铁丝笼带有以下优势:①柔性的结构能适应边坡的变动而不被破坏,比刚性结构具备更好的安全稳定性;②抗冲刷能力较强,能承受最大的水流速度达 6 m/s;③该结构具有透水性,对河水具有较强的过滤作用;④抗滑桩与钢索合并使用,可以使铁丝笼带承压的能力大大增强,确保不会发生新的滑塌。

设计的抗滑桩—钢索—铁丝笼带是沿坡面分级布设的,从坡脚沿坡面向上按一定距离排列(图2)。

图2 抗滑桩—钢索—铁丝笼带布置示意图

在施工过程中,注意要采用震动力小、可凿一定深度的工具实现抗滑桩的安装,尽量避免碎石的滑落,要使用高质量材料,以增加使用年限。

3.2 植物措施

3.2.1 植物种选择

参照本地区的水土保持规划及林业区划,结合现有自然及人工植被状况,建议乔木选用油松、云杉、小叶杨、红桦等,草本可选用扁穗冰草、紫花苜蓿、高羊茅、黑麦草等。由于弃渣场立地条件差,所以最为适宜的树种是小叶杨,草种为扁穗冰草[7]。另外,由于项目区地处甘肃祁连山国家级自然保护区实验区,树草种最好为保护区现有品种,不宜引入外来树种和草种。

3.2.2 植物措施布设

(1)配置方式。合理利用弃渣场恢复后的空地,统筹规划成条块,然后种植草坪,在草坪的中间和外围栽植小叶杨、油松或云杉;在弃土弃渣边坡、顶部平台等部位布设根系发达、耐寒、耐瘠薄、易成活的水土保持树种、草种。

(2)种植方法与季节。小叶杨、油松、云杉等选择在春季进行植苗造林,带土栽植,株行距为 3m×3m;草种在 4～5月降透雨后播种,播种前需细整地,然后撒播草籽,播种量为 45～75 kg/hm2,播后覆土 2～3 cm,适当镇压。

3.3 河道清理

布设的抗滑桩—钢索—铁丝笼带防护措施可有效防止坡面崩塌或滑坡,但经实地观测发现,仍有部分弃渣滑入河道。因此,及时有效地清理侵占河道的弃渣可减少因施工引起的滑落与坍塌,保护河岸及公路的安全,需要注意的是要在未进入丰水期前进行河道清理。

3.4 抛石护脚工程

在设计抛石护脚工程时应考虑块石规格、稳定坡度、抛护范围和厚度等问题。要采用坚硬的石灰岩、花岗岩等作为护脚块石,不得采用易风化易碎的岩石;块石尺寸以能抵抗水流冲击、不被冲走为原则,可根据护岸地点洪水期的水流流速、水深等实测资料,以一般起动流速略估,通常取块石直径 20～40 cm,并掺合一定数量的小块石,以堵塞大块石之间的缝隙[8-9]。

抛石护脚的稳定坡度除应保证石块本身的稳定外,还应保证石块平衡土坡的滑动力,因此须结合石块的临界休止角和沟岸土质在饱和情况下的稳定边坡来考虑。石块在水中的临界休止角可定为 1∶1.4～1∶1.5;沟岸土质在饱和情况下的稳定边坡可参考实测资料确定,沙质沟床可定为 1∶2。抛石护脚工程的设计边坡应缓于临界休止角,等于或略陡于饱和情况下的稳定边坡,在一般情况下应不陡于 1∶1.5～1∶1.8(若水流顶冲严重,则取较大比值)[10]。在接坡段,为稳定边坡加抛顶宽为 2～3m的平台。

抛石厚度与工程的效果与造价的关系极为密切。目前一般规定的抛石厚度为 0.4～0.8m,若沟坡陡峻(局部陡坡陡于1∶1.5,重点险坡陡于 1∶1.8),则需加大抛石厚度。

4 结 论

(1)朱岔峡水电站 2号弃渣场滑动稳定安全系数(K)为0.19,边坡不稳定,需要采取相应的工程措施与植物措施固定边坡,以防止崩塌及滑坡的发生。

(2)依据朱岔峡水电站 2号弃渣场边坡稳定性分析和实地勘察,建议选择布设抗滑桩—钢索—铁丝笼带防护措施。

(3)根据甘肃省水土保持区划,并参照本地区的水土保持规划及林业区划,结合现有自然及人工植被的生长情况及弃渣场的立地条件,采取植物措施时适宜选择的树种为小叶杨、草种为扁穗冰草。

(4)抗滑桩—钢索—铁丝笼带防护措施布设后,未进入丰水期就应及时清理河道。

(5)设计抛石护脚工程时,护脚块石要采用石质坚硬的岩石,块石直径一般取 20～40 cm,并可掺合一定数量的小块石;抛石护脚工程的设计边坡应缓于临界休止角,等于或略陡于饱和情况下的稳定边坡,一般情况下应不陡于 1∶1.5～1∶1.8。抛石厚度一般为 0.4～0.8m,相当于块石粒径的 2倍。

目前,朱岔峡水电站各项建设及收尾工作陆续完成,但由于施工难度和经费等问题,2号弃渣场至今既未治理坡面,也没清理河道,这将会给大通河左岸公路留下安全隐患,一旦发生崩塌或滑坡,便会形成堰塞湖,从而造成巨大的经济损失。因此,对朱岔峡水电站 2号弃渣场及时采取合理、经济、有效的水土保持措施十分重要。

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S157.2

C

1000-0941(2011)05-0053-03

中国—全球环境基金项目(GEF/OP12);甘肃省自然科学基金暨中青年科技基金项目(3ZS061-A 25-011);甘肃省科技厅国际合作项目(1011WCGA 171)

马晓燕(1986—),女,甘肃武威市人,硕士研究生,主要从事水土保持研究;通信作者邸利(1961—),女,北京市人,教授,主要研究方向为水土保持与荒漠化防治。

2011-01-15

(责任编辑 孙占锋)