新疆波波娜电站弃渣体滑动稳定性分析与防治措施

邹 维

(新疆水利厅水保中心,新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

波波娜电站位于新疆和田地区喀拉喀什河中游河段,是新疆“十一五”规划重点工程。工程主要由拦河引水枢纽、引水发电洞、调压井、地面厂房和尾水洞渠等建筑物组成。水库总库容398.65万 m3,装机容量150MW。工程总投资11.1亿元,其中土建投资4.6亿元。工程于2006年10月开工建设。

在发电引水洞和 4号施工支洞爆破施工时,洞内的大量弃渣由汽车拉运至洞口后就近倾倒,经过几年不断倾倒和堆积,再经过机械推平和碾压,堆积面积和体积不断扩大,在洞口逐渐形成了一个由弃渣堆积形成的梯形台体。整个弃渣体约155.49万m3,占地面积81837.70m2,最大堆积高度达110m左右(见图1)。

工程水土保持监测工作始于2007年。监测人员发现在 4号施工支洞口堆积有大量弃渣,沿山坡堆积成梯形台体。在台体顶面边缘,多条横向张性裂隙发育,裂面呈锯齿状,开口宽度1～5 cm,台体表面边缘部分已向下滑动,出现陷落和塌滑现象,其他地段也有进一步向下滑动迹象。2010年夏,项目区降水量较往年普遍增多 40%左右,平均降水量达到134.8mm,特别是在 9月23～25日,出现了罕见的持续多日降雨现象,降水量达到46.5mm,大量雨水渗透进入到弃渣体内部,导致该弃渣体前缘出现了部分滑动,滑动方量在1万 m3左右。

图1 弃渣体堆放剖面

2 弃渣体特征

2.1 地形地貌

弃渣体堆放处地形坡度 30°～50°,倾向 SE,表层是结构松散的风积沙土,地表裸露,无植被覆盖,结构松散,易出现滑动,且弃渣体位于调压井下方半山腰处,弃渣顶面至地面最大垂直高差在110m左右,倾向与坡向一致,弃渣体坡度在 36°左右。弃渣体距山下的伊兰拉克冲沟的水平距离仅250m左右,弃渣底面距伊兰拉克冲沟垂直深度约150m。分析以上地貌特征得知,在此倾倒弃渣不仅会引起水土流失,也不符合水土保持的要求;从工程角度考虑,不利于弃渣体的稳定,极易引起滑坡等现象。因此在 4号施工支洞口不能倾倒弃渣,更不便于弃渣体永久堆放。

2.2 地层岩性

弃渣堆放处地表覆盖有0.2～1.0m厚的风积沙土,呈干燥和松散状态;下覆基岩为云母石英片岩夹绿泥石片岩,薄层状结构,片状构造,岩石片理发育,片理面为主要结构面,属中硬岩,岩层走向57°～70°SE40°-55°。弃渣表面为机械碾压后破碎的沙石,下部大多呈现5～20cm之间的不规则块状,岩性为云母石英片岩,结构较为松散。

2.3 工程地质

在弃渣堆放处的岩体没有大的地质构造发育。在弃渣堆放体边缘部分,由于雨水渗透等影响,部分细小颗粒随雨水流失,导致弃渣体边缘部分地段下滑失稳,因而在边缘处出现一些横向发育的张性裂隙,裂面呈锯齿状粗糙不平,开口呈“V”字形,深度2～5 m,倾角大都呈直立状。主要裂隙走向如下:

(1)L1:距弃渣体边缘0.3～0.6m,裂隙开口宽 0.1 ～0.35m,长15 m,走向 NE30°-45°;

(2)L2:距弃渣体边缘1～1.8m,裂隙开口宽0.01～0.1m,长5m,走向 NE15°,由于雨水渗透作用,在裂隙局部地方已形成直径为0.02～0.05m的漏斗状;

(3)L3:距弃渣体边缘1.5～2.0m,开口宽0.05～0.1m,长 3m,走向 NE30°,由于雨水渗透作用,在裂隙局部地方已形成直径为0.02～0.05m的漏斗状;

(4)L4:距弃渣体边缘2.0～4.5m,裂隙开口宽0.01～0.1m,长15 m,走向 NE15°,有的地方已形成直径为0.02～0.05 m的漏斗状。

2.4 水文地质

弃渣体主要是由直径5～20cm的不规则多边体块状组成,呈空隙多、无胶结、凝聚力低、密实程度不够等状况,因此结构较为松散,渗透性强,稳定性差。

当地气候干燥,无地表径流和地下水出露。根据当地气象观测资料统计,多年平均降水量80.7 mm;日最大降水量26.6 mm,降雨四季(春、夏、秋、冬)分配比例为14%、53%、17%和16%。降水主要集中于5～8月,占年降水量的 69%,因此在5～8月或雨水比较集中的时段,该弃渣体出现滑动的概率会更高。

3 弃渣体滑动的诱发因素

经过对弃渣体的监测分析,在项目区能引起弃渣体边坡滑动的主要因素包括:雨水渗透、荷载增加、人为扰动和结构松散。

3.1 雨水渗透

由于弃渣体是由施工爆破后形成的直径5～20cm的不规则块状的弃渣组成,弃渣表面防水性较差,弃渣体结构较为松散,渗透性较强。一旦遭遇雨水,弃渣体内便会聚积大量水分,在重力作用下,雨水带走细小颗粒,逐渐形成渗漏通道,使弃渣体内部结构更为松散,带动弃渣体向下滑动。

3.2 荷载增加

由于弃渣体堆积面积和体积在不断扩大,在弃渣体边缘部分,松散的结构,加之机械扰动,已无法支撑不断增加的上部弃渣体重量,使弃渣体边缘开始滑动。

3.3 人为扰动

大量块状弃渣呈松散结构状态覆盖在弃渣体边缘部分,加之边缘部分自由临空,在坡角失去支撑情况下,受到施工车辆等人为扰动后,弃渣体边缘部分很容易出现下滑现象。

3.4 结构松散

由于弃渣体结构较为松散,渗透性强,稳定性差,在降水、荷载增加、人为扰动等情况下,都会改变原来暂时的平衡状态,促使弃渣体边缘向下滑动。

4 弃渣体稳定性分析

4.1 计算条件

工程弃渣多为不规则的块碎石,从安全角度出发,可将其作为无粘性土考虑,计算条件如下:不计弃渣体凝聚力;假定弃渣体弃渣单一均匀;由于弃渣体渗透性较强,假定弃渣体内部的浸润线与外界水位一致;计算工况为正常工况,即为弃渣完毕后的工况。

4.2 计算过程

依据《水利水电工程边坡设计规范》,该弃渣体按照土质边坡稳定分析计算,砂、碎石或砾石堆积物宜按平面滑动计算(见图2),抗滑稳定安全系数为内摩擦角的正切值与坡角的正切值之比。即

式中 Kc为安全系数;Q为块体自重;β为边坡坡角;φ为土层内摩擦角或自然休止角。

图2 滑动计算示意图

经过野外测量和试验得出:该弃渣的边坡坡角为 36°,弃渣内摩擦角或自然休止角为 34°;代入上式后得出:Kc=0.93。

4.3 计算结论

根据《水利水电工程边坡设计规范》(SL386-2007),当边坡坡角 β小于弃渣的内摩擦角 φ时,则弃渣是稳定的,建议稳定安全系数土质边坡为1.20～1.30。

由于弃渣体 β＞φ,且 Kc=0.93＜(1.20～1.30),因此,该弃渣体处于不稳定状态。

根据对弃渣体滑动的诱因分析,在降水量主要集中的5～8月,或单日降水量较大且持续时间较长的某个时段,是最易发生弃渣体滑动的时段。

5 弃渣体防治措施

在采用现有弃渣场的情况下,针对该弃渣体的特点和滑动诱因,为减少水土流失和增强弃渣体的抗滑稳定性而采取了如下措施。

(1)增加弃渣的密度。采用机械在弃渣体表面反复碾压,改变现有弃渣体内部的块体结构,使弃渣体原有块体破碎成粒径较小的碎石土,将较为细小的颗粒挤压填充到粗颗粒的孔隙中,从而排走空气,使弃渣体内碎石之间结合得更为密实,增加弃渣体密度,减小弃渣体内部孔隙率,堵塞雨水渗漏通道,增强弃渣体抗滑稳定性。

(2)提高弃渣表面防渗性。一方面,通过机械碾压提高弃渣体表面防渗性;另一方面,在弃渣体表面铺洒防渗性较好的黄土,防止雨水大量下渗到弃渣体内部,同时修建排水沟,做好弃渣体表面雨水排泄和疏导,起到积极的抗滑稳定作用。

(3)增强边坡的稳定性。修理弃渣体边坡,使弃渣体边坡坡度达到允许范围之内。根据《水利水电工程地质手册》,碎石土在松散状况,块径小于25 cm的情况下,边坡高度在20～30m的允许边坡值应为1∶1.50～1∶1.75(即 33°41′～29°45′),在安全稳定值范围内,可阻止其下滑。

(4)修筑挡渣墙。在弃渣体的坡脚修筑挡渣墙,增加弃渣体的抗滑系数,可有效防止弃渣体向下滑动,同时也阻止了弃渣体面积的进一步扩大,减少了水土流失。

(5)停止倾倒弃渣。按照水土保持方案的要求,必须停止继续在 4号施工支洞口倾倒弃渣,减轻弃渣体上部荷载,遏制弃渣体继续下滑的势头。

(6)减少扰动。减少停放在弃渣体的机械和设备,并减少施工车辆在弃渣体表面的扰动,防止弃渣体出现下滑现象。

6 结 语

根据对该弃渣体事前进行的稳定性分析,建设单位采取了必要的预防措施,因而此次弃渣体滑动没有给工程造成严重损失,也没有出现人员伤亡情况,得到主管单位的高度肯定。目前,该弃渣体在部分地段仍有继续滑动迹象,因此需要建设单位按照弃渣体的防治措施要求,继续实施防治措施,阻止弃渣体继续下滑,彻底消除该弃渣体对发电厂的安全威胁。