金沙江某水电站100m级高弃渣体稳定性研究与评价

季法强+马福祥+万克勇

摘 要：国内对弃渣体的研究、重视程度相对较晚，特别是对大型水电站高度大于100 m的弃渣体稳定性研究更是甚少，基本处于空白。该文以某水电站114 m高的弃渣体作为研究对象，通过搜集资料、野外地质调查、勘探、试验等手段，从工程区地质环境、弃渣体基本特征、变形破坏特征、参数的取值、定性分析和计算复核等方面进行分析和研究，对弃渣体的稳定性做出评价。该项研究成果可以直接为工程服务，对保障工程安全运行和水土保持验收都具有重要的工程意义，其研究内容和方法对同类工程项目也具有一定的借鉴意义。

关键词：100 m级 弃渣体 稳定性研究

中圖分类号：TV523 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（a）-0018-02

某水电站位于金沙江中游河段，为一等大（Ⅰ）型工程，为满足弃渣需要，枢纽区共布置四个弃渣场。其中，1号弃渣场实际弃渣情况与原批复方案变化较大，弃渣量310万m3比原方案增加了87万m3，渣体最大高度114 m比原方案增高了35 m，渣体坡比由原来的1∶1.75调整为1∶1.4～1∶1.5，成为上百米级的高大弃渣体。不论是从水土保持验收工作需要，还是考虑到工程安全，都有必要对1号弃渣体进行稳定性研究和评价。

1 地质环境

工程区属高山峡谷地貌，河面高程1 100 m左右，两岸山顶2 000～3 000 m左右；地层主要为白垩系紫红色砂岩和第四系堆积物；主要构造线总体呈NNW～NW向及NNE～NE向，为区内基本构造格架，程海—宾川活动断裂带（F12）距离工程区20 km。

工程区冬半年天气晴朗干燥，降雨少；夏半年西南暖湿气团加强，沿河谷溯源入侵，汛期雨量多，强度大。多年平均年降水量729.2 mm，最大日降水量120.8 mm，多年平均气温为21.9 ℃。

2 弃渣体基本特征

2.1 弃渣体的形态特征

1号弃渣体位于电站水库区右岸（见图1）。渣场底座原自然坡度为10°～30°，现弃渣体外侧斜坡坡度为32°～36°，顶部为不规则平台，弃渣体总高度97～114 m，垂直厚度20～30 m，水平厚度20～50 m，弃渣体总方量约310万m?。

根据变形特征，将弃渣体由上游至下游划分为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区。Ⅰ区控制长度111 m，渣体高度114 m；Ⅱ区控制长度127 m，渣体高度108 m；Ⅲ区控制长度338 m，渣体高度97 m。

2.2 弃渣体的结构特征

通过调查和对弃渣过程的了解，结合钻探揭露，对弃渣体物质组成及结构的认识：

（1）弃渣体顶部平台铺盖一层厚度10～20 cm的绿化土层。

（2）弃渣体物质组成主要为块碎石，细粒土含量低，孔隙率较大。弃渣体上层的块碎石含量为75%～80%，粒径一般5～20 cm，最大为60 cm，角砾含量10%～15%，砂土含量5%～15%；弃渣体下层的块碎石含量约95%，粒径一般3～35 cm，最大为80 cm，角砾和砂土含量约5%。

3 弃渣体的变形破坏特征

3.1 弃渣体Ⅰ区的变形破坏特征

（1）Ⅰ区在水库蓄水期的变形破坏特征。

2013年4月～7月库水位由1 133 m高程抬升至1 210 m，2013年11月库水位由1 210 m高程骤降至1 145.7 m，在库水位大幅抬升和骤降过程中，弃渣体Ⅰ区顶部平台和迎水面产生明显破坏：顶部平台外侧15～20 m范围产生了开裂、沉降等变形破坏，裂缝长度大于20 m，宽度10～30 cm，沉降量30～50 cm。

（2）弃渣体Ⅰ区在水库运行期的变形破坏特征。

水库已处于正常运行阶段，弃渣体Ⅰ区整体处于基本稳定状态，但顶部和迎水面仍有一定变形：顶部平台外侧10～17 m范围内有轻微沉降变形，目前沉降量10～30 cm；临水面也仍有渣体垮塌、网格梁弯曲等变形迹象。

3.2 弃渣体Ⅱ区的变形破坏特征

（1）Ⅱ区在水库蓄水期的变形破坏特征。

在库水位大幅度抬升和骤降过程中，弃渣体Ⅱ区顶部平台靠岸里侧产生沉降拉裂变形，裂缝长度大于30 m，宽度5～20 cm。

（2）Ⅱ区在水库运行期的变形破坏特征。

水库运行期阶段，顶部平台及岸外侧无明显变形迹象，仅坡肩在雨季时有明显的水土流失现象，导致局部网格梁悬空。

3.3 弃渣体Ⅲ区的变形破坏特征

在水库蓄水期和运行期，弃渣体Ⅲ区总体沉降量不大，顶部平台和迎水斜坡均未发现有裂缝、垮塌等明显的变形破坏特征，整体稳定性好。

4 试验方法及参数取值原则

4.1 试验方法简述

渣体自身特点不宜进行大剪试验，除对渣体进行了常规的物理力学性质试验外，为纠偏和校正室内试验成果，本次研究在弃渣体Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区有代表性部位进行了动力触探试验，根据动探成果，通过经验公式换算渣体的承载力和变形模量，并作为弃渣体参数选取的重要参考依据。

4.2 参数取值原则

根据动探成果换算，Ⅰ区浅表和Ⅱ区浅表层变形模量平均值33～38 MPa，Ⅲ区上层和Ⅰ区、Ⅱ区的中深部变形模量平均值43～49 MPa，均远高于室内试验的压缩模量16～20 MPa，说明弃渣体除弃渣过程的机械压密外，堆后的自重作用、库水下的自密实效应也起了一定的作用，使渣体具有较高的密实性和力学特性。

最终通过整理室内、外物理力学指标试验值，考虑试验边界条件、物质结构特征、变形破坏特征等，考虑上述认识，重点以原位试验成果为依据，适当调整后提出弃渣体各层物理力学参数建议值。

5 弃渣体稳定性评价

5.1 宏观定性分析endprint

根据对弃渣过程的了解，结合弃渣体不同部位在不同时期的变形破坏特征和现场调查情况，宏观定性分析认为有以下几方面。

（1）弃渣体Ⅰ区浅表部稳定性较差，天然工况下处于欠稳定状态，预测在库水位消落时有产生进一步变形破坏的可能性，以顶部平台岸外侧产生沉降、迎水斜坡局部垮塌等变形破坏形式为主，但对大坝枢纽及水库运行无影响。

（2）棄渣体Ⅱ区目前无明显变形迹象，在天然工况下整体处于基本稳定状态，正常的水位抬升和消落对其稳定性影响较小，预测非常工况下可能会有一定影响，但不会造成整体失稳破坏，对大坝枢纽工程及水库运行无影响。

（3）弃渣体Ⅲ区目前无明显变形迹象，在天然工况下整体处于稳定状态，正常的水位抬升和消落对其稳定性影响较小，预测非常工况下也不会产生明显影响。

（4）弃渣体在蓄水后的几年中已经历了当地降雨、库水浸泡、水位骤降等一系列对稳定有影响的作用，表现出的变形仍只是浅表层局部垮塌、沉降、开裂等现象，未对水库造成明显影响，说明渣体整体稳定，未来可能经受的最大影响是地震作用。分析认为，渣体在水浸作用下持续沉降的同时，密实度也持续增加，水下相应的力学指标也会略有提高。加之除Ⅰ区外，其他各区水下弃渣体均有网格梁防护，即使未来发生50年超越概率10%水平峰值加速度0.163 g的地震，渣体仍不会整体失稳，局部的垮塌等变形不影响水库正常运行。

5.2 复核计算结果

基于“极限平衡法”和“有限元”两种方法，对弃渣体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各区的整体稳定性和局部块体稳定性（自动搜索）分别进行了计算，计算结果表明：

Ⅰ区在天然、地震、降雨、水位消落等四种工况下的整体稳定性系数分别为1.31、1.16～1.26、1.27～1.30、1.29～1.30，均为稳定状态；在四种工况下的局部块体（自动搜素最危险滑面）稳定性系数分别为1.04～1.12、0.93～1.12、1.01～1.10、1.03～1.12，天然、降雨、水位消落三种工况下为欠稳定～基本稳定状态，地震工况下为不稳定～基本稳定状态。

Ⅱ区在上述四种工况下的整体稳定性系数分别为1.45～1.48、1.28～1.42、1.42～1.43、1.43～1.46，均为稳定状态；在四种工况下的局部块体（自动搜素最危险滑面）稳定性系数分别为1.20～1.34、1.07～1.21、1.17～1.27、1.17～1.30，天然、地震工况下为基本稳定～稳定状态，降雨、水位消落工况下为稳定状态。

Ⅲ区在上述四种工况下的整体稳定性系数分别为1.35～1.40、1.16～1.20、1.16～1.18、1.16～1.18，均为稳定状态；四种工况下的局部块体（自动搜素最危险滑面）稳定性系数分别为1.17～1.35、1.16～1.20、1.16～1.18、1.16～1.18，均为基本稳定～稳定状态。

计算结果与宏观定性分析基本吻合。

6 结语

该项目所运用的地质调查、勘探、试验、定性分析及计算等研究手段和评价方法合理、准确，可靠性高，能充分反映出渣体的客观实际，分析预测出了渣体各区在不同工况下的整体与局部块体（自动搜素最危险滑面）的稳定性，研究成果可以作为渣体处理和水土保持验收的技术依据，研究内容和评价方法对类似工程有一定的参考价值和借鉴意义。

参考文献

[1] 许虎，顾平，罗飞，等.金沙江某水电站弃渣场稳定性评价[J].水电与新能源，2012（3）：51-53.

[2] 刘建伟，史东梅，马晓刚，等.弃渣场边坡稳定性特征分析[J].水土保持学报，2007，21（5）：192-195.

[3] 邹维.新疆波波娜电站弃渣体滑动稳定性分析与防治措施[J].水利水电快报，2011，32（5）：39-41.endprint