水电站特大型弃渣场水土保持措施设计研究——以俄德西沟特大型弃渣场为例

史小栋，朱永刚，操昌碧

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 611130)

· 生态环境 ·

水电站特大型弃渣场水土保持措施设计研究
——以俄德西沟特大型弃渣场为例

史小栋，朱永刚，操昌碧

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 611130)

西南土石山区水电工程的建设具有弃渣场选址困难、弃渣量大等特点，电站工程建设过程中如何防治弃渣场的水土流失是整个水电站工程水土流失治理工作的重点和难点，弃渣场区水土流失防治措施的设计直接关系到整个渣场水土流失防治工作的成败。以叶巴滩水电站俄德西沟弃渣场为例，通过分析本渣场泥石流防治工程、拦挡工程以及排洪工程防护标准和等级，对本渣场泥石流防治措施和水土保持措施进行了设计。

水电站；泥石流沟；弃渣场；措施设计

1 引 言

水电工程开发和建设具有弃渣场选择困难、弃渣量及弃渣的水土流失危害较大等特点[1]。目前，由于对弃渣主要采取的处理措施为设置弃渣场集中堆放并加以防护，所以弃渣场的水土保持设计是水电工程水土保持设计的重中之重[2]。其水土流失防治措施的设计直接影响整个渣场水土流失防治工作的成败。在西南土石山区修建的水电站工程所形成的特大型弃渣场普遍堆放在沟道中，且较多受泥石流影响。如何防治泥石流对弃渣场的影响，是整个弃渣场工程水土流失防治工作的重点。从目前查阅的文献资料，其可借鉴的经验较少。现行水电行业规范对泥石流治理标准并无规定。目前的实际做法是参照国土资源行业标准确定，与水电行业的匹配度并不强，尤其是泥石流治理标准与渣场沟水处理标准的协调与衔接，更是值得进行深入研究[3]。

金沙江上游叶巴滩水电站位于四川省甘孜州白玉县、西藏自治区昌都地区贡觉县和江达县境内，工程等级为Ⅰ等大(1)型工程。水电站共规划布置了两个特大型弃渣场，俄德西沟弃渣场为其中之一。根据审批的《金沙江上游叶巴滩水电站水土保持方案报告书》[4]设计成果，该弃渣场为沟道型，且受泥石流的影响。本文以金沙江上游叶巴滩水电站俄德西沟弃渣场为例，综合分析该渣场的防治措施标准及等级，进而系统设计弃渣场泥石流和水土保持工程防治措施。该工程的设计实践经验可为今后同类工程涉及到的沟道型、特大型弃渣场水土保持措施设计提供借鉴。

2 弃渣场概况

叶巴滩水电站共规划布设了两个特大型弃渣场，俄德西沟弃渣场为其中之一。由于工程区附近谷坡陡峻，平缓阶地匮乏，俄德西沟弃渣场不仅要解决工程弃渣问题，还需提供必需的施工场地来满足工程建设需要，因此本渣场的选址方案唯一。

本渣场位于水电站坝址下游俄德西沟内，距坝址约2.5km，见图1。占地类型主要以林地、草地和水域及水利设施用地为主，占地面积40.14hm2。弃渣场容量为600万m3，堆渣量为595万m3，渣体坡脚高程为2 735m，分两区堆放，I区堆渣高程为2 850m，Ⅱ区堆渣高程为3 020m，最大堆渣高度达285m。主要堆放坝肩、俄德西沟料场、部分场内道路及俄德西沟弃渣场排水洞工程开挖的土石。

图1 俄德西沟弃渣场平面图Fig.1 Plane figure of Er de Xi channel dumping site

3 弃渣场自然环境

俄德西沟位于坝址下游，为金沙江左岸一级支流，平面上呈狭长的“长条”形，支沟较发育，但面积较小、长度较短，仅距离沟口约1.7km的右支沟和接近沟源区的左支沟面积稍大。

俄德西沟系典型的高山峡谷地貌，以高山深切河谷为主，沟谷平均比降1.78‰，比降较大。沟道内物理地质作用强烈，不良地质现象以两岸崩塌、滑坡为主，沟床和两岸松散堆积固体物质丰富。在较大降雨或暴雨情况下，紧靠沟边滑坡和蹦坡积块碎石易失稳，构成泥石流物源，且沟床堆积物在洪水冲刷和泥石流裹挟的情况下会形成泥石流物源。地质勘查资料显示俄德西沟是一条低频、降雨型沟谷泥石流沟。

俄徳西沟洪水主要由降雨形成，雨季一般出现在5月中旬至10月上旬，暴雨主要集中在6月和7月。鉴于俄徳西沟无实测洪水资料，邻近水文站与其面积相差较大，不宜作为推算设计洪水的依据。因此，设计洪水采用《四川中小流域暴雨洪水计算手册》进行推算。

俄徳西沟设计洪水成果详见表1。

表1 俄德西沟设计洪水成果表Tab.1 Er de Xi ditch design flood

4 工程防护标准及等级

根据《叶巴滩水电站工程区泥石流发育特征及其工程影响调查报告》，俄德西沟泥石流为降雨型沟谷型泥石流，为低频泥石流沟，总体处于衰退期，易发、中等危险；泥石流为稀性，泥石流规模中等(50年～100年)。

参照《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)[5]，泥石流灾害的受灾对象为俄德西沟弃渣场，施工期通过预警预报可避免人员伤亡、电站建成后施工人员全部撤离，直接经济损失约800万，期望经济损失约300万元/年，防治工程投资大于1 000万元。“采用以受灾对象及灾害程度为主、适当参考工程造价的原则”，确定俄德西沟泥石流防治设计标准采用P=2%(50年一遇)，工程安全等级为二级，见表2。

表2 泥石流灾害防治主体工程设计标准Tab.2 Design criterion for debris flow disaster prevention and control engineering

根据《水土保持工程设计规范》(GB 51018-2014)[6]“表5.7.1 弃渣场级别”相关规定，俄德西沟弃渣场级别为1级。弃渣场挡渣墙工程级别为2级，其设计防洪标准为P=1%～2% (50～100年一遇)。排洪工程级别为2级，设计防洪标准为P=1%～2%(50～100年一遇)，校核防洪标准为P=1%～0.5% (100～200年一遇)。弃渣场永久性截排水措施的排水设计标准采用P=30%～20%(3～5年一遇)5min～10min短历时设计暴雨。

根据《水电建设项目水土保持方案技术规范》(DL/T5419-2009)[7]“附录D 表D.1”相关规定，俄德西沟弃渣场为特大型弃渣场。渣场防洪设计标准为P=2%～1%(50～100年一遇)。弃渣场排水工程设计标准采用P=50%～20%(2～5年一遇)。

综合上述规范，结合本渣场的堆渣量、堆渣高度以及失事后果等因素进行综合分析。俄德西沟弃渣场泥石流防治工程、拦渣工程、排洪工程以及排水工程设计标准及工程等级详见表3。

表3 俄德西沟弃渣场防治措施设计标准及工程等级表Tab.3 List of Er de Xi ditch dumping site prevention design standards and engineering ratings

5 水土保持工程措施设计

5.1 泥石流及防洪排导工程

俄德西沟弃渣场为沟道型弃渣场，沟道两边坡度较陡，渣场顶面规划布设有施工生产设施，不具备留出天然沟道排导泥石流的条件。若在渣场表面布置排导渠，则会对渣场容量、施工生产设施布置造成较大影响，且排导渠需堆渣完毕后才能实施，不具备先期排导能力。

若采用排导洞方案，一方面要求排导洞呈直线布置，洞线较长；另一方面要求排导洞断面较大，才能够排泄泥石流中可能的最大块体；考虑到采用排导洞排导泥石流的工程案例少，即使采用了较大断面，排导洞仍存在被石块堵塞的风险，因此，本工程不推荐排导洞方案。

综合上述因素限制，本工程推荐方案采用预警、预报，拦挡、减势、排导清水、后期清淤、清障等综合防护措施，俄德西沟弃渣场泥石流及排洪工程主要建筑物由拦挡坝、进水塔、排水洞和挡水坝组成。

(1) 拦挡坝

参照《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)中“为保证下游安全，在同一河段内建造的拦挡坝不应少于3座”。除挡水坝起到停淤拦挡泥石流作用外，在排水洞至俄德西沟右支沟汇口之间适当位置还需修建两座拦挡坝，分别为1#和2#拦挡坝，拦挡大块石、固床、降低沟床纵坡、减缓泥石流流速、减小对挡水坝的冲击力。

拦挡坝是防护泥石流中大块石的主要建筑物。考虑地形、地质、施工等条件，在排水洞进口上游约250m和140m处设置两道拦挡坝，从上游至下游依次编号为1#拦挡坝和2#拦挡坝。现场调查的泥石流最大块石体积26.2m3(当量直径3.7m)、冲击力强，故拦挡坝坝型选择混凝土重力式。根据地形地质条件，考虑拦挡形成的库容以及工程投资等因素，确定1#和2#拦挡坝最大坝高为12m。

1#拦挡坝：坝顶高程为3 074.00m，最大坝高为12m，轴线全长53.57m，顶宽4.0m。上游面坡比上部为1∶0.7，下部为1∶2.5，下游面坡比1∶0.2。在坝顶中部设置溢流口，溢流口宽度为30.0m，深度3.0m。溢流坝身设置两层共15个泄水孔，孔口尺寸1m×1m，两层孔口净距1.5m，每排孔口净距2m，其中上层共8个孔口，下层共7个孔口。坝体下游设置长25m、厚1.5m的钢筋混凝土板及长10m、厚2m的大块石防冲。

2#拦挡坝：坝顶高程为3 053.00m，最大坝高为12m，轴线全长65.32m，顶宽4.0m。上游面坡比上部为1∶0.7，下部为1∶2.5，下游面坡比为1∶0.2。在坝顶中部设置溢流口，溢流口宽度为30.0m，深度3.0m。泄水孔与坝下防冲措施布置与1#拦挡坝设计方案。

(2) 进水塔

为避免泥石流固体物质进入排水洞并在挡水坝前形成停淤库容，在排水洞进口处设置进水塔。

进水塔溢流口高程为3 033.00m，形成的拦淤库容为7.3万m3，可满足拦截设计标准下一次泥石流总量7.17万m3的要求(其中右支沟一次泥石流总量为3.11万m3、主沟一次泥石流总量4.06万m3)。

进水塔塔顶高程为3 038.00m，塔体尺寸为12m×12m×28.5m(长×宽×高)，溢流口尺寸为8.0m×5.0m(宽×高)，为整体框架结构。为了便于塔身过流和后期库内清淤排水，在塔身迎水面高程3 020.00m、3 022.50m、3 025.00m及3 027.50m处设置有4排泄水孔，孔口尺寸为0.5m×1.5m，共20个泄水孔。

进水塔基础座落在基岩上，采用固结灌浆与锚杆束(3φ32、L=12.0m)加强其整体性。

进水塔进口纵剖面及1-1剖面详见图2～图3。

(3) 排水洞

根据地形地质条件、渣场堆渣容量要求、场内交通要求等，排水洞选择布置在俄德西沟左岸，洞线绕过俄德西沟料场开采区。

图2 进水塔进口纵剖面图Fig.2 Intake tower import longitudinal profile

图3 进水塔1-1剖面图Fig.3 1-1 profile of the intake tower

排水洞进口高程为3 016.00m，出口高程为2 940m，底坡为6.67%，断面尺寸为4m×5.5m～4m×3.5m(宽×高)，采用挂网喷砼、喷锚支护与混凝土衬砌。由于排水洞出口到下游金沙江河面高差约240m，采用清除、锚固、局部回填混凝土等工程措施，对天然沟道进行加固处理，同时加强出口区域安全监测。

(4) 挡水坝

挡水坝与渣场尾部结合布置，坝型为堆石坝，坝轴线距排水洞进口80m。在发生P=2%(50年一遇)泥石流时，通过进水塔溢流口泄流，相应的坝前水位为3 036m。考虑波浪爬高、壅高和安全超高后，确定坝顶高程为3 040m。挡水坝最大坝高约为42m，坝顶宽10m，坝顶轴线长约为106m。

为了坝体与坝基的渗透稳定，对坝体与坝基设置水平内铺盖和心墙进行防渗处理。坝体心墙高42m，水平内铺盖长230m，其中坝轴线上游80m，坝轴线下游150m。

挡水坝上游坝坡坡比为1∶2，下游坝坡坡比为1∶2.5～1∶2，上游坡面采用1.5m厚浆砌块石进行防冲保护。为防止坡脚覆盖层发生渗透破坏，增设反滤层和排水棱体。

5.2 拦渣工程

俄德西沟弃渣场堆渣边坡1∶1.8，弃渣场沿坡面隔15m高度设置一条马道。渣脚高程不受金沙江洪水和拉哇电站蓄水影响。为防止施工期堆渣过程中的水土流失，拟沿弃渣场坡脚处设置浆砌石挡渣墙进行拦挡。挡墙长度为20m。挡渣墙形式为重力式，尺寸：顶宽1.0m，底宽3.25m，高3.0m，外边坡0，内边坡0.5，基座厚1.0m，墙踵、墙趾宽0.5m。为排除渣体内积水。

5.3 排水工程

为避免降雨形成的山坡地表水对渣体的冲刷，在弃渣场顶部设置M7.5浆砌石排水沟，断面形式为等腰梯形，衬砌厚度为0.30m，过水断面底宽0.50m，顶宽1.0m，深0.5m，边坡比为1∶0.5。根据区域地形条件，在俄德西沟弃渣场周边排水沟进口端、顶部与坡面相接位置处以及排水沟出口端布设M7.5浆砌石跌水沟措施进行跌水消能。

6 结论分析

西南土石山区修建的水电站工程大部分弃渣场利用冲沟布置弃渣场，并且渣场上还需布设施工生产设施来满足工程建设需要。由于区域地质条件较差，多数为泥石流沟。因此，水电站工程建设必须把弃渣场的设置和水土流失防治措施提高到新的重要位置。本文通过分析俄德西沟弃渣场水土保持措施设计，有如下3点体会：

(1) 沟道型弃渣场泥石流防治本着“因害设防、经济适用”的原则。应采取拦挡、减势、排导清水、后期清淤、清障等综合防护措施，主要建筑物由拦挡坝、进水塔、排水洞和挡水坝组成。

(2) 降雨是引发泥石流发生的主要条件，俄德西沟弃渣场可以通过设置预警预报装置，及时发出警报可有效采取应急措施，减轻灾害损失。

(3) 为防止泥石流固体物质进入排水洞并在挡水坝前形成停淤库容，在排水洞进口处设置进水塔可有效拦挡固体物质，避免排水洞的堵塞。

[1] 高宝林，周 全，等.水电工程弃渣场水土保持措施设计探讨[J].中国水土保持，2011,(3)：36-38.

[2] 吴 伟，杜运领.水电工程复合型弃渣场水土保持设计探讨[J].中国水土保持，2014,(1)：40-42.

[3] 任金明，王永明,等. 西部水利水电工程拦沟型弃渣场泥石流的危害及防护[J].水利规划与设计，2013,(6)：34-38.

[4] 史小栋，等.金沙江上游叶巴滩水电站水土保持方案报告书[R].成都：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，2015.

[5] DZ/T0239-2004.泥石流灾害防治工程设计规范[S].

[6] GB 51018-2014.水土保持工程设计规范[S].

[7] DL/T5419-2009.水电建设项目水土保持方案技术规范 [S].

Soil and Water Conservation Measures Design for Dumping Site of Hydropower Station——In Er de Xi channel Extra large Spoil area

SHI Xiao-dong,ZHU Yong-gang,CAO Chang-bi

(1.PowerChinaChengDuEngineeringCorporationglimited,Chengdu611130,China)

Construction of hydropower projects in southwest mountainous area has the characteristic of hard to choose dumping site and large quantity of construction spoils . How to prevent and control the water and soil loss of dumping site during hydropower station construction is the key and difficult points. Soil and water conservation measures design for dumping site is directly related to the success or failure of water and soil loss prevention work. In this paper, we take Yeba Ertan Hydropower Station Ede Xi channel dumping site as an example, through analyzing the protection standard and grade of debris flow prevention and control engineering, block and obstruct project and drainage engineering, designed the debris flow prevention and control measures, and the soil and water conservation measures in this dumping site

Hydropower; debris flow; spoil area; measures design

2016-11-28

史小栋(1982-)，男，内蒙古人，2008年毕业于内蒙古农业大学水土保持与荒漠化防治专业，硕士。研究方向为水土保持设计和验收等。

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1001-3644(2017)02-0139-05