某抽水蓄能电站弃渣场地质勘察及工程评价

2021-06-30耿军民张云飞

水电与抽水蓄能 2021年3期

闵丽，耿军民，王珏，董雪，张云飞

（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 100161；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北省武汉市 430010）

0 引言

抽水蓄能电站输水系统、地下厂房、上/下水库的形成常常伴随着大规模开挖，加上厂内、外连接道路开挖等因素，导致抽水蓄能电站工程弃渣量较大[1]。伴随着国家、行业层面对弃渣场安全、水土保持恢复等方面的重视程度越来越高，抽水蓄能电站如何更好地保护生态环境、减少占用耕地面积、减少水土流失的需求也越来越高[2]。抽水蓄能电站弃渣场物源来源复杂，堆渣时间长，渣体内部地质条件复杂，变形破坏呈现多样化，同时受设计阶段、勘察深度、不同设计方案的影响，以及受潜在地质灾害影响存在一定的安全隐患，渣场变更、征地范围调整等情况时有发生。通过行之有效的弃渣场的勘察、及时科学的评价工作，对抽水蓄能电站项目顺利开发建设具有重要意义[3-7]。

1 工程概况

1.1 弃渣场基本情况

某抽水蓄能电站位于我国华东地区，开发方式为日调节抽水蓄能电站，电站规模为大（1）型一等工程，其主要建筑物按Ⅰ级建筑物设计。根据工程场地地震安全性评价报告可知，工程场区基岩50年超越概率10%地震动峰值加速度为30.8gal（1gal=1cm/s2），相应地震基本烈度小于Ⅵ度。工程区区域构造稳定性好，不具备水库诱发地震的条件，诱发破坏性地震的可能性极小。

下水库弃渣场位于右岸坡库外、改线公路西侧冲沟内，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。弃渣场渣场占地面积18.90hm2，设计容渣量477.43万m3。该弃渣场规模为特大型弃渣场，拦挡防护设施级别为3级，弃渣场防洪设计标准采用50年一遇洪水，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。2014年，该弃渣场开始堆渣，目前已基本完成堆渣施工。

1.2 弃渣场空间形态

弃渣后渣场区总体呈三层台阶状：第一台阶台面高程在325m左右，台面长约220m，最宽处约60m；第二台阶台面高程在350m左右，台面长约300m，最宽处约60m；第三台阶台面高程在410m左右，台面长约365m，最宽处约85m。下水库弃渣场示意见图1。

图1 下水库弃渣场Figure 1 Residues spoil areas of Lower reservoir

2 技术问题及路线

2.1 技术路线

充分收集弃渣场及周边相关勘察资料，采用地质调查、钻探、物探、原位试验等综合勘测手段，研究弃渣体的具体参数，并进行工程地质评价。技术路线如图2所示。

图2 地勘工作技术线路图Figure 2 The framework map of technical route

2.2 勘察方法

可行性研究阶段应对四级以上弃渣场及防护工程进行地质勘察，规定了地质勘察应包括的工作内容[8]。本工程通过资料收集，采用地形测量、地质测绘、钻探、物探、现场原位试验、室内试验及地下水位长期观测等多种勘察手段，研究弃渣体现状下的空间形态特征、物质组成、结构特征和物理力学性质；结合现场与室内试验、工程类比和稳定性计算选取弃渣体力学参数，并综合弃渣体特征和现状进行工程地质评价。

图3 现场探槽取样及大容重试验Figure 3 Field trench sampling and bulk density test

3 弃渣场物质组成分析

3.1 地表调查和钻孔资料分析

地表调查和钻探揭示，弃渣体大部分为开挖无用的全强风化花岗岩废料，部分为残坡积碎石土，但颗粒结构各部位略有区别，下伏为全、强风化花岗岩，未揭示有软弱土层。

在弃渣过程中，大颗粒（碎块石）随坡滚动堆积于原地面平缓处或低洼处，如布置于沟底钻孔JX1和JX4均揭示有一层碎块石土层，厚度1～3m。另外，第一平台弃渣体的角砾土，夹少量碎块石，颗粒多小于15cm，来源为全强风化花岗岩和残坡积碎石土层，第二平台弃渣体为含碎块石角砾土，且局部夹有碎块石土层，第三平台弃渣体为角砾土，主要为全强风化花岗岩弃料，颗粒粒径多小于5cm，夹少量碎块石。钻孔揭示弃渣体厚度统计见表1。

表1 弃渣体厚度统计表Table1 Thickness statistics table of spoil ground

图4 钻孔下长期观测管和物探作业Figure 4 Long term observation tube under borehole and geophysical exploration

3.2 物探成果分析

弃渣体厚度和可能的物质组成分区，采用了高密度电法勘探，亦称直流高密度电阻率法。测区基岩为花岗岩，当存在风化、破碎、裂隙、构造等发育时，电阻率（ρ）将不同程度降低；覆盖层组成主要是角砾土、碎块石土，相关组成成分及基岩电阻率范围见表2。

表2 测区岩（土）体地球物理参数统计表Table 2 Statistical table of geophysical parameters of rock （soil） in survey area

第一、第二、第三平台坡体物探剖面揭示分别见图5～图7。经分析发现：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。上部的角砾土、碎块石土，电阻率表现为相对低阻特性；下部的基岩，电阻率值表现为相对高阻特性。

图5 弃渣场第一平台前部坡体物探成果显示物质组成Figure 5 The material composition of the slope in front of the first platform of the spoil areas

图6 弃渣场第二平台物探成果显示物质组成Figure 6 The material composition of the second platform of the spoil areas

图7 弃渣场第三平台物探成果显示物质组成Figure 7 The material composition of the third platform of the spoil areas

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。

4 弃渣场稳定性评价

4.1 物理力学参数选取

根据现场和室内试验成果及电站前期勘察成果，类比已收集到的类似工程，弃渣体及下伏岩体物理力学参数见表3。

表3 弃渣场岩、土体物理力学参数建议值表Table 3 Recommended values of physical and mechanical parameters of rock and soil of the spoil areas

4.2 稳定性复核

为了开展弃渣后渣场稳定性评价，选取典型弃渣场现状剖面进行稳定性验算，剖面见图8。由于弃渣体前缘已建有拦渣坝，计算底滑面基本按原始地形，前缘剪出口高于坝体，后缘顺原地形上延。一般的弃渣体破坏启动，多为后缘渣体先滑动失稳，从而导致其前缘渣土体被推动，最后形成整体滑动破坏[7]。当不存在水流掏刷渣体坡脚时，弃渣的破坏多为推移式。

图8 弃渣体整体稳定性验算剖面Figure 8 Overall stability checking section of the spoil areas

按照基本工况和地震工况，采用瑞典圆弧法进行计算。由于该地区地震基本烈度小于Ⅵ度，故不考虑地震工况。采用边坡稳定计算软件计算出弃渣体最小安全系数为1.956，大于基本工况要求的1.3，弃渣场整体稳定。

4.3 整体稳定性评价

4.3.1 堆积坡比

现弃渣体分三台阶堆积，三台阶宽60～80m，非一坡到顶堆积，这种堆积方式对弃渣场整体稳定是有利；现弃渣场整体堆积坡比在1：3.0～1：3.5，小于设计坡比1：2.0，对整体稳定有利；弃渣体三台阶间高差偏大，现未按设计要求完成防护施工，现状下对弃渣场局部稳定存在不利影响。

4.3.2 物质组成

弃渣场主要由全强风化花岗岩构成的角砾土、含碎块石角砾土、碎块石土，少部分残坡积碎石土，弃渣体底部和中间未见软弱土层；弃渣体结构松散—中密状，向底部密实性渐增；弃渣体透水性向底部渐低，整体呈弱透水性，其储水性较差，仅弃渣体前部见深埋地下水；弃渣体现有的物质组成、结构和水文地质特征对渣场的整体稳定有利。

4.3.3 运行情况

弃渣场弃渣至今已近6年，弃渣场整体未见明显变形迹象，仅发现有沿3个平台临空部位发生局部的变形和滑移破坏，但经少量工程措施处理即可消除不利影响。

4.3.4 稳定性验算

对弃渣场整体稳定性验算可知，其最小安全系数＞1.3，整体稳定。