抽水蓄能电站弃渣场现状调查及渣场变形稳定性评价方法研究

2021-06-30温家华刘殿海柴建峰

水电与抽水蓄能 2021年3期

温家华，闫宾，刘殿海，柴建峰

（国网新源控股有限公司抽水蓄能经济技术研究院，北京市 100761）

0 引言

抽水蓄能电站一般临近电力负荷中心，自然和人文环境复杂，有效保证弃渣场的安全稳定运行，提高弃渣场全过程管控能力，是水电站建设管理和运营的重要关注点之一[1-4]。

目前抽水蓄能电站弃渣场的勘测工作量主要在招标设计阶段完成，可行性研究阶段投入的勘测工作量较少。做好渣场勘测设计工作，有利于招标文件中渣场部分的清单报价，有利于解决弃渣堆放随意等问题，还可避免渣场二次搬家等重复工作，节省投资和减少不必要的麻烦。

归纳数个抽蓄工程渣场设计文件来看，多有以下特点[2，4]：

（1）弃渣体物理力学参数多为经验值，试验值相对较少，随机性和差异性较大。弃渣场的地勘工作如何布置还不明确。

（2）多将渣体视为均匀的松散介质体，由边坡稳定性计算软件自动搜索滑动破坏面，不切合工程现场实际。

目前渣体稳定性计算所输入的物理力学参数、商业软件自动搜出潜在滑面、稳定性结果和工程处理措施等，也和弃渣体实际变形破坏机理有一定的差别。

（3）精细化、精准化设计和管理有待于加强。如堆渣前，应确保渣场对外的连接道路已经完工，表土堆存场已启用，用来堆置腐殖土等地表剥离物。弃渣场常常出现场址、容量、堆渣方式等的变更。

（4）较少关注渣场基底水文地质条件随着堆渣而发生的动态变化。

（5）已投产运行电站的弃渣场存在防治责任不明确、移交困难等问题。

主要从以下方面对新源公司弃渣场现状及渣场变形稳定性评价展开研究：

（1）抽水蓄能电站弃渣场现状调查分析。收集和分析已有运行电站、在建电站弃渣场设计、运维及监测等资料。摸清公司电站弃渣场现状及问题，可为生产管理部门提供了宝贵的基础资料。

2019年1～12月，国网新源抽水蓄能技术经济研究院开展了新源公司弃渣场现状普查、调研和踏勘等工作，并编制完成了《新源公司弃渣场现状调查分析报告》。

（2）弃渣场边坡变形稳定性评价方法研究。结合现状调查分析结果，选择具有代表性的渣场进行一定量的勘察工作，获得渣体物理力学特性指标，并结合设计成果资料进行稳定性计算、评估和预测。结合弃渣场已有勘测和监测等资料，开展弃渣场三维数值分析，探讨修坡、碾压、清除原有地面植被、地震、极端天气、岩土体参数等不同因素对弃渣体稳定性的影响，并对比分析三维数值分析和常规极限平衡法，通过多因素敏感性分析判断不同参数对渣场稳定性的影响，进而探讨弃渣场边坡变形稳定性评价方法。

1 弃渣场现状调查

1.1 工作内容

通过普查，梳理和总结弃渣场各个阶段存在的问题，为后续电站建设提供指导建议。

如某在建抽水蓄能电站开工后，发现前期选定的弃渣场可能会受潜在地质灾害影响，存在一定的安全隐患，最终不得不重新选择渣场，重新报批调整征地范围。

2019年5月，通过公司生技部向18个已运营抽水蓄能电站发出弃渣场现状普查表，共收集到46个弃渣场的普查表。

2019年5月，通过公司基建部向14个在建抽水蓄能电站发出普查表，收集到54个弃渣场的相关资料。

2019年7月、9月、10月，项目组完成了对厦门、天池、仙游、绩溪等电站弃渣场的调研、踏勘等工作。

本次现状调查研究工作的特点有：

（1）普查调查问卷表和现场踏勘相结合。

（2）普查调查问卷表从8个维度出发，包括40多个渣场关键信息：堆渣高度、堆渣量、渣场所属权、渣场运维情况、渣场地形地貌、气候环境、截排水设施、拦挡设施、渣体表面边坡情况、运维经验教训和建议等。

1.2 现状调查成果

通过统计分析18个已运营抽水蓄能电站的46个弃渣场资料、在建电站的54个弃渣场资料，发现：

（1）约65%的弃渣场仍由电站自行管理，尚未移交给当地相关部门，存在防治责任不明确、移交困难等问题。

（2）即使是移交给当地政府的弃渣场，大部分仍由电站进行日常的安全巡查。

（3）约93%的弃渣场目前缺少有效或高效的监测设施。

（4）从各电站反馈来看，弃渣场需要智能化监测系统、巡视便道。

上述调查有利于摸清弃渣场现状，为生产管理部门提供宝贵的基础资料。

2 典型弃渣场地质勘察及工程地质评价

选取安徽绩溪抽水蓄能电站下库2号弃渣场开展了地勘和工程地质评价工作。绩溪抽水蓄能电站位于安徽省绩溪县伏岭镇境内，为日调节抽水蓄能电站，电站为大（1）型一等工程。

下库2号弃渣场位于冲沟内，占地面积18.90hm2，为特大型弃渣场，弃渣场防洪设计标准采用50年一遇洪水。弃渣场工程防护措施包括拦挡工程、截排水工程、沉沙工程和土地整治工程等。按原设计方案，堆渣前需做弃渣场区的清库、清表，剥离表土并集中堆存防护，先拦（排）后弃，坡脚设置挡渣墙等拦挡措施，周边截排水沟，弃渣后期进行场地平整、覆土绿化等。目前堆渣量约323万m3，占规划堆渣量的71.9%，现场实际堆渣占地面积约15.64 hm2。图1为渣场现状照片。

图1 下库2号弃渣场全貌图Figure 1 The photo of 2# spoil areas at lower reservoir

2.1 勘察工作内容及技术路线

勘察工作内容主要包括：

（1）查明弃渣体物质组成及分区，在工程地质测绘基础上，采用钻探、坑槽探和现场简易试验。

（2）收集前期资料，判别堆渣区域场地稳定性和水文地质条件，查明是否存在不良地质现象；采用电法探测覆盖层厚度、弃渣场分层特征、基岩面起伏情况。

（3）弃渣体的物理力学及渗透性指标采用重塑样三轴试验、重型动力触探以及注水试验等手段，结合工程地质类比综合分析确定，用于评价弃渣场现状及稳定性。

2.2 勘察工作完成情况

2019年10月20日开展现场勘察工作，11月13日完成全部外业工作，图2为代表性物探剖面成果，测线位于第一平台前部坡体。整个剖面视电阻率值纵向呈现由浅到深逐渐增大特性，电阻率等值线成层性较好（上部为角砾土、碎块石土，其视电阻率表现为相对低阻特性；下部为基岩，视电阻率值表现为相对高阻特性），根据视电阻率大小和等值线形态推断弃渣体厚度14～26m不等，基岩面起伏；弃渣体与基岩面间未揭示低电阻带。物探成果表明，覆盖层与基岩面分界线同原地形线基本吻合。

图2 弃渣体第一平台前部坡体物探剖面云图Figure 2 The geophysical section of slope at the first platform of spoil areas

图3为部分室内试验照片。本次室内土工试验内容包括：颗粒分析试验、击实试验、大型三轴试验、自然休止角试验、渣料级配、最大干密度、抗剪强度指标、E-μ变形参数以及自然休止角等指标。

图3 室内试验现场工作照片Figure 3 The photos of soil experimental testing

根据现场和室内试验成果及电站前期勘察成果，类比其他水电渣场工程设计资料，获得了渣体及下伏岩土体物理力学参数建议值，用于弃渣场稳定性定量化评价。

2.3 地勘成果小结

（1）2号弃渣场主沟为北东向，冲沟长约800m，地势平缓，坡降小，地面高程为280～475m，沟中有常年流水。弃渣后渣场区总体呈台阶状，第一台阶台面高程在325m左右，第二台阶台面高程在350m左右，第三台阶台面高程在410m左右。

（2）弃渣体呈上宽下窄长条状展布于冲沟内，长约780m，最宽处约365m，最窄处约42m，弃渣体下方堆积起点高程约285m，上方至第三平台高程约410m，弃渣体高差达125m，弃渣最大厚度达40余米，弃渣量约323万m3。

（3）弃渣体大部为开挖无用的全、强风化花岗岩废料，部分为残坡积土。弃渣体底面起伏不平，呈不规则锯齿状，下伏为全、强风化花岗岩，弃渣体以粗粒组颗粒为主，未见软弱土层，结构松散—中密状，具弱透水性，储水性差。

（4）目前弃渣场3个平台临空面局部发生小规模的水土流失、浅表层滑塌现象，但整体未发生明显的变形，弃渣场整体稳定，在暴雨或人工改变现有地貌的情况下可能出现局部小范围的变形失稳。

3 弃渣体的物理力学特性和稳定性分析方法

3.1 弃渣体的物理力学特性

水电弃渣物源、来源和组成往往十分复杂，图4为某抽水蓄能水电站弃渣场钻探岩芯照片及物源照片。从已有多个渣场勘测设计资料来看，选取的渣体物理力学参数比较随机，差异显著，这将影响弃渣体潜在滑面形态的确定。

图4 弃渣场物源组成情况Figure 4 The source components of spoil

3.2 弃渣体的水文地质特征

目前分析弃渣场水文地质条件时，较少考虑堆渣对原有地层水文地质条件长期和潜在的影响。

岩土体遇水后物理力学性质较天然状态下劣化，对堆渣场地稳定是十分不利的，如文献[7]提及，某水电站临时渣场，施工阶段地质钻孔揭示地基凝灰岩夹层物理力学指标较高，堆渣后，由于沟道水未进行引流，水流下渗造成凝灰岩夹层软化，渣场边坡失稳。后期重新布置的钻孔揭示原地层软化至泥塑状，实测土体有效内摩擦角仅有16°。

3.3 渣体的稳定性分析方法

3.3.1 极限平衡法

渣体稳定性分析属于松散土质坡稳定性分析的范畴。土坡稳定极限平衡法是根据斜坡上的滑体或滑块的力学平衡原理（即静力平衡原理）分析斜坡各种破坏模式下的受力状态，以及斜坡上潜在滑面的抗滑力与下滑力之间的关系来评价斜坡的稳定性。

目前极限平衡法在土坡稳定性计算中占主导地位，但由于该方法没有考虑到土体的应力-应变性质，不能求出失稳时土体内部各处的应力和应变，所求得的也只能反映假定滑面上的稳定系数，并不能反映土坡的破坏机理，也不能求出失稳时土体内部各处的应力与应变。所以，采用这种方法求出的是一种综合性近似解答。优点：①力学模型简单；②已积累了丰富的工程实践经验；③有相关规范的指导。

3.3.2 数值仿真分析法

有限元法、离散元等三维数值仿真方法的建模成本较高，对计算结果的分析能力也要求较高，目前主要用于研究性的项目，在弃渣场工程设计领域应用还不广泛。

（1）离散元。采用离散元软件进行松散体边坡稳定性研究的文献资料较多，罗浩等[5]结合泸州市古蔺县铁路沿线的大岭山弃渣场工程实际，采用物理模拟方法重现了弃渣体的堆积过程，并结合物理模拟结果，应用PFC仿真分布了渣场边坡在考虑粒径分级情况下，由降雨引起的变形失稳。整个变形失稳过程分为：应力重分布、中部覆盖层剪切破坏、后缘拉裂、后缘下错、前缘鼓胀、潜在滑面形成和滑面贯通等阶段。坡体中下部表现出推移式滑坡的特征，弃渣体的上部表现出牵引式滑坡的特征。

（2）有限元法。相关研究成果和文献也较多，如林文华等[6]在地质勘测、岩土试验和变形监测的基础上，采用强度折减有限元法模拟研究了一大型抽水蓄能电站弃渣场的可能失稳机制和变形演化规律。

3.3.3 不同行业规范对比分析

重点分析和讨论了以下内容：

（1）不同规范规定的渣场级别划分标准。

（2）不同规范对弃渣场的地质勘察要求。

（3）不同规范对弃渣场设计及稳定性分析要求。

本次分析的规范规程有[7-10]：《水力发电工程地质勘察规范》《水电工程渣场设计规范》《生产建设项目水土保持技术标准》《水电建设项目水土保持方案技术规范》《水利水电工程水土保持技术规范》《水土保持工程设规范》《冶金矿山排土场设计规范》《有色金属排土场设计标准》等。

对比分析发现：

（1）类似规范对弃渣场/排土场稳定分析已有了相对明确的要求。如冶金和有色金属行业的排土场规范明确强调了渣体变形破坏模式的准确判定，是计算分析的前提和基础[9，10]。

（2）弃渣场的地勘工作缺少量化指导原则。由于规范没有地勘工作的定量化要求，不同项目弃渣场投入的勘测工作量差别很大。本次研究发现，目前针对弃渣场投入的勘测工作还是相对偏少，有待进一步加强。

3.3.4 工程实例分析

基于工作中的认识和文献资料，详细分析了俄罗斯库彻金煤矿排土场[1]、平朔安太堡煤矿南排土场[1]、美国俄亥俄州辛辛那提市MSW固体垃圾场[1]、深圳12·20渣场事故等工程实例，并指出：评价弃渣场的稳定性，不仅要重视渣料的稳定性，更要重视地基软弱地层浸水后抗变形抗剪切能力的劣化，进而诱发深部大规模的滑动破坏。

3.4 本部分工作小结

（1）足量的勘察工作量是精准化设计的基础。

（2）弃渣体稳定性分析时，不能仅仅靠计算软件来确定滑动面，还应考虑弃渣沿着原天然坡面等其他潜在软弱结构面发生变形破坏的可能性。

（3）在堆渣前，应清除原地表的植被和腐殖土等。在长期荷载和水蚀等作用下，原植被层会被碳化泥化，进而形成潜在的软弱滑动带。

4 主要研究成果及技术创新

4.1 主要研究成果

（1）通过弃渣场现状调查分析、地勘及工程防治实例研究，给出了弃渣场监测预警及防治的最新技术和方法，对类似工程具有一定的借鉴作用。

（2）弃渣场勘测技术方面。通过对比发现，相关规范已经对渣场的勘探手段、设计、水保等各方面进行了较为全面的规定，但渣场的勘察工作量和钻孔终孔标准等仍没有明确，本次系统研究了弃渣体失稳破坏机制和影响因素，给出了弃渣场稳定性分析流程，量化了弃渣场勘探线布置、勘探点数量和钻孔终孔标准。渣体的物理力学指标参数尽可能采用试验值，开展相应的原位试验和土工试验时，充分考虑渣料性质和堆场的水文地质条件。渣场地基岩土体的物理力学参数应采用试验确定。

（3）弃渣场稳定性分析流程。科学合理的弃渣场稳定性分析流程为：渣体特征/堆置要素/地形地貌/工程水文地质条件→判断和预估破坏模式→确定计算方法→定性分析和定量计算→工程处理措施。

（4）渣场移交及运维管理。渣场移交时应关注：

1）按照《水利部水土保持设施验收技术评估工作要点》的相关要求，在首台机组投产运行前完成渣场水土保持设施专项验收。

2）渣场永久征地范围内，堆渣量超过50万m3或者最大堆渣高度超过20m的渣场，宜建立监测系统，渣场监测宜纳入工程整体监测范围。渣场常规监测内容为表观变形监测和振动观测，对于地质条件复杂的情况，需要实施地基变形监测、内部变形监测、地下水位监测及水文气象监测等。

3）移交地方管理的渣场，应做好验收、交接工作，明确管理责任。对电站安全运行有不利影响的，且地方政府无法履行相关职责的，可委托运行单位履行相关职责。运行单位应将检查过程中发现的问题及时函告地方政府。

永久征地范围内的渣场应开展渣场的运行、检查、维护等工作；临时征地范围内暂未移交地方的渣场，在未移交之前应开展渣场的运行、检查、维护等工作；已移交地方政府的渣场，应由地方政府负责渣场的运行、检查、维护等工作；对于坝后压坡体部分，应按相邻大坝的相关要求开展运行、检查、维护等工作。