石家沟特大型弃渣场选址合理性分析研究

赵明华， 刘培培， 朱信波

(长江三峡勘测研究院有限公司(武汉),湖北 武汉 430074)

1 弃渣场比选

金沙水电站工程弃渣主要来自导流工程、大坝及厂房工程地基的开挖弃渣,预计总量810万m3。

电站工程弃渣场选址应根据容量、占地类型与面积、地形地质条件、环境与征地移民、弃渣运距及道路建设、弃渣组成及堆填方案、防护工程量及弃渣场后期利用等情况[1-2],经综合分析后确定,按此规定,对金沙水电站弃渣场位置进行了调查与选择。

金沙水电站坝址及附近山高坡陡,河谷深切,受地形限制,适宜弃渣的场地较少,且弃渣方量大,主弃渣场选择困难,坝址上下游各4 km左右各有1处规模较大的沟谷即石家沟、何家湾(表1),钢厂沟容量小,可作为弃渣场的补充,因此就石家沟与何家湾进行比选。

表1 各规划弃渣场主要环境特征一览表Table 1 List of main environmental characteristics of each planned waste disposal site

从弃渣容量上看,两沟谷基本满足要求,其中何家湾容量略为偏紧。

两沟谷地质条件均较好,滑坡、泥石流等不良地质现象不发育,均为沟道型弃渣场,需进行工程防护。石家沟处于尖山子泥石流沟的一段,此沟地方政府已完成了泥石流治理工程,需复核。

从运输距离上看,何家湾少0.5 km,而且运输过程中造成物料散落和场尘影响较小。两沟谷均无道路至坝址,均需修建公路。

从征地移民上看,何家湾民房多,粗略估计,补偿资金和难度比石家沟大一倍以上,石家沟占优。

从环境保护角度看,何家湾民房较密集,且有苏铁东路穿过该区域,周边环境敏感点较多,施工对居民扰动较大,占用耕园地较多,石家沟占优。

总体来看,石家沟运距较何家湾远0.5 km,占用了尖山子泥石流沟一段,已完成治理工程需复核,相对何家湾,对周边环境产生的影响较小,征地和移民搬迁难度小,容量较大,因此初定石家沟作为主要弃渣场。

2 石家沟弃渣场地质条件

规划的石家沟弃渣场位于金沙水电站坝址上游约3.8～4.4 km的左岸石家沟沟道内(图1),场区呈盆状开阔地形,东西向长350～600 m,南北向宽350～500 m,总占地面积约25 hm2。

弃渣场南、北两面由山梁所围,场区总体地势由东南向西北倾斜。南侧为尖山山体,山脊为西北—东南走向,山体雄厚,脊顶高程1 350～1 120 m；北侧为东西走向山梁,山脊较单薄,脊顶高程1 140～1 230 m；西侧地势较低,地面高程1 100～1 125 m。渣场内地表以农田、林地为主,无重要建筑或构筑设施分布。

图1 石家沟弃渣场航片图(引自Google)
Fig.1 Aerial photo of Shijiagou waste disposal area

场区在大地构造分区上隶属扬子准地台之康滇地轴西部,地震基本烈度为7度。场区内无大的断层通过,地表大多基岩裸露。尖山子泥石流沟从弃渣场穿过,占用泥石流流通区长630 m的沟段。未发现其它滑坡、崩塌等不良地质现象。

场区内冲沟沿线沟底主要为漂石或块石夹土,厚度5～15 m；其余地段有少量的人工堆积物。其余大部分山坡基岩裸露,大致以渣场中心为界,北侧基岩为第三系昔格达组(N2x)疏松粉砂岩夹粘土岩,产状平缓,走向5°左右、倾向东、倾角2°～7°,岩层走向与冲沟方向近垂直,倾向与冲沟流向相反,冲沟方向未铺满整个场区,基本不存在顺层滑动的不利组合或稳定问题；南侧及前缘岩体为二叠系上统峨眉山组玄武岩(P3em),地表表部为全强风化岩石。

场区内基岩浅表部裂隙发育,透水性较强,地下水位埋深大,估计比金沙江水位(1 000 m)略高。

3 泥石流对弃渣场的影响分析

从初步勘察情况看,尖山子泥石流沟从规划弃渣场穿过,弃渣场占用了泥石流沟下游流通区沟段,石家沟弃渣场选址是否成立,关键在于泥石流对其影响的程度,为此对尖山子泥石流进行了专门研究[3]。

尖山子泥石流沟发源于新庄尖山北坡,弯曲延伸,总体流向由东至西,在清香坪污水处理厂附近流入金沙江,汇水面积约0.92 km2,规划弃渣场以上汇水面积约0.35 km2。主沟曲线长度2.282 km,弯曲系数1.222,最大相对高差750 m,平均比降40.1%；主沟切割深度4～5 m。高程1 300 m即攀钢三小区以上沟段为形成区,以下至江边为流通区。

泥石流物源主要是形成区两岸山坡厚约8 m左右的崩坡积物。崩坡积物形成时间较早,分布面积较广,大部分较密实,其中稳定的崩坡积体体积62万m3,不稳定体和潜在不稳定体体积分别为0.6万m3、10.3万m3。

在100年一遇的降水频率下，泥石流一次过程总量为10.85万m3,规模上属大型,位于泥石流活动的易活动区,活动性强,属于山坡与山谷型泥石流的过渡类型,稀性泥石流。泥石流发生的可能性为易发,目前正处于青壮年期,在雨季暴发泥石流的概率较大。

2011年攀枝花市将尖山子泥石流防治工程列为抢险应急类地质灾害治理项目,在完成勘察设计方案审查后,采取“拦挡+排导”相结合的防治策略,修建了谷坊坝、防护堤、护底等治理工程,于2012年4月竣工。据跟踪调查,经历了多个水文年,泥石流沟修建的谷坊坝等各建筑物未遭受任何损毁,谷坊坝、防护堤内偶尔有少量堆积物,地方政府每年都进行了清理,少有物质进入到下游弃渣场占用的沟段,说明防治工程是有效的。

尖山子泥石流抢险应急防治工程的实施,为石家沟沟道弃渣创造了可能。据此分析,只要做好泥石流沟水的导排,石家沟具备兴建弃渣场的条件。

4 弃渣堆填方案及防护措施

石家沟弃渣场为沟道型弃渣场[4],规划堆渣高程1 120～1 250 m,堆渣边坡设计坡比1∶2(图2),每堆高10 m设置一3 m宽马道,每堆高40 m布置一10 m宽马道；其中后部堆渣高度达60～80 m,前部堆渣高度30～40 m,最大堆高130 m(图3),计划堆渣810万m3,属特大型弃渣场。

图2 石家沟弃渣场堆填平面图
Fig.2 Plan of Shijiagou waste disposal site

立足于当地已实施的泥石流应急防治工程的基本情况,按照“先拦后弃、以排为主,工程、植物、临时措施相结合”的原则[5],构建以泥石流排导为重点、与现有防治工程相协调的防护体系,确保渣场稳定和防护工程建筑物安全,并为当地营造居民休闲空间创造条件。

图3 石家沟弃渣体典型剖面图
Fig.3 Typical section of Shijiagou waste slag body

1.人工堆积碎石夹土;2.洪积块石夹土;3.昔格达组疏松粉砂岩夹粘土岩;4.峨眉山组玄武岩;5.全、强风化带及分界线。

石家沟弃渣场为特大型弃渣场,防洪设计标准为100年一遇设计洪水,泥石流排导工程安全级别为一级,拦挡工程建筑物级别为3级。

防护体系由工程措施、植物措施和临时措施组成。工程措施包括表土剥离、泥石流排导、拦挡、截排水、护坡、土地整治等工程,植物措施为渣场顶面及边坡的植被恢复,临时措施为施工期间临时挡护。

5 弃渣体稳定性分析

5.1 弃渣体稳定性宏观分析

弃渣主要沿两条东西向沟谷堆填,堆渣高程1 120～1 250 m,地表总体向西倾斜,倾角15°～20°,而弃渣场地表全强风化岩体厚度较大,强度较低,特别是昔格达组为弱胶结岩石,岩层近水平,岩质疏松,遇水易软化,抗剪强度低,加上堆渣方量较大、堆填高度大,计划堆存弃渣810万m3,其中后部堆渣高度达60～80 m,前部堆渣高度30～40 m,弃渣体存在稳定问题。

另外,弃渣基本沿两条沟谷堆填,原本为一汇水地形,汇水面积较大,加上堆填弃渣多为坝区开挖的碎块石,其岩石主要为强、弱风化上带花岗岩,少量各种风化的砂岩,质量较坚硬至较疏松,强度相对较低,形态多呈碎石状,少量风化砂,利于地表水下渗,且北半部昔格达组粉砂岩夹粘土岩透水性弱,地下水汇聚后不易迅速排走,对弃渣体稳定不利。堆渣占用尖山子泥石流沟中段,截断了冲沟,泥石流物质会冲入弃渣体,不仅对其形成加载,而且冲沟流水进入弃渣体,亦对弃渣体的稳定不利。

由此可见,弃渣体存在稳定问题,需采取工程措施,以满足其稳定要求。

5.2 弃渣体稳定性计算

石家沟弃渣体稳定性计算时假定：由于渣料中除含少量的覆盖层开挖料外,其余绝大部分是石渣料,渣料粘聚力较低,因此稳定计算时,可按无粘性料考虑,渣料粘聚力C值取0；堆渣体渣料单一均匀。

弃渣场边坡按B类Ⅰ级边坡考虑选取抗滑稳定最小安全系数。采用瑞典圆弧法进行计算,计算参数在地勘报告中选取。实际计算时,渣料粘聚力C值取5 kPa,内摩擦角φ取值除了依据地勘报告建议值,还对比了攀枝花地区一些相似弃渣场或排土场的经验,水上取38°,水下取35°。

根据弃渣场渣体物质组成、堆渣高度、堆放坡度,同时参考弃渣场地质参数,计算出弃渣体相应的最小安全系数(采用GEO-SLOPE公司开发的GeoStudio软件中的SLOPE/W模块计算),计算结果详见表2。

表2 弃渣体稳定计算结果一览表Table 2 List of calculation results of waste slag stability

根据上表可知,弃渣体稳定安全系数均达到规范要求,在拟定堆放坡度下能满足稳定要求。

5.3 弃渣场失稳致灾预测

弃渣场失稳致灾预测从尖山子泥石流冲击弃渣场致灾、弃渣体滑动或暴发泥石流致灾两方面进行预测分析。

据调查,尖山子沟曾经暴发泥石流规模不大,另经计算,尖山子泥石流整体冲击力44.56 kPa,对于整个弃渣体来说,不会产生太大影响,而且即使有泥石流发生冲下,由于弃渣场后缘泥石流沟有一个近直角转弯,其不在上游泥石流沟正前方(图2),也不会产生大的致灾影响。

弃渣场原始地形是圈椅形、三脊夹两沟,中后部较宽阔、前缘束窄,加上堆填外形方案设计为中部凸出、南北稍凹(图2),北边汇水面积小,所以即使发生了失稳或泥石流,前方仍为原冲沟,无致灾危害对象,对环境基本无影响。

综上所述,弃渣场失稳致灾的可能性不大,即使有发生,对环境也基本无影响。

5.4 弃渣体稳定性总体评价

石家沟弃渣场除发育有尖山子泥石流沟外,未发现滑坡、崩塌等不良地质现象。其稳定性一方面在于自身稳定,另一方面在于泥石流带来的稳定问题。基于上述堆填方案、防护体系基础,弃渣体整体稳定,拦渣坝的抗滑稳定、抗倾覆稳定也能满足要求。经预测分析,渣场失稳致灾的可能性不大,即使发生,对环境基本无影响。只要做好泥石流排导工程、弃渣体的拦挡及截排水工程,石家沟基本适宜作为弃渣场。

6 弃渣场选址合理性分析

石家沟位于金沙水电站坝址上游左岸约3.8～4.4 km,若作为弃渣场,运距小,容量满足要求；沟道地形,适合弃渣和修建拦挡设施；土地类型主要为农用地,无重要建(构)筑物设施分布；除尖山子泥石流沟穿过外,无其他不良地质现象,场地整体稳定；不占用金沙江河道行洪断面,不涉及自然保护区、水源保护区等现行法律法规保护的环境敏感目标,不影响上游泥石流防治工程的功能；水土保持防治的难度小,对环境影响也在可控范围内。

泥石流是弃渣场成立的唯一限制性因素。在上游泥石流防治工程已经实施、流域泥石流规模不大且地质灾害并不突出的现实情况下,只要采取包括排导槽、拦渣坝、截排水等综合防治措施,避免泥石流直接冲击渣体,确保渣场渣体稳定和不危及公共安全,基本可以消除泥石流影响。

另外地方政府全程参与了弃渣场选址与设计工作,认为石家沟作为弃渣场不影响地方规划,而且还可利用弃渣场形成平台建成一供居民休闲娱乐的广场,社会效益是显而易见的。

总体来看,规划的弃渣场基本符合弃渣场选址原则,在切实做好泥石流排导等综合防治措施、确保渣体稳定和不危及公共安全的前提下,既可较经济地解决工程弃渣问题,还能产生为周边居民营造休闲娱乐空间的社会效益,体现了城市周边设置弃渣场的特点,该渣场选址是合理的。

7 结语

(1) 金沙水电站规划的石家沟弃渣场是合理的,体现了城市及其周边设置弃渣场因地制宜的理念,既解决工程弃渣,还计划打造成一广场,是电站建设与地方规划结合的双赢方案。

(2) 石家沟于2014年开始弃渣,至2018年基本弃渣结束,未发生渣场边坡失稳、泥石流等现象,从安全监测看,弃渣场处于稳定状态。

(3) 弃渣场位置的选择是工程建设中一项重要的内容,更是前期工作的关键。必须慎重选择弃渣场的位置，并做好堆填防护设计。