抽水蓄能电站弃渣场全过程管控研究

2021-06-30江献玉柴建峰马保东李明阳

水电与抽水蓄能 2021年3期

闫宾，江献玉，柴建峰，王昱，马保东，李明阳

（1.国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院，北京市 100761；2.国网新源控股有限公司，北京市 100052）

0 引言

目前，新源公司管辖范围内的抽水蓄能电站，在建电站约有54个弃渣场，已投运电站约有46个弃渣场。弃渣场具有非生产性和临时性等特点，作为抽水蓄能电站建设过程中形成的附属构筑物，在电站的整个勘察设计及建设管理的过程中往往无法受到足够重视。

在上述背景下，通过对新源公司系统内在建和已投运电站弃渣场的情况进行有针对性的普查，梳理不同阶段弃渣场可能存在的问题，分析产生这些问题的原因，不仅有利于摸清现有弃渣场的现状及存在问题，还可为后续类似工程弃渣场的选点、勘测设计、施工、运维提供经验和教训，有效提高弃渣场的全过程管控能力。

1 主要普查成果概述

1.1 在建电站弃渣场

普查工作主要从30余个角度出发，主要涵盖：渣场设计变更情况、年降雨量、集雨面积、渣场设计参数、挡排设计、堆渣设计要求等内容。主要普查成果如下：

（1）54个渣场中，22个与水土保持报告中渣场设计容量变化幅度小于20%，约占总量的41%；6个与水土保持报告中渣场设计容量变化幅度在20%～30%之间，约占总量的11%；18个与水土保持报告中渣场设计容量变化幅度超过30%，约占总量的33%；8个还未开工，约占总量的15%。统计结果见图1。

图1 与水土保持报告中渣场设计容量的变化统计饼图Figure 1 Statistical diagram of the change of design capacity of slag yard in the report of soil and water conservation

（2）54个弃渣场中，有9个弃渣场高度大于等于100m，弃渣场高度多在20～80m之间；18个弃渣场的设计堆渣量大于100万m3，10个弃渣场的设计堆渣量位于50万～100万m3之间，26个弃渣场的堆渣量小于50万m3。堆渣量—高度统计结果见图2。

图2 弃渣场高度—堆渣量散点图Figure 2 Scatter diagram of height-slag amount of spoil areas

（3）54个弃渣场中，有33个弃渣场采用的混凝土挡渣墙，有13个弃渣场采用的浆砌石挡渣墙；有35个弃渣场采用了盲沟，8个弃渣场采用了涵洞，29个弃渣场采用了明渠，7个弃渣场采用了排水洞，17个弃渣场采用了截排水沟。

（4）54个弃渣场中，有34个渣场有压实度要求，约占总量的63%，有20个渣场无压实度要求，约占总量的37%；12个渣场堆渣顺序是至上而下，24个渣场堆渣顺序是至下而上。

从以上普查结果不难看出：①渣场规划时往往优选沟谷型弃渣场，沟谷型弃渣场挡排设施工程量相对较小；②弃渣场高度和渣场容量之间存在近似线性关系，弃渣场规划容量较大时，弃渣场高度一般较高，后期需要重点其稳定性；③弃渣场设计容量发生变化的原因往往是前期理论计算的土石方平衡结果与实际施工存在差别，弃渣场本身选址的问题[1]；④弃渣场稳定性计算时用到的弃渣场地基物理力学参数、弃渣体物理力学参数往往通过工程类比得出，不是通过现场试验得出的；⑤弃渣场设计往往重视的是渣体外截排水设施，较少关注渣体本身排水，较少结合稳定性分析的成果[2]。

1.2 已投运电站弃渣场

普查工作从8个角度出发，涉及约40个问题，涵括了弃渣场规模、日常管理机构、截排水等设施现状及稳定性、运维等多方面信息量。主要普查成果如下：

（1）有统计数据的46个弃渣场中，有16个已移交当地政府，约占总量的35%；其余30个弃渣场由电站自行管理，约占总量的65%；部分渣场已移交当地政府的渣场仍由电站进行日常维护。移交情况统计示意图见图3。

图3 弃渣场移交情况统计饼图Figure 3 Statistical diagram of the handover of the spoil areas

（2）有统计数据的41个弃渣场中，约70%弃渣场的护坡、截排水及拦挡等设施均处于正常状态；其余30%的弃渣场局部有变形或者损坏或严重损害，或拟申请经费进行相应的工程治理。护坡、截排水及拦挡等设施出现损害的渣场中约60%位于浙江、江西等亚热带季风湿润气候地区。

（3）有统计数据的42个弃渣场中，有29个弃渣场状态良好，一直处于稳定状态，约占统计渣场总数量的69%；有13个弃渣场曾经投入资金维护，约占总量的28%，其中6个电站是移交当地政府前投入资金进行的治理[3]。

（4）在有统计数据的40个弃渣场中，20个弃渣场属于永久征地，20个弃渣场属于临时征地；10个弃渣场已经移交给地方政府管理，其中2个是永久征地，8个是临时征地；30个弃渣场尚未移交地方政府，依旧由电站自身管理，其中有18个是永久征地，12个是临时征地。

（5）有统计数据的42个弃渣场中，约90%以上的弃渣场目前没有安装监测设施，从各电站反馈的运维经验来看，弃渣场也需要智能化监测系统。

综合分析以上普查结果不难看出：①部分渣场已移交当地政府的渣场仍由电站进行日常维护的原因往往是渣场靠近电站工程区域，地方政府并不能对渣场进行全面、实际、有效的管控，地方政府未履行维护职责；②护坡、截排水及拦挡等设施出现损害的渣场中约60%位于浙江、江西等亚热带季风湿润气候地区，原因主要有选址、基础处理、施工质量、日常维护等；③弃渣场临时征地未能移交的原因往往是与地方政府签订协议，达成不移交共识，地方政府不予接收，电站仍在使用，征地协议未到期；④通过物联网技术，建立弃渣场安全监测系统，实现对渣场实时监测，掌握渣场的运行状态。

2 渣场规划

截至2020年底，新源公司在建抽水蓄能电站为27个，通过统计近几年开工的电站土石方平衡相关数据，南方地区电站土石方总利用率为47%～67%，北方地区电站土石方总利用率为18%～49%，综合每个抽蓄电站开挖量的50%为弃渣，如何处理好工程开挖量的一半，已成为工程建设的关键之一。

渣场规划广义来说主要包括渣场选址、渣场布置。做好渣场规划，通过收集地形、地貌、工程地质、水文地质、周边敏感性因素、占地面积、弃渣场容量和运距等参数，进行技术经济比选，选择合适的位置，有利于节约工程造价，促进社会稳定和谐和可持续发展[4]。进行渣场规划时应着重关注以下几个方面的内容：

（1）渣场选址应充分考虑土石方平衡计算得出的弃渣数量，渣场占地情况，场内运输条件，渣场的挡排、截排水设施工程量等因素确定，渣场选址直接影响了工程造价和经济效益[5]。

（2）渣场选址要充分论证渣场设置位置对下游居民生活的影响程度，包括暴雨山洪等特殊情况下的影响。

（3）渣场选址前应充分勘察地基的工程地质和水文地质条件，确实需要在泥石流沟和软弱结构面上布置渣场的，应进行充分论证并采取必要的工程措施[6]。

（4）渣场布置应尽量实现高料高弃，低料低弃。

（5）渣场选址是水土保持设计的重要内容。渣场选址涉及建设征地移民、施工、水土保持等专业内容，应由各专业人员共同参与渣场选址。

（6）渣场的征地范围和征地性质应综合考虑后期移交的难易程度、永临结合的可行性、对电站安全运行影响等。

（7）渣场选址应尽量避免选在湖泊、河道管理区，基本农田保护区、集中居民点及厂矿企业的上游或周边，一二级水源保护区，高等级公路两侧可视范围等区域。

图4 某电站下水库弃渣场鸟瞰图Figure 4 Aerial view of the spoil areas of a power station

3 渣场设计

截至2020年底，新源公司系统内约有4个电站的6个渣场在基建期发生过设计变更，设计变更提出的原因多为防洪标准提高，截排水沟结构调整，挡渣墙结构调整等；约有5个运行期电站的8个渣场处于整体不稳定状态，约有4个运行期电站的6个渣场投入资金进行治理过。

渣场设计的主要内容包括渣场分级和设计标准、渣场稳定性分析、渣场挡护、渣场截排水等内容，进行渣场设计时应着重关注以下几个方面的内容：

（1）渣场设计前应收集水文、地形地质、水土保持等方面的资料，受到台风、强降雨等极端气候影响的渣场应重点关注[7]。

（2）可行性研究阶段应确定渣场布置位置、规模，完成渣场挡护、排水方案设计，提出渣场防护工程措施及主要工程量，完成渣场稳定性分析。

（3）招标、施工图阶段渣场设计应复核渣场堆渣容量，对挡护、截排水设施进行结构设计，满足工程施工招标及现场施工要求。渣场挡护、截排设计成果应有针对性的地勘工作[8]。

（4）渣场设计应细化给出从渣场起用到最终形成，整个过程中各阶段、各标段的填筑量、填筑高程，对渣场防护、排水、挡墙等施工的界面，各标段间的衔接要求等。

（5）对于利用渣场平台形成的施工工厂等场地，应提出渣体的碾压参数及渣料的物理力学指标[1]。

（6）渣场地基、渣体的物理力学参数宜优先通过试验确定。弃渣场堆置要素应根据渣体物理力学参数、岩土组成、地形地质条件等确定。

（7）松散的碎石土堆积物内部往往呈现无黏性的平面破坏情况，稳定性分析计算时应平面滑动计算；密实的碎石土堆积物稳定性分析计算时应按圆弧滑面计算，推荐使用毕肖普法。

（8）渣体稳定性分析时，在考虑通过计算软件搜索获取的滑动面时，还应考虑渣体沿原始地面等其他潜在软弱面发生变形破坏的可能[2]。

（9）渣场设计时应对清除地表附着物提出明确要求，避免地表附着物在长时间的物理、化学作用下碳化泥化，降低渣体和原地表之间形成潜在软弱滑动面的风险。

（10）对不受水流冲刷影响的渣场坡脚挡墙，挡墙应考虑利用渣料，优先考虑使用浆砌石挡墙、钢筋石笼结构形式。

（11）渣体内部含水量对渣体的整体稳定有较大影响，渣场设计时应关注渣体的内部排水设计。渣体底部应设置一定厚度的排水棱体，排水棱体的质量应得到保证。

（12）渣场设计过程中，应结合渣场挡、排设施设计合理的运维道路，方便运行期巡检和维护。

（13）规模较大的弃渣场应建立弃渣场安全监测系统，实现对渣场实时监测，掌握渣场的运行状态。监测系统运行示意图见图5[9]。

图5 弃渣场稳定性监测系统运行示意图Figure 5 Operation diagram of stability monitoring system of spoil areas

4 渣场运检

弃渣场运检主要包括渣场的运行业务、检查业务、维护业务。永久征地范围内的渣场应按期开展渣场的运行、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，应按大坝的相关要求开展运行、检查、维护等工作。

4.1 渣场移交

移交运行单位的渣场包括永久征地范围内的渣场及临时征地范围内暂未移交的渣场。进行渣场移交时应着重关注以下几个方面的内容：

图6 某电站上水库坝后压坡体鸟瞰图Figure 6 Aerial view of the slope behind the dam of the upper reservoir of a Hydropower Station

（1）应按照《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。对堆渣量超过50万m3或者最大堆渣高度超过20m的渣场，在水土保持专项验收前应完成稳定性评估工作。

（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。

4.2 渣场运检

渣场运检包括渣场的运行业务及渣场的检查业务。进行渣场运检时应着重关注以下几个方面的内容：

（1）运行单位应建立渣场检查制度。汛前、汛后以及暴风、暴雨、特大洪水或者强烈地震发生后，应组织对其所管辖渣场进行检查。巡视检查应结合当前运行状况，确定重点巡视部位。

（2）渣场检查分为日常巡查、年度详查。日常巡查每月应不少于一次，汛期、台风、强降雨及地震等特殊情况下应增加巡视检查次数；年度详查通常每年至少在汛前和汛后各进行一次。年度详查除对渣场各种设施进行检查外，还应分析渣场运行情况、维护记录和监测数据等，初步评判渣场运行状态。

（3）渣场检查可通过目视、耳听、手摸，同时辅以相应的工具和仪器进行；检查人员应由专业人员组成，检查工作应由经验丰富、熟悉本工程情况的水工专业技术人员主持。检查人员不宜任意变动，现场记录应及时整理。对渣场存在的问题应逐项检查和记录，对异常和损坏部位应详细说明，并进行摄像或录像，以待专项调查和养护修理。

（4）巡视检查中如发现有裂缝、滑移、塌陷等征兆或其他异常迹象，应立即上报，并分析其原因。对巡视检查中发现的安全问题，应立即处理。巡视检查及处理情况应以文字、图表的方式记载保存。

（5）对已移交地方管理且对电站安全稳定运行有重大影响的渣场应密切关注，及时反映情况。

（6）宜定期委托专业机构对渣场进行安全性评价。

（7）渣体检查项目一般包括：渣体有无裂缝、沉陷、滑坡、大量积水、冲刷、堆积等现象；植被是否完好等。

（8）坡脚支挡设施检查项目一般包括：混凝土有无基础掏空、断裂、渗漏、溶蚀、侵蚀和冻害等情况；渗漏水量和水质有无明显变化。

（9）巡检道路检查项目一般包括：路面有无松散、裂缝、坑洼、隆起、积水、碎石等；路基是否稳定；路基排水是否通畅，有无破损、堵塞、积水、植物滋生；护栏有无撞坏、断裂、松动、错位、缺件、锈蚀等现象；交通标志、路面标线、减速带、球面镜有无破损、缺失。

（10）监测设施检查项目一般包括：各类监测仪器，各测点的保护装置及接地防雷装置，监测仪器电缆、监测自动化系统网络电缆、电源电缆及供电系统等是否正常运行；光缆、电缆、仪器标识牌是否清晰可见。