李映霞，李劍武

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院,貴州 貴陽 550081）

1 工程概況

某水電站位于貴州省威寧縣境內(nèi),系該流域中下游河段規(guī)劃梯級的第三級水電站。該水電站主要開發(fā)任務為發(fā)電,水庫總庫容2.484 億m3,總裝機容量為240 MW,保證出力為47.42 MW,多年平均發(fā)電量為9.30 億kW·h,年利用小時為3875 h。電站死水位高程為1370 m,正常蓄水位高程為1405 m。

2 棄渣場選址及規(guī)劃

2.1 棄渣場選址

本工程主體加臨建工程土石方開挖總量約326.9 萬m3（松方）。根據(jù)工程需要和現(xiàn)場實際地形,在壩址右岸上游庫區(qū)內(nèi)和壩址下游右岸分別擬選一個棄渣場進行比較,兩棄渣場分別命名為上游田壩棄渣場和下游棄渣場。田壩棄渣場和下游棄渣場規(guī)劃容量分別為336.74 萬m3、25 萬m3。根據(jù)水文資料表明,下游棄渣場沖溝洪水設計流量較大,沖溝排水設施工程量大,且規(guī)劃設計棄渣容量較小,不適宜作為本工程的棄渣場,故選擇右岸上游的田壩棄渣場作為本工程的唯一棄渣場。

2.2 棄渣場規(guī)劃

田壩棄渣場位于壩址右岸上游田壩小河沖溝,距壩址直線距離約2 km,有簡易公路通達,距213 國道直線距離100 m～300 m,交通十分便利。棄渣場初步規(guī)劃堆渣高程為1310 m～1429 m,最大堆渣高度為119 m,規(guī)劃堆渣量約330 萬m3,實際堆渣326.9 萬m3（松方）。本棄渣場分為上、下兩部分,下部棄渣場最終高程為1369 m,低于死水位1 m,上部棄渣場最終高程為1429 m,高于正常蓄水位24 m。

棄渣場規(guī)劃需同時滿足坡體穩(wěn)定及容量要求,根據(jù)工程經(jīng)驗,本棄渣場的具體規(guī)劃如下：棄渣場上游迎水坡面共兩個梯級,每梯級坡比為1∶2.0,第一梯級高15 m,第二梯級高14 m,馬道寬6 m；棄渣場中部坡面共四個梯級,每梯級坡比均為1∶1.75,第一至第三梯級高均為15 m,第四梯級高為14 m,各馬道寬6 m；棄渣場下游坡面共四個梯級,每梯級坡比均為1∶1.6,第一至第三梯級高均為15 m,第四梯級高為14 m,各馬道寬6 m。棄渣場上游坡面坡腳及下游坡面坡腳均設置有擋渣壩。

3 棄渣場綜合治理

3.1 棄渣場穩(wěn)定分析

3.1.1 計算要求及計算工況

棄渣場的穩(wěn)定性是渣場設計合理與否的基本條件之一。根據(jù)棄渣場的布置,借助理正巖土工程軟件,對堆渣體進行穩(wěn)定計算,驗證棄渣場設計是否合理、安全,確保棄渣場設計滿足安全要求。

根據(jù)相關規(guī)范要求[1]、棄渣場與樞紐主體工程之間的位置關系,本棄渣場屬于水庫Ⅲ級邊坡。根據(jù)規(guī)范要求,棄渣場在持久狀況、短暫狀況及偶然狀況下的最小安全系數(shù)分別為1.10、1.05 及1.00。

本渣場位于壩址上游,堆渣體一部分（1370 m 以下）低于死水位,一部分（1370 m～1405 m）位于消落帶,一部分（1405 m～1429 m）位于正常蓄水位以上,因此需考慮電站施工期、正常運行期、暴雨工況、水位降落期及地震工況這五種工況下棄渣場的穩(wěn)定性分析,各工況下最小穩(wěn)定安全系數(shù)要求見表1。

表1 各工況下最小穩(wěn)定安全系數(shù)

3.1.2 計算方法及基本參數(shù)

堆渣體為松散的土石渣,其可能發(fā)生的破壞模式為土質(zhì)圓弧滑動。根據(jù)規(guī)范規(guī)定：黏性土,混合土和均質(zhì)堆積物宜按圓弧滑面計算,宜采用下限解法做穩(wěn)定分析,推薦采用簡化畢肖普法求解最危險滑面和相應安全系數(shù),也可以采用詹布法。因此,本邊坡穩(wěn)定計算分析采用平面極限平衡下限解法,采用簡化Bishop 法求解最危險滑面和相應安全系數(shù),計算簡圖見圖1。

圖1 計算簡圖

工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度,根據(jù)類似工程經(jīng)驗及《某水電站工程可行性研究報告》,基巖及堆渣體在不同狀態(tài)下的物理力學參數(shù)見表2。

表2 不同狀態(tài)下的物理力學參數(shù)

3.1.3 計算結果

各工況下堆渣體邊坡穩(wěn)定計算結果見表3,均滿足規(guī)范要求。

表3 各工況下設計穩(wěn)定安全系數(shù)

3.2 坡面護坡設計

為防止水土流失或保證邊坡穩(wěn)定性,需對棄渣場進行坡面護坡設計。棄渣場常用的護坡方式主要有三種：框架護坡、漿砌石護坡及干砌石護坡。其中框架護坡對提高邊坡的穩(wěn)定性有一定的作用,多用于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)富裕度不高的情況,本棄渣場穩(wěn)定安全系數(shù)富裕度較高,從節(jié)省工程投資的角度考慮,不宜采用框架護坡。漿砌石護坡適用于有防滲要求的情況,而干砌石護坡適用于水位變化頻繁和有風浪侵蝕的情況,且干砌石為柔性結構,較漿砌石護坡更能適應基礎的變化,故耐久性優(yōu)于漿砌石。本棄渣場上游坡面為迎水面,中部坡面部分位于消落帶內(nèi),下游坡面位于死水位以下,上游及中部坡面均存在水位變化的情況,且坡體為土石混合的松散渣體,存在不均勻沉降問題,因此本棄渣場采用干砌石護坡,干砌石厚度為40 cm。

另外,渣場棄渣完成后,根據(jù)水土保持要求,將對上游棄渣場頂部進行覆墾。

3.3 排洪工程設計

3.3.1 防洪標準及設計流量

防洪設計標準及相應洪水流量是排水斷面設計的主要計算條件,需根據(jù)相關規(guī)范[2]要求確定渣場的防洪設計標準。

綜合考慮渣場容量、堆渣高度、可能對下游造成的危害、經(jīng)濟合理和安全可靠的相關因素,該渣場屬特大型渣場,其運行期防洪設計標準P=2%～1%。由于本棄渣場下游附近無密集居民區(qū)及重要水工建筑物,其防洪設計標準按P=2%考慮。工程施工期棄渣場的防洪標準一般不超過5 年一遇,但考慮到該棄渣場規(guī)模較大,其施工期防洪標準按10 年一遇考慮。本棄渣場防洪設計標準及相應的設計流量見表4。

表4 渣場設計標準

3.3.2 施工期排洪設計

本棄渣場上游匯水面積大,施工期10 年一遇洪水流量為61.2 m3/s,需采用斷面較大的排洪渠（洞）對施工期洪水進行引排。本棄渣場為河谷類庫底型渣場[3-5],長約1.3 km,且渣體堆高較高,施工期適宜采用庫底排水涵進行排洪。

根據(jù)地形,排水涵出口頂板高程為1302.60 m,低于長枯水位,故施工期排水涵為自由出流。初擬排水涵凈斷面為2.5 m×2.8 m（寬×高）,利用有壓流公式試算,上游水深為6.45 m,與排水涵凈高之比為2.34（＞1.5）,滿足有壓流計算條件,說明計算理論及尺寸選擇合適。

3.3.2 運行期排洪方案比選

庫區(qū)50 年一遇淤沙高程為1335.00 m,遠高于排水涵出口高程,電站運行一段時間后將被淤堵,因此還需設置運行期排洪設施引排洪水。根據(jù)地形、棄渣場布置及與周邊建筑物關系等特點,棄渣場運行期排洪方案主要有以下三種：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

棄渣場右岸地形相對較緩,故右岸具備設置排洪明渠的地形條件,且棄渣場中部坡面右側為玄武巖石料場,終采平臺高程為1365 m,可將排洪明渠出口設置在石料場邊坡上,采用臺階消能將洪水引入石料場終采平臺。排洪明渠長530 m,經(jīng)計算,為盡量減少明渠右側邊坡開挖及支護工程量,排洪明渠進口需設置在1424.00 m 高程,過流凈斷面尺寸為5 m×4 m（寬×高,矩形）。受地形及過流條件限制,明渠基礎局部落在棄渣上,存在基礎不均勻沉降而導致明渠開裂問題,另外明渠出口附近有一較大深切沖溝,覆蓋層較深,該處明渠基礎處理較為困難,且出口處需要原石料場進行側向開挖,開挖及支護工程量較大。右岸覆蓋層及玄武巖強風化層較深,且基礎存在不均勻沉降問題,因此排洪明渠需采用鋼筋混凝土結構。該方案中原設計連接棄渣場左右岸的右岸7#公路需橫跨排洪明渠,因此需將7#公路接入點處排洪明渠設置為橋涵。

（2）右岸排水隧洞

因棄渣場中部坡面右側為玄武巖石料場,亦可采用排水隧洞將上游洪水引入石料場終采平臺,隧洞長約615 m。根據(jù)渣場上游地形、電站正常蓄水位、石料場規(guī)劃及其地質(zhì)條件分析,排水隧洞出口頂拱宜設置在1405.00 m 高程,為防止庫區(qū)水位倒灌至棄渣場上游,排水隧洞進口底板高程設置為1406.00 m。因排水隧洞出口頂拱位于正常蓄水位以下,故屬淹沒出流。初擬排水隧洞凈斷面為直徑4.8 m 的馬蹄形,利用有壓流公式進行試算,上游水深為8.1 m,與排水隧洞凈高之比為1.66（＞1.5）,滿足有壓流計算條件,過流凈斷面尺寸選擇合適。

（3）左岸排水涵

棄渣場左岸地形較陡,不具備設置排洪明渠的條件,左岸棄渣場規(guī)劃范圍內(nèi)有一條6 m 寬的鄉(xiāng)村道路,路面高程約為1405 m,可考慮利用鄉(xiāng)村道路作為基礎設置運行期排水涵,以減少開挖支護及基礎處理工程量。排水涵出口需引至下游棄渣場,但對下游棄渣場存在沖刷問題,需設置消能設施。因排水涵出口位于正常蓄水位以下,故屬淹沒出流。根據(jù)地形,排水涵進口底板高程設置在1409.50 m,出口高程為1405.00 m,排水涵出口至下游渣場之間設置明渠引至下游棄渣場,明渠底板設置成臺階,且明渠出口需做防沖設施,排水涵及出口明渠總長600 m。初擬排水涵凈斷面為3 m×4 m（寬×高,矩形）,利用有壓流公式進行試算,上游水深為16.67 m,與排水涵凈高之比為4.16（＞1.5）,滿足有壓流計算條件,且上游雍高水位為1426.16,低于上游棄渣場終了高程1429.00 m,不存在漫頂問題,說明計算理論及尺寸選擇合適。

（4）排洪方案選擇

根據(jù)上述分析,棄渣場運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。需綜合考慮基礎不均勻沉降、對棄渣場整體穩(wěn)定的影響、對下游棄渣場的影響、對周邊建筑物的干擾及工程投資等因素,選擇安全、合理、經(jīng)濟的排洪方案。各排洪方案綜合比較見表5,本棄渣場推薦采用右岸排水隧洞方案。

表5 運行期各排洪方案綜合比較

4 結語

棄渣場綜合治理設計中,應充分考慮棄渣場地形地質(zhì)情況及與周邊建筑物的關系等特點,進行合理的規(guī)劃設計,以滿足堆渣邊坡穩(wěn)定及堆渣容量的要求。對于位于庫區(qū)的河谷類庫底型棄渣場,在設計過程中,需特別注意隨著工程面貌的變化,棄渣場下游及排洪設施出口處庫區(qū)水位的變化,以及淤沙高程等對棄渣場邊坡穩(wěn)定及排洪工程過流能力影響,從而選擇安全、經(jīng)濟、合理的排洪設計方案。