某水电站弃渣场稳定性计算及对泥石流的影响分析

刘振旺 韩子晔 韩会令

(天津华北工程勘察设计有限公司，天津 300181)

1 工程概况

大渡河某水电站坝址位于官料河河口上游约230 m处，坝型为混凝土闸坝，坝顶高程557 m，最大坝高63.0 m，坝顶长319.4 m，坝轴线方向为S48°W;发电厂房布置于左岸台地，设6台单机容量为57.5 MW灯泡贯流式水轮发电机组。

该水电站弃渣场位于官料河支沟干河沟沟谷，距离坝址区约10.0 km，主要用于工程弃渣料堆弃。考虑到沟谷内存在泥石流痕迹，存在爆发泥石流的可能，该弃渣场拟按单侧堆弃石渣的方式进行弃渣堆存，并对沟内主沟道做顺直处理，以便沟内排水更加顺畅。经计算，该渣场容渣量为280万m3(松方，下同)，根据弃渣规划，干河沟渣场需弃渣约为278万m3。渣堆顶高程为780.00 m，底高程为670.00 m，最大堆高110.0 m。沟口的堆渣体会占据大面积沟道而束窄泥石流流通渠道，泥石流对两岸的冲刷作用增强，可能导致右岸边坡失稳堵塞沟道，进而产生较严重的泥石流灾害。若较大规模泥石流可能会引起堆渣体局部失稳，导致堵塞沟道进而形成更大规模泥石流，这对沟口居民和水电站造成较大威胁。因此，评价渣场的稳定性及对泥石流的影响，可以进一步合理化渣场设计与施工，保证渣场的稳定性和安全性。

2 研究区自然和环境地质背景

2.1 区域地质背景

研究区位于青藏高原与四川盆地交界地带，主要山脉属大凉山和峨眉山系，区内的大渡河强烈下切，两岸沟谷发育，山势陡峻，岭谷高差多在1 000 m以上。强烈的内外动力地质作用，塑造了本区典型的侵蚀、构造地貌形态特征，呈现出构造剥蚀山地和以侵蚀堆积为主的山间河谷地貌景观。区内除石炭系和第三系地层缺失外，自下元古界至新生界第四系地层均有出露。

研究区处于凉山断块的边缘地带，断裂构造较为复杂，主要发育NE、NW和近SN向断裂构造，分属三苏场NE向、荥经—马边—盐津NW向和大凉山近SN向构造带，近场区处于上述构造的交汇区，另穿插有一些EW向断裂的成分。断裂的规模及长度均不大，在平面上呈断续状延伸，活动性亦较弱。

2.2 自然环境条件

大渡河流域地处亚热带季风区，总体上冬季受高空西风环流控制，夏季受印度洋、太平洋季风影响，季节变化明显。大渡河流域南北跨5个纬度，东西跨4个经度，地形差异大，山高谷深，致使不同区域间的气候特征不同。流域上游河源地区海拔高程在4 000 m以上，属高原气候，冬寒夏凉，天气寒冷干燥，年平均气温在6℃以下，极端最低气温可达－36℃以下，气温日差可达30℃左右。如阿坝气象站全年平均气温只有3.5℃，极端最低温度达－33.9℃，极端最高温度只有28℃。河源地区年降水量在600 mm左右，山区降水量700 mm左右，以降雪为主，一般在每年9月上旬开始降雪至第二年6月上旬结束，降雪长达9个多月。最大日降水量在40～70 mm之间。降水日数在160天左右。多年平均年蒸发量一般在1 200～1 600 mm。干河沟地处大渡河流域中游段，位于大渡河支流官料河右岸，沟道的地表径流来自于降水的汇集。沟常年流水，但季节分配不均，汛期水流较大，枯水期沟内水流小，径流主要集中在5～10月，其中又以6～9月为最大。沟内无水文观测站，属于无资料地区。

2.3 地层岩性

研究区地层出露有下元古界峨边群、震旦系、寒武系、奥陶系，第四系松散堆积层主要位于沟口、两岸的缓坡地带、沟床等部位，现将地层由老至新分述如下。

(1)下元古界峨边群

第三段:底为变质砂岩，偶见变质砾岩，下部为黄灰至深灰色细粒变质砂岩、粉砂岩夹千枚状板岩，中上部为变质细砂岩、粉砂岩、泥砂质板岩夹炭质板岩。该层岩性较软，主要分布于沟谷左岸，位于F3断层的西南翼，该地层面积约 6.43 km2，占整个流域面积55.91%。

(2)古生界震旦系上统

灯影组的白云岩为粗晶白云岩，易风化、溶蚀。尤其是震旦系这种古老的粗晶白云岩，在经历多次构造运动的作用，以及长期的风化、溶蚀作用，常产生“砂糖状”风化，这种风化作用非常彻底，岩石强度几乎全部丧失，将产生大量的松散固体物源。

(3)古生界寒武系

上统二道水组:白云质灰岩夹页岩及钙质砂岩。该层主要分布于沟谷右岸，面积约0.49 km2，占整个流域面积4.26%。

(4)奥陶系

下统红石崖组:岩性为石英砂岩、砂质页岩。该层主要分布于沟谷右岸，F7断层西翼，该地层面积约0.55 km2，占整个流域面积4.78%。

(5)第四系全新统

冲洪积层:以砂卵砾石为主，主要分布于下游沟床、及沟口部位。

泥石流堆积物:碎砾石和块石堆积为主，主要分布于沟床及沟口部位。

3 弃渣场稳定性与潜在影响

弃渣场位于干河沟的谷口河漫滩，沟谷地形平坦，弃渣方便，存渣量较大。经计算，该渣场容渣量为280万m3。根据弃渣规划，干河沟渣场需弃渣约为278万m3，堆积范围为:距离沟口1 570 m至290 m处，堆积长度约为1 280 m，渣堆顶高程为780.00 m，底高程为670.00 m，最大堆高110.0 m。堆渣区域原沟底宽约20～55 m，沟底起点高程为780.00 m，终点高程为645.00 m。计算得相应水深约1.05 m，沟内水面线从781.05 m降至646.05 m汇入官料河，平均纵坡降约8.9‰。

水电站位于干河沟弃渣场的下游附近区域，如果堆渣失稳会发生崩塌，导致弃渣滑入沟道，会对沟口居民的安全和玉林桥水电站的正常运行有一定影响。干河沟弃渣场按单侧堆弃石渣的方式进行弃渣堆存。考虑到沟谷内存在泥石流痕迹，存在偶发小型泥石流的可能，并对沟内主沟道做顺直处理，以便沟内排水更加顺畅。

3.1 堆渣体稳定性分析

极限平衡法是规范推荐的滑坡稳定性分析计算方法，本阶段采用加拿大公司开发的GeoSlope系统软件中的SLOPE模块，进行稳定性分析计算。根据《水电水利边坡设计规范》(DL/T5353—2006)，边坡稳定性分析基本方法是极限平衡下限解法，当采用多种方法分析计算时，不同下限解法中应取成果最高值，但不应超过上限解法中的最低值，SLOPE软件中常用的为一般条分法、毕肖普(Bishop)法和摩根斯坦(M－P)法。其中M－P法计算值一般较高，且该方法为边坡规范推荐的严格解法。因此，稳定性评价以M－P法计算结果为主。

(1)弃渣场堆积方式及计算模型

根据现有勘探资料，本次对弃渣场的稳定性计算分析剖面选取堆渣体稳定性较差部位，即渣体堆积较高较厚的部位，共选取两条剖面，横Ⅰ－Ⅰ'剖面、Ⅱ－Ⅱ'剖面，各剖面的计算方法相同，此处以Ⅰ－Ⅰ'剖面来说明计算方式，计算模型见图1。

图1 Ⅰ-Ⅰ'剖面计算模型

(2)计算工况与荷载组合

弃渣场位于干河沟堆积区，一旦失事会危及到沟口居民的生命和财产安全及下游玉林桥电站的正常运行，据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T5353—2006)，从弃渣场所处的位置、重要性及其危害性，将弃渣场的边坡等级划为B类Ⅱ级边坡，相应的安全系数见表1。

表1 水电水利工程边坡设计安全系数

弃渣场稳定性主要受干河沟泥石流运动特征、边坡地形特征以及边坡的物质组成成分等因素影响，在这些因素中只有堆渣物质组成成分不确定，但通过相近的工程类比也可以得到较为可靠的参数，根据其不确定因素较少这一特点，弃渣场最小安全系数可适当取各工况的下限值(见表2)。

表2 B类2级边坡稳定性计算工况与荷载组合

堆渣后将改变坡体形态，引起坡体内部的应力重分布。另外，在实际工程施工中一坡到顶、三级马道及五级马道三种不同堆渣方式的不同，这些都可能会成为影响渣场稳定性的重要因素。堆渣过程中受技术条件所限制，无法将渣体堆积密实，导致渣体本身的结果较为松散，因自身稳定性差可能会发生失稳破坏。因此，除了上述潜在滑面外，渣体与坡体表面的含碎石粉质黏土层的浅表层接触面将成为新的潜在滑面，要注意渣体局部的稳定破坏。

稳定性计算结果表明:

①天然状态下，弃渣场堆渣后所选剖面在不同堆渣形式下的三个潜在滑面稳定性系数均在1.3以上，堆渣自身稳定性也较高，满足安全标准。

②在暴雨工况下，稳定系数小于1.05，即不稳定情况主要出现在一坡到顶的堆渣方式下，除I－I’剖面的浅层滑面在3.3%设计暴雨频率下达到稳定以外，其他堆渣体均处于欠稳定状态，而潜在滑面的稳定系数均高于1.10，显然，这是由于堆渣体一坡到顶的堆积形式使得自身稳定性较差。在三级马道和五级马道的堆渣方式下堆渣体、潜在滑面1及潜在滑面2的稳定系数均高于1.10，满足安全标准。

③地震工况下，一坡到顶的堆渣形式下剖面的浅层滑面稳定系数小于1.0，处于欠稳定状态，三种堆渣方式下潜在滑面以及其他两种堆积方式下的浅层滑面均满足安全标准。

3.2 弃渣场稳定性对泥石流的影响

(1)弃渣场对物源特征的影响

本次对干河沟泥石流沟物源调查主要有四类物源:坡面侵蚀物源、沟道堆积物源、人工堆积物源及滑坡体物源等四类，流域内松散固体物源量规模很大，可能参与泥石流活动的不稳定物源量为48.85×104m3。其中坡面侵蚀物源为主要物源，源总量为535.60×104m3，可能参与泥石流活动的不稳定物源量为44.48×104m3，总量占总物源量的96.88%，不稳定物源量占总部稳定物源量的91.05%。坡面侵蚀物源丰富，分布范围广，且分布较为连续，堆积区、流通区及汇水物源区都有广泛的分布，所以渣体所在沟体为典型的沿途补给型泥石流沟。

渣场需弃渣约为278万m3，弃渣场分布于河沟的堆积区，基本成自然态堆积，堆积初期块碎石体与土体的嵌合程度也较低，堆渣体会呈松散态，架空现象较为明显。且堆积体表面植被覆盖率较低，甚至没有植被覆盖，使得表面松散物源裸露，在降雨条件下很容易被雨水冲刷而产生坡面侵蚀现象，而堆渣体坡脚也容易被干河沟水流的冲刷产生坍塌失稳。在此条件下，堆渣体可直接参与泥石流活动的物源量比重将会比较高，渣体表面比较松散。受坡面侵蚀可直接参与泥石流活动的冲刷厚度按0.5 m计算，弃渣场堆渣面积共15.45×104m2，弃渣场不稳定物源量约为7.73×104m3，堆渣后物源总量增加了50.29%，可能直接参与泥石流活动的不稳定物源增加了15.82%。以上数据表明，弃渣场堆渣后在物源总量和不稳定物源量上增加很明显，增加了干河沟泥石流爆发的可能性与危险性，渣场一旦失稳，极大增加了泥石流的危害性和破坏性。

(2)弃渣场对冲淤特征的影响

弃渣场位于干河沟堆积区，对物源区和流通区的冲淤特征影响甚微。干河沟流域堆积区较长，在此段总坡降较小，沟谷宽度较大，总体来看，泥石流的冲淤特征表现为淤略大于冲的特点。只有爆发较大规模泥石流时，强大的水动力条件将导致该段冲淤平衡发生变化，短期内表现为以冲为主的特征。堆渣后泄洪沟道宽度减小较为明显，使得行洪断面减小，堆渣体对泥石流的束流作用较为明显，暴雨时泥石流会发生雍高现象。另外，为了排洪顺畅，堆渣过程中需对主沟道做顺直处理，摩擦相对原始沟道较小，流速在此情况下会加大，这将增大水动力条件，增强其携带、冲蚀能力，导致冲淤平衡发生改变，堆积区冲淤特征由淤略大于冲的特点转为以冲为主的特点，堆积区范围缩小至下游沟口处。

(3)弃渣场失稳对泥石流的影响

通过以上弃渣场对泥石流运动特质的影响分析，物源是爆发泥石流的必要条件，弃渣场堆渣后会使干河沟物源总量和不稳定物源量都有显著的增加，这将极大增加爆发泥石流的可能性，堆渣体所占据大部分沟道将对泥石流产生较为明显的束流作用，首先会产生泥石流堆高现象。为使泥石流排泄顺畅，必须对坡脚沟谷做顺直处理，加大泥石流的流速，泥石流的携带和侵蚀能力都会有所增强，这使得干河沟近乎整个流域都会表现为以冲为主的泥石流特征。而堆渣体本身比较松散，岩土体之间的嵌合能力也较差，暴露于泥石流下的堆渣体坡脚很容易遭受到泥石流的侵蚀和冲刷而失稳。弃渣场一旦失稳，大量渣土体参与到泥石流活动中，会提高泥石流的破坏能力，对沟口居民和下游水电站的运营带来极大的威胁。

4 防治措施建议

根据规范要求，防护措施中截水坝、排水设施、拦渣坝等拦挡建筑物等级按Ⅳ级建筑物设计，渣场防洪标准为30年一遇，并按100年一遇校核。弃渣场均设置永久拦挡防护措施，在坡脚处修建挡渣墙防护，挡渣墙采用梯形断面。

此外，应在弃渣场内部及周边设置排水沟将弃渣场上有山坡洪水和弃渣区周边地标产生的径流排向下游，在渣场内部设置排水土沟和沉砂池，将多余径流排往场外。由于弃渣结构松散，易发生滑坡和坍塌，需采取削坡措施，削掉非稳定边坡的部分土体，减缓边坡坡度。根据《开发建设项目水土保持方案技术规范》对弃渣场削坡的有关规定，针对堆渣体的内摩擦角，将弃渣陡坡削成缓坡，边坡经削坡治理后，可使其达到稳定状态。设计采用直线方式进行削坡，将陡坡削成2.0∶1。

一般弃渣结构不良，肥力也较低，保水保墒能力差，不利于植物成活及生长，需要采取覆土措施。弃渣场弃渣前需先剥离坡体表土，集中堆放在弃土场周围空地，待排弃结束后，及时将表土回填至企图最终平台上，覆土厚度在30 cm以上，为防止土壤产生风力和水力侵蚀，覆土结束后采用防护网苫盖，并撒播草籽防护。

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