溫家華，閆 賓，劉殿海，柴建峰

（國網新源控股有限公司抽水蓄能經濟技術研究院，北京市 100761）

0 引言

抽水蓄能電站一般臨近電力負荷中心，自然和人文環(huán)境復雜，有效保證棄渣場的安全穩(wěn)定運行，提高棄渣場全過程管控能力，是水電站建設管理和運營的重要關注點之一[1-4]。

目前抽水蓄能電站棄渣場的勘測工作量主要在招標設計階段完成，可行性研究階段投入的勘測工作量較少。做好渣場勘測設計工作，有利于招標文件中渣場部分的清單報價，有利于解決棄渣堆放隨意等問題，還可避免渣場二次搬家等重復工作，節(jié)省投資和減少不必要的麻煩。

歸納數個抽蓄工程渣場設計文件來看，多有以下特點[2，4]：

（1）棄渣體物理力學參數多為經驗值，試驗值相對較少，隨機性和差異性較大。棄渣場的地勘工作如何布置還不明確。

（2）多將渣體視為均勻的松散介質體，由邊坡穩(wěn)定性計算軟件自動搜索滑動破壞面，不切合工程現場實際。

目前渣體穩(wěn)定性計算所輸入的物理力學參數、商業(yè)軟件自動搜出潛在滑面、穩(wěn)定性結果和工程處理措施等，也和棄渣體實際變形破壞機理有一定的差別。

（3）精細化、精準化設計和管理有待于加強。如堆渣前，應確保渣場對外的連接道路已經完工，表土堆存場已啟用，用來堆置腐殖土等地表剝離物。棄渣場常常出現場址、容量、堆渣方式等的變更。

（4）較少關注渣場基底水文地質條件隨著堆渣而發(fā)生的動態(tài)變化。

（5）已投產運行電站的棄渣場存在防治責任不明確、移交困難等問題。

主要從以下方面對新源公司棄渣場現狀及渣場變形穩(wěn)定性評價展開研究：

（1）抽水蓄能電站棄渣場現狀調查分析。收集和分析已有運行電站、在建電站棄渣場設計、運維及監(jiān)測等資料。摸清公司電站棄渣場現狀及問題，可為生產管理部門提供了寶貴的基礎資料。

2019年1～12月，國網新源抽水蓄能技術經濟研究院開展了新源公司棄渣場現狀普查、調研和踏勘等工作，并編制完成了《新源公司棄渣場現狀調查分析報告》。

（2）棄渣場邊坡變形穩(wěn)定性評價方法研究。結合現狀調查分析結果，選擇具有代表性的渣場進行一定量的勘察工作，獲得渣體物理力學特性指標，并結合設計成果資料進行穩(wěn)定性計算、評估和預測。結合棄渣場已有勘測和監(jiān)測等資料，開展棄渣場三維數值分析，探討修坡、碾壓、清除原有地面植被、地震、極端天氣、巖土體參數等不同因素對棄渣體穩(wěn)定性的影響，并對比分析三維數值分析和常規(guī)極限平衡法，通過多因素敏感性分析判斷不同參數對渣場穩(wěn)定性的影響，進而探討棄渣場邊坡變形穩(wěn)定性評價方法。

1 棄渣場現狀調查

1.1 工作內容

通過普查，梳理和總結棄渣場各個階段存在的問題，為后續(xù)電站建設提供指導建議。

如某在建抽水蓄能電站開工后，發(fā)現前期選定的棄渣場可能會受潛在地質災害影響，存在一定的安全隱患，最終不得不重新選擇渣場，重新報批調整征地范圍。

2019年5月，通過公司生技部向18個已運營抽水蓄能電站發(fā)出棄渣場現狀普查表，共收集到46個棄渣場的普查表。

2019年5月，通過公司基建部向14個在建抽水蓄能電站發(fā)出普查表，收集到54個棄渣場的相關資料。

2019年7月、9月、10月，項目組完成了對廈門、天池、仙游、績溪等電站棄渣場的調研、踏勘等工作。

本次現狀調查研究工作的特點有：

（1）普查調查問卷表和現場踏勘相結合。

（2）普查調查問卷表從8個維度出發(fā)，包括40多個渣場關鍵信息：堆渣高度、堆渣量、渣場所屬權、渣場運維情況、渣場地形地貌、氣候環(huán)境、截排水設施、攔擋設施、渣體表面邊坡情況、運維經驗教訓和建議等。

1.2 現狀調查成果

通過統計分析18個已運營抽水蓄能電站的46個棄渣場資料、在建電站的54個棄渣場資料，發(fā)現：

（1）約65%的棄渣場仍由電站自行管理，尚未移交給當地相關部門，存在防治責任不明確、移交困難等問題。

（2）即使是移交給當地政府的棄渣場，大部分仍由電站進行日常的安全巡查。

（3）約93%的棄渣場目前缺少有效或高效的監(jiān)測設施。

（4）從各電站反饋來看，棄渣場需要智能化監(jiān)測系統、巡視便道。

上述調查有利于摸清棄渣場現狀，為生產管理部門提供寶貴的基礎資料。

2 典型棄渣場地質勘察及工程地質評價

選取安徽績溪抽水蓄能電站下庫2號棄渣場開展了地勘和工程地質評價工作?？兿樗钅茈娬疚挥诎不帐】兿h伏嶺鎮(zhèn)境內，為日調節(jié)抽水蓄能電站，電站為大（1）型一等工程。

下庫2號棄渣場位于沖溝內，占地面積18.90hm2，為特大型棄渣場，棄渣場防洪設計標準采用50年一遇洪水。棄渣場工程防護措施包括攔擋工程、截排水工程、沉沙工程和土地整治工程等。按原設計方案，堆渣前需做棄渣場區(qū)的清庫、清表，剝離表土并集中堆存防護，先攔（排）后棄，坡腳設置擋渣墻等攔擋措施，周邊截排水溝，棄渣后期進行場地平整、覆土綠化等。目前堆渣量約323萬m3，占規(guī)劃堆渣量的71.9%，現場實際堆渣占地面積約15.64 hm2。圖1為渣場現狀照片。

圖1 下庫2號棄渣場全貌圖Figure 1 The photo of 2# spoil areas at lower reservoir

2.1 勘察工作內容及技術路線

勘察工作內容主要包括：

（1）查明棄渣體物質組成及分區(qū)，在工程地質測繪基礎上，采用鉆探、坑槽探和現場簡易試驗。

（2）收集前期資料，判別堆渣區(qū)域場地穩(wěn)定性和水文地質條件，查明是否存在不良地質現象；采用電法探測覆蓋層厚度、棄渣場分層特征、基巖面起伏情況。

（3）棄渣體的物理力學及滲透性指標采用重塑樣三軸試驗、重型動力觸探以及注水試驗等手段，結合工程地質類比綜合分析確定，用于評價棄渣場現狀及穩(wěn)定性。

2.2 勘察工作完成情況

2019年10月20日開展現場勘察工作，11月13日完成全部外業(yè)工作，圖2為代表性物探剖面成果，測線位于第一平臺前部坡體。整個剖面視電阻率值縱向呈現由淺到深逐漸增大特性，電阻率等值線成層性較好（上部為角礫土、碎塊石土，其視電阻率表現為相對低阻特性；下部為基巖，視電阻率值表現為相對高阻特性），根據視電阻率大小和等值線形態(tài)推斷棄渣體厚度14～26m不等，基巖面起伏；棄渣體與基巖面間未揭示低電阻帶。物探成果表明，覆蓋層與基巖面分界線同原地形線基本吻合。

圖2 棄渣體第一平臺前部坡體物探剖面云圖Figure 2 The geophysical section of slope at the first platform of spoil areas

圖3為部分室內試驗照片。本次室內土工試驗內容包括：顆粒分析試驗、擊實試驗、大型三軸試驗、自然休止角試驗、渣料級配、最大干密度、抗剪強度指標、E-μ變形參數以及自然休止角等指標。

圖3 室內試驗現場工作照片Figure 3 The photos of soil experimental testing

根據現場和室內試驗成果及電站前期勘察成果，類比其他水電渣場工程設計資料，獲得了渣體及下伏巖土體物理力學參數建議值，用于棄渣場穩(wěn)定性定量化評價。

2.3 地勘成果小結

（1）2號棄渣場主溝為北東向，沖溝長約800m，地勢平緩，坡降小，地面高程為280～475m，溝中有常年流水。棄渣后渣場區(qū)總體呈臺階狀，第一臺階臺面高程在325m左右，第二臺階臺面高程在350m左右，第三臺階臺面高程在410m左右。

（2）棄渣體呈上寬下窄長條狀展布于沖溝內，長約780m，最寬處約365m，最窄處約42m，棄渣體下方堆積起點高程約285m，上方至第三平臺高程約410m，棄渣體高差達125m，棄渣最大厚度達40余米，棄渣量約323萬m3。

（3）棄渣體大部為開挖無用的全、強風化花崗巖廢料，部分為殘坡積土。棄渣體底面起伏不平，呈不規(guī)則鋸齒狀，下伏為全、強風化花崗巖，棄渣體以粗粒組顆粒為主，未見軟弱土層，結構松散—中密狀，具弱透水性，儲水性差。

（4）目前棄渣場3個平臺臨空面局部發(fā)生小規(guī)模的水土流失、淺表層滑塌現象，但整體未發(fā)生明顯的變形，棄渣場整體穩(wěn)定，在暴雨或人工改變現有地貌的情況下可能出現局部小范圍的變形失穩(wěn)。

3 棄渣體的物理力學特性和穩(wěn)定性分析方法

3.1 棄渣體的物理力學特性

水電棄渣物源、來源和組成往往十分復雜，圖4為某抽水蓄能水電站棄渣場鉆探巖芯照片及物源照片。從已有多個渣場勘測設計資料來看，選取的渣體物理力學參數比較隨機，差異顯著，這將影響棄渣體潛在滑面形態(tài)的確定。

圖4 棄渣場物源組成情況Figure 4 The source components of spoil

3.2 棄渣體的水文地質特征

目前分析棄渣場水文地質條件時，較少考慮堆渣對原有地層水文地質條件長期和潛在的影響。

巖土體遇水后物理力學性質較天然狀態(tài)下劣化，對堆渣場地穩(wěn)定是十分不利的，如文獻[7]提及，某水電站臨時渣場，施工階段地質鉆孔揭示地基凝灰?guī)r夾層物理力學指標較高，堆渣后，由于溝道水未進行引流，水流下滲造成凝灰?guī)r夾層軟化，渣場邊坡失穩(wěn)。后期重新布置的鉆孔揭示原地層軟化至泥塑狀，實測土體有效內摩擦角僅有16°。

3.3 渣體的穩(wěn)定性分析方法

3.3.1 極限平衡法

渣體穩(wěn)定性分析屬于松散土質坡穩(wěn)定性分析的范疇。土坡穩(wěn)定極限平衡法是根據斜坡上的滑體或滑塊的力學平衡原理（即靜力平衡原理）分析斜坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)，以及斜坡上潛在滑面的抗滑力與下滑力之間的關系來評價斜坡的穩(wěn)定性。

目前極限平衡法在土坡穩(wěn)定性計算中占主導地位，但由于該方法沒有考慮到土體的應力-應變性質，不能求出失穩(wěn)時土體內部各處的應力和應變，所求得的也只能反映假定滑面上的穩(wěn)定系數，并不能反映土坡的破壞機理，也不能求出失穩(wěn)時土體內部各處的應力與應變。所以，采用這種方法求出的是一種綜合性近似解答。優(yōu)點：①力學模型簡單；②已積累了豐富的工程實踐經驗；③有相關規(guī)范的指導。

3.3.2 數值仿真分析法

有限元法、離散元等三維數值仿真方法的建模成本較高，對計算結果的分析能力也要求較高，目前主要用于研究性的項目，在棄渣場工程設計領域應用還不廣泛。

（1）離散元。采用離散元軟件進行松散體邊坡穩(wěn)定性研究的文獻資料較多，羅浩等[5]結合瀘州市古藺縣鐵路沿線的大嶺山棄渣場工程實際，采用物理模擬方法重現了棄渣體的堆積過程，并結合物理模擬結果，應用PFC仿真分布了渣場邊坡在考慮粒徑分級情況下，由降雨引起的變形失穩(wěn)。整個變形失穩(wěn)過程分為：應力重分布、中部覆蓋層剪切破壞、后緣拉裂、后緣下錯、前緣鼓脹、潛在滑面形成和滑面貫通等階段。坡體中下部表現出推移式滑坡的特征，棄渣體的上部表現出牽引式滑坡的特征。

（2）有限元法。相關研究成果和文獻也較多，如林文華等[6]在地質勘測、巖土試驗和變形監(jiān)測的基礎上，采用強度折減有限元法模擬研究了一大型抽水蓄能電站棄渣場的可能失穩(wěn)機制和變形演化規(guī)律。

3.3.3 不同行業(yè)規(guī)范對比分析

重點分析和討論了以下內容：

（1） 不同規(guī)范規(guī)定的渣場級別劃分標準。

（2）不同規(guī)范對棄渣場的地質勘察要求。

（3）不同規(guī)范對棄渣場設計及穩(wěn)定性分析要求。

本次分析的規(guī)范規(guī)程有[7-10]：《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》《水電工程渣場設計規(guī)范》《生產建設項目水土保持技術標準》《水電建設項目水土保持方案技術規(guī)范》《水利水電工程水土保持技術規(guī)范》《水土保持工程設規(guī)范》《冶金礦山排土場設計規(guī)范》《有色金屬排土場設計標準》等。

對比分析發(fā)現：

（1）類似規(guī)范對棄渣場/排土場穩(wěn)定分析已有了相對明確的要求。如冶金和有色金屬行業(yè)的排土場規(guī)范明確強調了渣體變形破壞模式的準確判定，是計算分析的前提和基礎[9，10]。

（2）棄渣場的地勘工作缺少量化指導原則。由于規(guī)范沒有地勘工作的定量化要求，不同項目棄渣場投入的勘測工作量差別很大。本次研究發(fā)現，目前針對棄渣場投入的勘測工作還是相對偏少，有待進一步加強。

3.3.4 工程實例分析

基于工作中的認識和文獻資料，詳細分析了俄羅斯庫徹金煤礦排土場[1]、平朔安太堡煤礦南排土場[1]、美國俄亥俄州辛辛那提市MSW固體垃圾場[1]、深圳12·20渣場事故等工程實例，并指出：評價棄渣場的穩(wěn)定性，不僅要重視渣料的穩(wěn)定性，更要重視地基軟弱地層浸水后抗變形抗剪切能力的劣化，進而誘發(fā)深部大規(guī)模的滑動破壞。

3.4 本部分工作小結

（1）足量的勘察工作量是精準化設計的基礎。

（2）棄渣體穩(wěn)定性分析時，不能僅僅靠計算軟件來確定滑動面，還應考慮棄渣沿著原天然坡面等其他潛在軟弱結構面發(fā)生變形破壞的可能性。

（3）在堆渣前，應清除原地表的植被和腐殖土等。在長期荷載和水蝕等作用下，原植被層會被碳化泥化，進而形成潛在的軟弱滑動帶。

4 主要研究成果及技術創(chuàng)新

4.1 主要研究成果

（1）通過棄渣場現狀調查分析、地勘及工程防治實例研究，給出了棄渣場監(jiān)測預警及防治的最新技術和方法，對類似工程具有一定的借鑒作用。

（2）棄渣場勘測技術方面。通過對比發(fā)現，相關規(guī)范已經對渣場的勘探手段、設計、水保等各方面進行了較為全面的規(guī)定，但渣場的勘察工作量和鉆孔終孔標準等仍沒有明確，本次系統研究了棄渣體失穩(wěn)破壞機制和影響因素，給出了棄渣場穩(wěn)定性分析流程，量化了棄渣場勘探線布置、勘探點數量和鉆孔終孔標準。渣體的物理力學指標參數盡可能采用試驗值，開展相應的原位試驗和土工試驗時，充分考慮渣料性質和堆場的水文地質條件。渣場地基巖土體的物理力學參數應采用試驗確定。

（3）棄渣場穩(wěn)定性分析流程?？茖W合理的棄渣場穩(wěn)定性分析流程為：渣體特征/堆置要素/地形地貌/工程水文地質條件→判斷和預估破壞模式→確定計算方法→定性分析和定量計算→工程處理措施。

（4）渣場移交及運維管理。渣場移交時應關注：

1）按照《水利部水土保持設施驗收技術評估工作要點》的相關要求，在首臺機組投產運行前完成渣場水土保持設施專項驗收。

2）渣場永久征地范圍內，堆渣量超過50萬m3或者最大堆渣高度超過20m的渣場，宜建立監(jiān)測系統，渣場監(jiān)測宜納入工程整體監(jiān)測范圍。渣場常規(guī)監(jiān)測內容為表觀變形監(jiān)測和振動觀測，對于地質條件復雜的情況，需要實施地基變形監(jiān)測、內部變形監(jiān)測、地下水位監(jiān)測及水文氣象監(jiān)測等。

3）移交地方管理的渣場，應做好驗收、交接工作，明確管理責任。對電站安全運行有不利影響的，且地方政府無法履行相關職責的，可委托運行單位履行相關職責。運行單位應將檢查過程中發(fā)現的問題及時函告地方政府。

永久征地范圍內的渣場應開展渣場的運行、檢查、維護等工作；臨時征地范圍內暫未移交地方的渣場，在未移交之前應開展渣場的運行、檢查、維護等工作；已移交地方政府的渣場，應由地方政府負責渣場的運行、檢查、維護等工作；對于壩后壓坡體部分，應按相鄰大壩的相關要求開展運行、檢查、維護等工作。

4.2 技術創(chuàng)新

（1）針對棄渣場勘察，量化了勘探線布置、勘探點數量和鉆孔終孔標準。

（2）提出除了關注渣體內部水文地質條件變化，還應重視場地基底水文地質條件隨著堆渣而發(fā)生的動態(tài)變化，后者是棄渣場孕育發(fā)生緩傾角深層滑動破壞的必要條件之一。

（3）系統研究了水電工程棄渣體破壞特征和影響因素，并指出工程實踐中應結合渣體及基底巖土體的變形機理判斷滑動破壞面的形態(tài)。

（4）提出一種基于物聯網技術的棄渣場邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統，并獲得專利授權；提出一種基于加固和抗滑同時發(fā)揮作用的散體邊坡加固新技術，并獲得專利。發(fā)表與棄渣勘測設計、運維管理有關的科技論文7篇。

（5）結合本次研究成果，在公司生技部的指導下，編制完成了《渣場運檢導則》，規(guī)定了公司渣場運行、檢查、維護業(yè)務及周期，明確渣場移交條件，用于指導維護人員開展渣場的運行、檢查和維護等工作。