某水电站弃渣场综合治理

李映霞，李剑武

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院,贵州 贵阳 550081）

1 工程概况

某水电站位于贵州省威宁县境内,系该流域中下游河段规划梯级的第三级水电站。该水电站主要开发任务为发电,水库总库容2.484 亿m3,总装机容量为240 MW,保证出力为47.42 MW,多年平均发电量为9.30 亿kW·h,年利用小时为3875 h。电站死水位高程为1370 m,正常蓄水位高程为1405 m。

2 弃渣场选址及规划

2.1 弃渣场选址

本工程主体加临建工程土石方开挖总量约326.9 万m3（松方）。根据工程需要和现场实际地形,在坝址右岸上游库区内和坝址下游右岸分别拟选一个弃渣场进行比较,两弃渣场分别命名为上游田坝弃渣场和下游弃渣场。田坝弃渣场和下游弃渣场规划容量分别为336.74 万m3、25 万m3。根据水文资料表明,下游弃渣场冲沟洪水设计流量较大,冲沟排水设施工程量大,且规划设计弃渣容量较小,不适宜作为本工程的弃渣场,故选择右岸上游的田坝弃渣场作为本工程的唯一弃渣场。

2.2 弃渣场规划

田坝弃渣场位于坝址右岸上游田坝小河冲沟,距坝址直线距离约2 km,有简易公路通达,距213 国道直线距离100 m～300 m,交通十分便利。弃渣场初步规划堆渣高程为1310 m～1429 m,最大堆渣高度为119 m,规划堆渣量约330 万m3,实际堆渣326.9 万m3（松方）。本弃渣场分为上、下两部分,下部弃渣场最终高程为1369 m,低于死水位1 m,上部弃渣场最终高程为1429 m,高于正常蓄水位24 m。

弃渣场规划需同时满足坡体稳定及容量要求,根据工程经验,本弃渣场的具体规划如下：弃渣场上游迎水坡面共两个梯级,每梯级坡比为1∶2.0,第一梯级高15 m,第二梯级高14 m,马道宽6 m；弃渣场中部坡面共四个梯级,每梯级坡比均为1∶1.75,第一至第三梯级高均为15 m,第四梯级高为14 m,各马道宽6 m；弃渣场下游坡面共四个梯级,每梯级坡比均为1∶1.6,第一至第三梯级高均为15 m,第四梯级高为14 m,各马道宽6 m。弃渣场上游坡面坡脚及下游坡面坡脚均设置有挡渣坝。

3 弃渣场综合治理

3.1 弃渣场稳定分析

3.1.1 计算要求及计算工况

弃渣场的稳定性是渣场设计合理与否的基本条件之一。根据弃渣场的布置,借助理正岩土工程软件,对堆渣体进行稳定计算,验证弃渣场设计是否合理、安全,确保弃渣场设计满足安全要求。

根据相关规范要求[1]、弃渣场与枢纽主体工程之间的位置关系,本弃渣场属于水库Ⅲ级边坡。根据规范要求,弃渣场在持久状况、短暂状况及偶然状况下的最小安全系数分别为1.10、1.05 及1.00。

本渣场位于坝址上游,堆渣体一部分（1370 m 以下）低于死水位,一部分（1370 m～1405 m）位于消落带,一部分（1405 m～1429 m）位于正常蓄水位以上,因此需考虑电站施工期、正常运行期、暴雨工况、水位降落期及地震工况这五种工况下弃渣场的稳定性分析,各工况下最小稳定安全系数要求见表1。

表1 各工况下最小稳定安全系数

3.1.2 计算方法及基本参数

堆渣体为松散的土石渣,其可能发生的破坏模式为土质圆弧滑动。根据规范规定：黏性土,混合土和均质堆积物宜按圆弧滑面计算,宜采用下限解法做稳定分析,推荐采用简化毕肖普法求解最危险滑面和相应安全系数,也可以采用詹布法。因此,本边坡稳定计算分析采用平面极限平衡下限解法,采用简化Bishop 法求解最危险滑面和相应安全系数,计算简图见图1。

图1 计算简图

工程区地震基本烈度为Ⅶ度,根据类似工程经验及《某水电站工程可行性研究报告》,基岩及堆渣体在不同状态下的物理力学参数见表2。

表2 不同状态下的物理力学参数

3.1.3 计算结果

各工况下堆渣体边坡稳定计算结果见表3,均满足规范要求。

表3 各工况下设计稳定安全系数

3.2 坡面护坡设计

为防止水土流失或保证边坡稳定性,需对弃渣场进行坡面护坡设计。弃渣场常用的护坡方式主要有三种：框架护坡、浆砌石护坡及干砌石护坡。其中框架护坡对提高边坡的稳定性有一定的作用,多用于边坡稳定安全系数富裕度不高的情况,本弃渣场稳定安全系数富裕度较高,从节省工程投资的角度考虑,不宜采用框架护坡。浆砌石护坡适用于有防渗要求的情况,而干砌石护坡适用于水位变化频繁和有风浪侵蚀的情况,且干砌石为柔性结构,较浆砌石护坡更能适应基础的变化,故耐久性优于浆砌石。本弃渣场上游坡面为迎水面,中部坡面部分位于消落带内,下游坡面位于死水位以下,上游及中部坡面均存在水位变化的情况,且坡体为土石混合的松散渣体,存在不均匀沉降问题,因此本弃渣场采用干砌石护坡,干砌石厚度为40 cm。

另外,渣场弃渣完成后,根据水土保持要求,将对上游弃渣场顶部进行覆垦。

3.3 排洪工程设计

3.3.1 防洪标准及设计流量

防洪设计标准及相应洪水流量是排水断面设计的主要计算条件,需根据相关规范[2]要求确定渣场的防洪设计标准。

综合考虑渣场容量、堆渣高度、可能对下游造成的危害、经济合理和安全可靠的相关因素,该渣场属特大型渣场,其运行期防洪设计标准P=2%～1%。由于本弃渣场下游附近无密集居民区及重要水工建筑物,其防洪设计标准按P=2%考虑。工程施工期弃渣场的防洪标准一般不超过5 年一遇,但考虑到该弃渣场规模较大,其施工期防洪标准按10 年一遇考虑。本弃渣场防洪设计标准及相应的设计流量见表4。

表4 渣场设计标准

3.3.2 施工期排洪设计

本弃渣场上游汇水面积大,施工期10 年一遇洪水流量为61.2 m3/s,需采用断面较大的排洪渠（洞）对施工期洪水进行引排。本弃渣场为河谷类库底型渣场[3-5],长约1.3 km,且渣体堆高较高,施工期适宜采用库底排水涵进行排洪。

根据地形,排水涵出口顶板高程为1302.60 m,低于长枯水位,故施工期排水涵为自由出流。初拟排水涵净断面为2.5 m×2.8 m（宽×高）,利用有压流公式试算,上游水深为6.45 m,与排水涵净高之比为2.34（＞1.5）,满足有压流计算条件,说明计算理论及尺寸选择合适。

3.3.2 运行期排洪方案比选

库区50 年一遇淤沙高程为1335.00 m,远高于排水涵出口高程,电站运行一段时间后将被淤堵,因此还需设置运行期排洪设施引排洪水。根据地形、弃渣场布置及与周边建筑物关系等特点,弃渣场运行期排洪方案主要有以下三种：右岸排洪明渠、右岸排水隧洞及左岸排水涵。

（1）右岸排洪明渠

弃渣场右岸地形相对较缓,故右岸具备设置排洪明渠的地形条件,且弃渣场中部坡面右侧为玄武岩石料场,终采平台高程为1365 m,可将排洪明渠出口设置在石料场边坡上,采用台阶消能将洪水引入石料场终采平台。排洪明渠长530 m,经计算,为尽量减少明渠右侧边坡开挖及支护工程量,排洪明渠进口需设置在1424.00 m 高程,过流净断面尺寸为5 m×4 m（宽×高,矩形）。受地形及过流条件限制,明渠基础局部落在弃渣上,存在基础不均匀沉降而导致明渠开裂问题,另外明渠出口附近有一较大深切冲沟,覆盖层较深,该处明渠基础处理较为困难,且出口处需要原石料场进行侧向开挖,开挖及支护工程量较大。右岸覆盖层及玄武岩强风化层较深,且基础存在不均匀沉降问题,因此排洪明渠需采用钢筋混凝土结构。该方案中原设计连接弃渣场左右岸的右岸7#公路需横跨排洪明渠,因此需将7#公路接入点处排洪明渠设置为桥涵。

（2）右岸排水隧洞

因弃渣场中部坡面右侧为玄武岩石料场,亦可采用排水隧洞将上游洪水引入石料场终采平台,隧洞长约615 m。根据渣场上游地形、电站正常蓄水位、石料场规划及其地质条件分析,排水隧洞出口顶拱宜设置在1405.00 m 高程,为防止库区水位倒灌至弃渣场上游,排水隧洞进口底板高程设置为1406.00 m。因排水隧洞出口顶拱位于正常蓄水位以下,故属淹没出流。初拟排水隧洞净断面为直径4.8 m 的马蹄形,利用有压流公式进行试算,上游水深为8.1 m,与排水隧洞净高之比为1.66（＞1.5）,满足有压流计算条件,过流净断面尺寸选择合适。

（3）左岸排水涵

弃渣场左岸地形较陡,不具备设置排洪明渠的条件,左岸弃渣场规划范围内有一条6 m 宽的乡村道路,路面高程约为1405 m,可考虑利用乡村道路作为基础设置运行期排水涵,以减少开挖支护及基础处理工程量。排水涵出口需引至下游弃渣场,但对下游弃渣场存在冲刷问题,需设置消能设施。因排水涵出口位于正常蓄水位以下,故属淹没出流。根据地形,排水涵进口底板高程设置在1409.50 m,出口高程为1405.00 m,排水涵出口至下游渣场之间设置明渠引至下游弃渣场,明渠底板设置成台阶,且明渠出口需做防冲设施,排水涵及出口明渠总长600 m。初拟排水涵净断面为3 m×4 m（宽×高,矩形）,利用有压流公式进行试算,上游水深为16.67 m,与排水涵净高之比为4.16（＞1.5）,满足有压流计算条件,且上游雍高水位为1426.16,低于上游弃渣场终了高程1429.00 m,不存在漫顶问题,说明计算理论及尺寸选择合适。

（4）排洪方案选择

根据上述分析,弃渣场运行期排洪方案主要有右岸排洪明渠、右岸排水隧洞及左岸排水涵。需综合考虑基础不均匀沉降、对弃渣场整体稳定的影响、对下游弃渣场的影响、对周边建筑物的干扰及工程投资等因素,选择安全、合理、经济的排洪方案。各排洪方案综合比较见表5,本弃渣场推荐采用右岸排水隧洞方案。

表5 运行期各排洪方案综合比较

4 结语

弃渣场综合治理设计中,应充分考虑弃渣场地形地质情况及与周边建筑物的关系等特点,进行合理的规划设计,以满足堆渣边坡稳定及堆渣容量的要求。对于位于库区的河谷类库底型弃渣场,在设计过程中,需特别注意随着工程面貌的变化,弃渣场下游及排洪设施出口处库区水位的变化,以及淤沙高程等对弃渣场边坡稳定及排洪工程过流能力影响,从而选择安全、经济、合理的排洪设计方案。