泥石流沟道渣场稳定性分析及其水土保持措施研究

刘 晖，杜 尧，薛 鹏，黄 斌

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.河海大学 大禹学院，江苏 南京 210098)

泥石流沟道渣场稳定性分析及其水土保持措施研究

刘 晖1，杜 尧2，薛 鹏1，黄 斌1

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.河海大学 大禹学院，江苏 南京 210098)

石家沟；泥石流；弃渣场；水土保持措施

我国西部地区水利水电工程多位于高山峡谷地带，地质环境复杂，工程弃渣量巨大。受地形条件、施工运距、经济性等因素的限制，工程弃渣场多布置在工程区附近沟道内，因此常受到泥石流等地质灾害的威胁。以金沙水电站石家沟弃渣场为研究对象，在分析泥石流沟道特征及其影响的基础上，结合项目区地质灾害治理需要制定了“先挡后弃，以排为主，上排下导，排、拦、截、护、垦相结合”的弃渣场水土保持综合防治体系。

水利水电工程施工过程中的弃土、弃渣是工程建设造成水土流失的主要来源，因此弃渣场是水土流失防治的重点区域[1]。受地形和施工条件限制，我国西部地区水电工程弃渣场多布置在工程区附近的沟道内，弃渣场渣体既可受泥石流影响致稳定性变差，又可对泥石流的发育活动产生一定的影响，渣场一旦失事，危害巨大[2-3]。因此，在进行泥石流沟道型弃渣场水土保持措施设计时须充分考虑泥石流因素的影响，制定科学合理的防护措施，以确保弃渣场的安全、稳定，降低灾害性水土流失事件发生的风险，保护下游敏感目标的安全[4-5]。石家沟弃渣场是金沙水电站的主弃渣场，弃渣总量810万m3，占地面积约25 hm2，是典型的泥石流沟道弃渣场，本文以其为例，对泥石流沟道弃渣场的稳定性进行分析，并提出泥石流沟道弃渣场水土保持措施设计的原则和具体防治措施。

1 石家沟基本情况

石家沟流域地处云贵高原北部横断山区川滇山地的西北部，地势西北高、东南低，山高谷深，地形陡峻，峡谷段阶地零星分布，耕地紧缺。主沟纵长，总体纵坡坡降为40.1%，平均切割深度4～8 m。泥石流形成区段纵坡坡降为69.6%，沟床坡度达35°，沟床宽5～10 m；流通区段纵坡坡降为25.9%，沟床坡度12°～15°、宽度1～8 m，切割较深，总体呈V形。泥石流沟道所在区域属亚热带季风气候区，干湿季分明，多年平均降水量836 mm，降水集中在每年的6—9月份，期间降水量占全年的65%以上，且大雨、暴雨等强降雨发生的几率大。降水量分布不均，随海拔的增高而增大。石家沟泥石流沟处于青壮年期，泥石流暴发频率至少为2%(50年一遇)，总体上是以碎石为主、分选很差、搬运能力极强，以滚动、推移搬运为主。

2 泥石流沟道渣场影响分析

石家沟弃渣场位于泥石流沟道流通区内，泥石流活动与沟道内渣场之间存在着交互影响。一方面，泥石流活动直接影响弃渣场的安全稳定。泥石流有别于一般的清水流和挟沙水流，泥流中携带了大量的石块、泥沙等固体物质，流体黏稠、惯性大、搬运能力强、冲击力大，泥石流暴发将直接冲击渣体，对弃渣场的稳定性产生影响。泥石流物质受弃渣阻挡，在弃渣体后堆积，将对弃渣体产生重力加载，抬升渣体水位，对渣体的强度、静水压力和动水压力产生影响，使渣体物理力学强度降低。另一方面，弃渣场堆渣影响了泥石流通行，渣场失事后泥石流破坏力将成倍增加。弃渣场堆渣后将使干河沟物源总量和不稳定物质显著增多，这会极大地增加暴发泥石流的可能性；堆渣体占据泥石流沟部分流通区，将对泥石流产生明显的束流作用，不利于泥石流顺畅排泄；在泥石流作用下，一旦渣场失稳，大量渣土参与到泥石流活动中，会进一步提升泥石流的破坏力，对下游安全构成极大威胁。

3 弃渣稳定性分析

本工程弃渣料除含少量的覆盖层开挖料外，其余绝大部分是石渣料，因此渣料黏聚力较小。为确保施工期堆渣安全，进行弃渣场整体稳定性分析和堆渣边坡稳定性分析尤为重要。

3.1 弃渣场整体稳定性分析

以沿渣底冲沟断面为计算断面，渣体按无黏性料考虑，渣体容重取19.8 kN/m3。计算工况分为正常工况、短暂工况(持续降雨)和偶然工况(地震)三种。在稳定性计算时，参照《水利水电工程水土保持技术规范》(SL 575—2012)，采用摩根斯顿—普赖斯法(滑动面呈非圆弧形)。参考《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T 5353—2006)，按B类Ⅰ级边坡考虑选取抗滑稳定最小安全系数。

GeoStudio公司开发的GEO-SLOPE软件在渣场稳定性分析中实用性较好，满足设计要求[6]。本文采用GEO-SLOPE软件对渣场稳定性进行计算。计算堆渣体在正常工况、短暂工况和偶然工况下的抗滑稳定最小安全系数。根据计算结果，弃渣场在设计堆存状态下整体稳定。计算结果见表1。

表1 石家沟弃渣场整体稳定性计算结果

3.2 堆渣边坡稳定性分析

计算工况也分为正常工况、短暂工况和偶然工况三种。在稳定性计算时，采用瑞典圆弧法。参考《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T 5353—2006)，按B类Ⅰ级边坡考虑选取抗滑稳定最小安全系数。根据弃渣场渣体物质组成、堆渣高度、堆放坡度、渣场地质参数，计算堆渣体在正常工况、短暂工况和偶然工况下的抗滑稳定最小安全系数，其计算结果满足正常工况下大于允许值1.25、短暂工况下大于允许值1.15、偶然工况下大于允许值1.05的渣体边坡即为堆渣稳定边坡。

采用GEO-SLOPE软件中的SLOPE/W模块计算，计算结果见表2。据表2可知，堆渣边坡在三种工况下均稳定。

4 防治措施设计

4.1 措施设计原则

防治措施设计的基本原则：①重点突出。渣场总体稳定，但由于地处泥石流沟道，泥石流是影响渣场稳定性的主要不良地质现象，因此防护时要以泥石流防治为重点，切实搞好泥石流排导工程，确保渣场稳定。②偏安全。针对渣场地处泥石流流通区的特点，防护工程设计标准采用现行国家和行业标准的上限。③技术可靠和经济合理。在设计泥石流排导等防护工程时，既要做到技术上可靠，确保建筑物和渣体安全，又要经济节省，减少工程投资。④兼顾地方发展。针对渣场靠近城市居民区的特点，对可视范围内的坡面，采用工程与植物相结合的防护措施，既可保证建筑物和渣场的安全，又可实现生态效益，还可提升渣场区景观品质；在渣场堆置方式和顶面高程的选择上，既满足弃渣堆存容量需求，又给后期生产安置和复垦创造条件。

表2 石家沟弃渣场堆渣边坡稳定性计算结果

4.2 设计标准的确定

参照相关规范，同时考虑弃渣场失事后的直接危害，按照“就高不就低”的原则，确定渣场各项防护措施的级别，以确保渣场的稳定和下游防护目标的安全。渣场等级及各项措施设计标准见表3。

表3 石家沟弃渣场防护标准

4.3 水土保持措施设计

针对石家沟弃渣场的特点，制定“先挡后弃，以排为主，上排下导，排、拦、截、护、垦相结合”的综合防治措施体系。弃渣前先修筑拦渣坝，避免堆渣过程中渣体滑落危害沟道下游居民点和基础设施，修筑泥石流排导槽对上游泥石流进行排导，避免泥石流对渣体的直接冲击，减小渣体后方壅高对弃渣场稳定性的不利影响。布置弃渣场截排水系统、渣面防护和渣脚拦挡措施，减少不稳定物源，降低泥石流发生时的危害。此外，布设的防护措施要在保证建筑物和渣场安全的同时，尽可能兼顾周边景观协调及地方经济发展。

4.3.1 拦挡工程

为避免堆渣过程中渣体滑落危害沟道下游居民点和诸多重要基础设施，需要在堆渣体坡脚采取拦挡措施。拟在石家沟弃渣场临金沙江的西侧弃渣坡脚处布置拦渣坝，包括埋石混凝土坝和碾压堆石坝。埋石混凝土坝坝轴线长约336 m，坝顶高程1 126.0～1 130.0 m，顶宽2 m，垂直于坝轴线方向坝宽6～9 m，最大坝高约8 m，临渣侧坡比1 ∶0.5，临空侧坡比1 ∶0.2，主要由埋石混凝土浇筑而成；碾压堆石坝坝轴线长约345 m，坝顶高程1 140.0 m，顶宽5 m，垂直于坝轴线方向坝宽5～40 m，最大坝高约14 m，临渣侧坡比1 ∶1，临空侧坡比1 ∶1.5，主要由弃石碾压填筑形成。在坝脚布置浆砌石截水沟，全长约220 m。

4.3.2 泥石流排导工程

由于施工弃渣堆填占压了原有泥石流通道，为防止泥石流危害攀钢社区、下游居民点和诸多重要基础设施，保障石家沟弃渣场的长期稳定，需要对被占压的泥石流沟道进行改道，重点对下游泥石流流通区采取以疏导为主的防治措施。泥石流排导工程选用排导槽，排导槽基本沿坡面布置，设计沟底纵坡7%～43.96%。排导槽采用梯形断面，最小底宽4.0 m，边坡1 ∶0.5，采用C25混凝土浇筑。排导槽分为进口段、槽身段和出口段三段。进口处采取63.4 m的喇叭口渐变段与已建泥石流应急防治工程出口相衔接，梯形断面尺寸由16.1 m×6.18 m(底宽×槽深)渐变为4.0 m×3.1 m(底宽×槽深)。排导槽进口两侧为重力式挡墙，顶宽1.2 m，墙高4.1 ～8.0 m(基础埋深1.0 m)，临水侧边坡1 ∶0.5，临土侧边坡1 ∶0.2，采用C25混凝土现浇，下铺15 cm厚碎石垫层。槽身共分为四段：第一段长333.6 m，设计纵坡7%；第二段长129.71 m，为纵坡过渡段，纵坡由7%过渡至43.96%，槽底转弯半径390 m，转角20°；第三段长128.81 m，设计纵坡43.96%；第四段长200.08 m，设计纵坡23%。在排导槽第二、第三、第四段布设防冲肋板，肋板采用C25钢筋砼浇筑，断面尺寸为3 m×2 m(深×宽)。其中，第二段和第三段每隔10 m布设一处防冲肋板，第四段每隔16 m布设一处防冲肋板。排导槽出口下游的石家沟冲沟及两侧坡面基岩裸露，最小沟底宽约4 m，最小沟深约10 m，最小边坡约1 ∶2.5，沟底纵坡约10%。按照明渠均匀流公式计算，排导槽以下原泥石流平均流速约4.2 m/s，排导槽下泄泥石流可通过沟道自然消能，不会对下游沟道造成较大冲刷。

4.3.3 截排水工程

工程弃渣占压了攀钢社区的雨水引排通道，为避免弃渣封堵排水口导致社区内涝，以及排水口出水对渣场稳定性产生不利影响，需要采取引排措施；同时为防止渣场周边及坡面水流冲刷渣体和堆渣边坡，需要对渣体和堆渣边坡采取截排水及防护措施。

(1)雨水引排工程。攀钢社区雨水引排工程主要由排水箱涵、排水明渠组成，共分四段，总长约1 013 m。第一段主要排除攀钢社区G3出水口的雨水(流量2.73 m3/s)，为排水箱涵，全长约100 m，进口接G3出水口，采用C20钢筋砼浇筑，断面尺寸为1.0 m×1.5 m(宽×深)，涵底纵坡8%，顶板、侧墙和底板厚度均为30 cm，下铺10 cm厚C15素砼和10 cm厚碎石垫层。第二段主要排除第一段排水箱涵排出的雨水和周边截水沟排出的堆渣坡面汇水(排水流量3.23 m3/s，其中周边截水沟第二段流量0.5 m3/s)，为排水明渠，全长约311 m，采用M7.5浆砌石砌筑，断面尺寸为0.8 m×1.0 m(底宽×深)，边坡1 ∶0.5，渠底平均纵坡约5.47%(明渠依山布置，陡坡段布置跌坎，坎高40 cm)，下铺10 cm厚碎石垫层。第三段主要排除攀钢社区G4出水口的雨水(流量8.91 m3/s)，为排水明渠，全长约28 m，起点接G4出水口，终点接第二段排水明渠出口，采用M7.5浆砌石砌筑，断面尺寸为1.2 m×1.5 m(底宽×深)，边坡1 ∶0.5，渠底纵坡44%，下铺10 cm厚碎石垫层。第四段主要排除第二段和第三段汇合后的雨水(流量约12.14 m3/s)，为排水明渠，全长约574 m，起点接第二段、第三段汇合点，终点接天然沟道，采用M7.5浆砌石砌筑，断面尺寸为1.5 m×1.8 m(底宽×深)，边坡1 ∶0.5，渠底平均纵坡15.44%(明渠依山布置，陡坡段布置跌坎，坎高40 cm)，下铺10 cm厚碎石垫层。

(2)周边截水沟。截排渣场外水的周边截水沟总长约850 m，为矩形断面，采用M7.5浆砌石砌筑，分两段布置：第一段长约420 m，断面尺寸0.5 m×0.8 m(宽×深)，起点为攀钢社区附近渣顶排水沟与周边截水沟相交处，终点为排导槽；第二段长约430 m，断面尺寸0.8 m×1.0 m(宽×深)，起点为周边截水沟第一段起点，终点为攀钢社区雨水引排工程第二段中点附近。

(3)渣场表面排水工程。渣场表面截排水工程包括渣顶排水沟、坡面排水沟和马道排水沟，总长7 338 m。渣顶排水沟全长1 208 m，为梯形断面，断面尺寸0.5 m×0.6 m(底宽×深)，坡比1 ∶0.5，采用30 cm厚M7.5浆砌石砌筑。每一级马道内侧结合护坡布置一条马道排水沟，全长5 870 m，为矩形断面，断面尺寸0.3 m×0.4 m(宽×深)，采用30 cm厚M7.5浆砌石砌筑。坡面排水沟全长约260 m，为矩形断面，断面尺寸0.5 m×0.8 m(宽×深)，采用M7.5浆砌石砌筑。起点为渣场高程1 220 m马道与南面山体交接处，终点为与3#公路相交处上游的排导槽。

4.3.4 植被恢复及土地复垦

采用工程措施与植物措施相结合的防护方式，在保证建筑物和渣场安全的同时，实现生态效益和经济效益双赢。对排导槽和渣体等可视范围内的坡面采用拱形网格绿化和菱形网格绿化，在网格内栽植灌木并撒播草籽，灌木树种选择车桑子、余甘子。对渣顶平面通过复垦措施形成耕地，服务本工程移民的农业生产，造福地方百姓。

5 结 语

(1)弃渣场与泥石流活动之间存在着交互影响。一方面，弃渣场堆置的弃渣为泥石流的形成提供了物源，改变了沟道的冲淤特征，渣场一旦失稳将进一步提升泥石流的破坏力，威胁下游防护目标的安全。另一方面，泥石流对弃渣直接造成冲击，降低了渣体的力学强度，使得渣体内发生非稳定渗流，进而对渣场稳定性产生不利影响。

(2)石家沟渣场水土保持措施设计应以泥石流防治为重点，确保渣场稳定，采取“先挡后弃，以排为主，上排下导，排、拦、截、护、垦相结合”的综合防治措施体系。设置排导槽对渣场上游泥石流进行排导，布设拦渣坝对渣场堆渣进行挡护，修建箱涵和截排水沟对渣场周边来水和渣面汇水进行引排，用网格综合护坡防护渣面并进行整治复垦，最终实现工程安全和生态、经济效益双赢的目标。

[1] 操昌碧.水利水电工程弃渣场水土保持工程措施研究[J].水电站设计，2001(4):39-41.

[2] 任金明，王永明，夏威夷，等.西部水利水电工程拦沟型弃渣场泥石流的危害及防护[J].水利规划与设计，2013(6)：34-38.

[3] 赵军，袁国庆，唐世明，等.绰斯甲水电站野人谷泥石流发育特征分析与防治建议[J].四川地质学报，2011(4)：446-449.

[4] 丁明涛，韦方强.云南蒋家沟泥石流成因及其防治措施探析[J].水土保持研究，2008(1)：105-107.

[5] 瞿燕林，王艳梅. 泥石流及其防治措施综述[J].西部探矿工程，2013(8)：92-94.

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(责任编辑 孙占锋)

S157.2

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1000-0941(2015)12-0054-04

刘晖(1968—)，女，湖北武汉市人，高级工程师，学士，主要从事流域规划与水土保持勘测设计工作。

2015-04-26