抽水蓄能电站弃渣场勘察设计中若干问题的探讨

李沁书，温家华，柴建峰，周喜军，闫 宾，凌 超

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161 ）

0 引言

抽水蓄能电站上、下专用库筑坝地段的地形地质条件大多较为复杂，同时，地下厂房系统和专用公路等部位的土方开挖量大，往往导致整个工程弃渣量较大，最大规模可达数百万立方米。弃渣体主要组成成分为松散碎石、土体，具有多孔隙、非饱和、低强度的特点，而弃渣场多选址在自然沟谷中，若处理不当，容易发生滑坡等地质灾害[1-3]。

抽水蓄能电站一般临近电力负荷中心，自然和人文环境相对复杂，因此，其弃渣场边坡的稳定性及其诱发的滑坡、泥石流等灾害问题，既涉及生产建设活动安全运行，又关系到人民生命财产安全和环境保护[4-5]，具有显著的经济性和社会性。

随着国家对安全生产和生态文明建设的重视逐步增强，抽水蓄能行业对弃渣场安全、水土保持恢复等方面的重视程度逐步提高，对弃渣场的勘察设计等提出了更高要求。然而，目前弃渣场在前期的勘察设计等方面依旧存在不足，给后期电站建设和运营安全带来了隐患，具体表现为：①弃渣场勘察标准规范的要求尚不明确，导致勘察与设计的进度和深度匹配性较低；②工程建设条件调查和研究有待加强，前期水文、征地等情况调查仍需细化；③稳定性计算方法有待完善，一方面，弃渣场稳定性计算时所输入的物理力学参数、商业软件自动搜出的潜在滑面及稳定性计算结果等与弃渣场实际变形破坏机理有一定差别；另一方面，弃渣体及其边坡往往缺少监测分析等资料，稳定性评价的监测验证缺乏，极少有实际工程通过宏观监测手段揭示弃渣场边坡的变形破坏特征，以更深入地研究弃渣场边坡的失稳破坏模式和评价方法。

为积极响应国家、行业要求，本文针对已有弃渣体存在问题开展研究，对比总结目前弃渣场勘察设计有关的规范和要求，结合工程实际分析探讨了目前抽水蓄能电站弃渣场勘察设计现状，最后提出结论和建议。

1 抽水蓄能电站弃渣场勘察设计有关的标准规范

目前抽水蓄能电站弃渣场勘察执行和参考的规范主要有：《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287）、《水电工程渣场设计规范》（NB/T 35111）、《生产建设项目水土保持技术规范》（GB 50433）、《水利水电工程水土保持技术规范》（SL 575）和《水电建设项目水土保持方案技术规范》（DL/T 5419）。

1.1 水力发电工程地质勘察规范

《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287—2016）为国家现行规范，适用于大型水电站和抽水蓄能电站的工程地质勘察工作。该规范规定在可行性研究阶段，“应初步查明堆渣场的地形地貌、地层岩性、地质构造、物理地质现象，特别要调查沟谷泥石流的发育情况，分析其对堆渣体安全的影响，初步评价渣场稳定性，提出处理建议”[6]。而招标设计阶段，仅需对弃渣场地质情况进行复查和补充。但是，该规范并未对弃渣场勘察明确规定具体方法和技术要求，从近期多个前期项目来看，渣场地质勘察工作仍然未得到相应的重视，投入的地质勘察工作量也甚少。

1.2 水电工程渣场设计规范

为规范水电工程渣场设计，国家能源局于2018年4月发布了《水电工程渣场设计规范》，适用于大、中型水电工程渣场设计，故抽水蓄能电站的渣场也应满足此规范要求。

该规范指出，可行性研究阶段，在渣场设计方面的主要任务是确定渣场布置位置、规模，进行渣场挡护、排水方案设计，提出渣场防护工程措施及主要工程量；其地质勘察的主要任务是查明堆渣场地是否存在软弱夹层及不利于渣体稳定的结构面，场地是否具备布置渣场的条件。招标、施工图阶段，渣场设计主要结合枢纽建筑物招标设计成果，复核渣场堆渣容量，对渣场挡护、截排水建筑物进行结构设计，满足工程施工招标及现场施工要求；其地质勘察工作即结合渣场挡护、截排设计成果，有针对性地布置地质勘探工作[7]。

由上可知，此规范要求在可研阶段达到初步设计深度，在施工图阶段仅进行复核和细部结构设计，这就要求大量的勘察工作在可研阶段完成，而在施工图阶段，仅为渣场挡护、截排等细部进行专项勘探。而从目前多个项目经验来看，不仅在施工图阶段在弃渣场实际投入的地质勘察工作量很少，可研阶段也投入得较少。

1.3 生产建设项目水土保持技术标准

《生产建设项目水土保持技术标准》（GB 50433—2018）为现行国家标准，适用于建设或生产过程中可能引起水土流失的生产建设项目的水土流失防治，自2019年4月1日起实施。该标准将水利水电工程的弃渣场界定为水土保持的措施，在预可行性研究阶段，需初步提出防治措施总体布设方案并估算水土保持措施工程量及投资。在可行性研究阶段，编制的《项目水土保持方案》中需包含弃渣场的布设位置、地形条件、容量、弃渣量、占地面积、汇水面积及下游重要设施、居民点等，并需从水土保持角度简述对工程弃渣场的设置、施工方法与工艺的评价结论[8]。

该标准规定渣场勘察的地形图比例应达到一定精度，范围应达到汇水计算要求，还规定了弃渣场禁止及推荐选择的场地，没有明确指出工程地质资料具体内容。

1.4 水电建设项目水土保持方案技术规范

目前抽水蓄能电站可行性研究阶段水土保持方案主要参考《水电建设项目水土保持方案技术规范》（DL/T 5419—2009）对弃渣场拦挡工程设计标准进行说明。其中10.2.2条款规定，弃渣总量超过10万m3的弃渣场或周边有重要防护对象的弃渣场，在防护设计时，需进行必要的地质勘探，不得在不良地质区域布设弃渣场。10.2.5中规定，拦渣工程建筑物设计应充分考虑渣体排水要求[9]。

综合以上渣场相关规范，已经对渣场的勘探、设计、水土保持等各方面进行了较为全面的规定，但渣场的勘察深度并没有给予足够重视。

2 抽水蓄能电站弃渣场勘察设计中存在的问题

目前，在国家、行业已制定相关规定和要求的环境下，诸多抽水蓄能电站弃渣场的勘察设计过程依旧存在着问题。

2.1 勘察与设计的进度和深度匹配性较低

（1）目前阶段的划分规定。

计划经济时期，我国水电建设体制为自营管理，水电工程项目设计阶段也划分为河流规划、可行性研究报告、初步设计、招标设计和施工详图等5个阶段。随着改革开放的深入，水电建设体制逐渐转变为项目业主责任制、招标承包制和工程监理制。原有的5个阶段划分存在着设计阶段烦琐、周期长，招标设计无必要的工作周期，设计阶段与国家基本建设项目审批程序不协调等问题，为使设计阶段的划分适应新的发展需求，当时的电力工业部于1993年底下发的《关于调整水电工程设计阶段的通知》（电计〔1993〕567号），增加了预可行性研究报告阶段，将原有可行性研究和初步设计两阶段结合，统称为可行性研究报告阶段，取消原初步设计阶段，调整前后的设计阶段如表1所示。

表1 水电工程基本建设程序变化Table 1 Changes in construction procedures of hydropower project

通知中指出，应加深原有可行性研究报告深度，使其达到原有初步设计编制规程的要求。招标设计阶段暂按原技术设计要求进行勘测设计工作。这意味着渣场在可行性研究阶段的勘察设计工作也应达到原有的初步设计阶段的深度。

（2）实际开展情况。

实际中，抽水蓄能电站弃渣场的地质勘察工作并未受到足够重视。由于地质勘察规范对于可行性研究阶段的勘察内容和方法交代不够完备，实际工作中在该阶段的勘察深度往往较浅；而勘察成果是设计开展的基本资料，勘察深度较浅，可能直接影响到可行性研究阶段的设计成果，可靠性无法保证。目前，弃渣场的地质勘察工作多在招标设计阶段完成，但近期抽水蓄能电站从可行性研究阶段到招标阶段时间比较紧凑，留给招标阶段的勘测设计的时间和工作量均相对偏少，故在实际工程中，先期开工点（多为专用公路）往往形成不少弃渣，弃渣堆放随意等问题难以避免，甚至会产生较大的费用于渣场二次搬家等重复工作。

2.2 工程建设条件调查和研究有待加强

（1）前期调查研究不够。

影响已运行电站的弃渣体稳定性的因素主要是水力侵蚀、重力侵蚀和人为活动影响等，若对前期水文地质情况的调查不够，则会影响渣场的自身稳定性。

例如东南沿海某抽水蓄能电站的弃渣场，受台风暴雨侵蚀，渣体受雨水冲刷和裹挟，造成下游河道淤泥逐年增加，不仅导致下游村庄河道两岸排水涵管几乎全部堵塞、村庄内洪水无法排泄、多次受淹，还影响到河道行洪安全，部分地段河道过断面仅为原来的10%左右，河道行洪困难，遇到暴雨等恶劣天气时，洪水倒灌至下游村庄。2016年，在两次超强台风带来的特大暴雨冲刷下，部分弃渣体随强降雨冲入下游村庄，导致多处农田损毁、渠道破坏、村部道路被冲断。该例即侧面反映出前期水文、地表径流、行洪等建设条件调查设计有待于提高，并应充分考虑台风等极端气候影响。

（2）移交问题突出。

弃渣场征地类型多为临时建设用地，通过验收、土地移交给地方政府后，建设单位不再具有土地利用权；而由于防治责任与土地利用权属直接相关，理论上来讲，弃渣场移交之后，电站将不再承担防治责任，不具有继续开展防治措施的法律基础。

本文针对我国17个抽水蓄能电站共46个弃渣场的移交及管理情况进行了调研，结果如图1所示。已完全移交给当地政府的弃渣场仅占总数的35%，其余的由电站自行管理；有53%的电站所有弃渣场均未移交。对于部分已经移交的弃渣场，若出现因地方政府未维护到位或人为破坏等造成渣体失稳变形破坏，将对电站水保、环保、安全运行造成一定影响；而弃渣场多临近电站，有的甚至在厂区，往往与电站生产生活设施毗连，其安全稳定与电站安全运行间又存在关联，若出现安全事故，责任较难明确界定；同时，企业与地方政府协调也存在一定难度。在这种背景下，部分电站难以将弃渣场移交给地方政府，或者即使已移交，却仍在对其进行日常的巡检和维护。而若在前期勘察设计阶段，充分重视对弃渣场日后移交可能产生的地域、水文地质及安全运行等的考虑，则在移交后减少诸多技术及管理问题。

图1 弃渣场移交和管理现状示意图Figure 1 The statistical analysis of the handed-over and management situations of residues disposals

2.3 稳定性计算方法有待完善

目前，各设计单位大多采用瑞典圆弧法和简化毕肖普法进行水电工程弃渣场的抗滑稳定分析计算，二者均将渣场滑动面假设为圆弧，将滑动体垂直划分为土条，以弃渣体的土条底面的有效黏聚力c和土条地面的有效内摩擦角φ作为输入条件，搜索潜在滑动面。而区别仅在于建立模型时，是否考虑土条间的相互作用力。虽然此类抗滑稳定分析计算方法采用广泛[10-11]，但其仍存在不足之处[12]。

首先，弃渣体在设计时多被视为均匀体，其滑动面被假设为圆弧，而较少考虑弃渣体与原始地表面之间存在其他潜在软弱滑动面/带并沿其他滑动面失稳的可能。2015年，深圳某城建弃土场滑坡的事件，即为堆渣体被水渗透软化泥化、填土体变为“软泥”而具有流动性所致，其滑坡流露的斜坡地形倾角不足2°，滑程大，影响范围广[13]，这与设计时的c和φ取值搜索出的潜在滑动面并不相符。此项特别重大滑坡事故虽未发生在水电领域，但为所有从事弃渣场设计的技术人员敲响了警钟，尤其是对于天然沟谷较陡的山谷型渣场，在沟谷地表处理不当时，即可能出现泥化、泥碳化，进而成为潜在滑动面的风险。设计人员应该重新思考更科学的、更全面的潜在滑动面设计方法，保证工程项目顺利运行，保障社会人民生命财产安全。

其次，从目前各水电站的弃渣场各设计方案来看，弃渣场在可行性研究阶段乃至招标阶段实际完成的勘察工作量较难在设计文件中体现，不同项目投入的勘察工作量相差较大，设计参数的选取方法不同[14-15]，提交的设计参数也相差甚远。随机选出7个抽水蓄能电站弃渣场的c和φ取值如表2和图2所示，二值在不同项目上差别明显，且缺少赋值依据及机理，其合理性值得商榷。

表2 部分电站弃渣场强度参数（c、φ）统计表Table 2 List of c and φ according to different projects

图2 部分电站弃渣场强度参数（c、φ）统计散点图Figure 2 Scatter graphs of c and φ

最后，该方案对影响弃渣体破坏的变形参数关注较少；同时均假定整个滑面同时处于临界失稳状体，未考虑推移渐进式破坏，显然这和实际是有所差别的。

3 结论和建议

足够的实物地质勘察工作量是一切地质分析和评价、稳定性计算、设计和施工的基础，科学的设计方案是电站建设、运行、维护的重要保障。本文结合已有规程规范的对比研读和工程实践经验教训，分析提出如下三点建议。

（1）在规程规范中应明确弃渣场不同阶段的勘察深度和方法，同时各勘察单位应按规范要求开展渣场地质勘察工作，在相应渣场勘察设计报告中明确不同阶段完成的地质勘察工作量，切实达到可行性研究阶段地质勘察结果足以保障设计成果达到初步设计深度，招标阶段仅为复核工作。

（2）重视渣体物理力学参数和计算分析方法手段。就计算分析而言，无论是极限平衡法还是三维有限元等数值模拟方法，弃渣体的物理力学参数直接决定着潜在滑动面位置和稳定性系数，建议重视前期测绘和地质勘察工作，合理科学的确定渣体的物理力学指标。另外，地质岩土工程领域通用软件自动搜索出来的滑面形态、稳定系数和弃渣场实际破坏情况存在一定差距。现有部分设计文件将规模较大、影响较广的弃渣场视为均质体，较少考虑其他可能软弱滑面/带，并据此进行弃渣场稳定性评价和设计，该类做法值得进一步商榷，弃渣场的动态稳定性和长期稳定性也应得到关注。

（3）重视弃渣场监测和管理，提升管理水平。为保证弃渣场的安全稳定运行，除了技术上的充分保障，还需要责任方的先进管理。建议项目运行单位高度重视弃渣场勘察、设计、施工、运维及移交等工作。从各电站反馈的管理和运维经验来看，重视筹建期和基建期弃渣场的勘测设计和管理标准，在设计时考虑监测设施的布设。观测和监测设施尽可能采用先进可靠的自动化采集设备。弃渣场设计时，还应考虑设置便捷巡视便道，建议与电站弃渣场截排水沟等同步设计。