基于原位监测的某水电站弃渣场安全稳定性评估研究

孙厚才，孙 昆，刘晓路

(长江水利委员会 长江科学院 水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

弃渣场是建设项目水土保持设施专项验收的重要单位工程之一，正确评判弃渣场安全稳定性是建设项目水土保持设施专项验收的重要技术保障。自2005年开展水土保持设施专项验收以来，弃渣场选址、水土保持措施设计、实施和运行情况被作为开展建设项目水土保持设施专项验收的重要内容[1-2]。例如深圳市光明新区红坳余泥渣土受纳场“12·20”特别重大滑坡事故和恩施市龙凤坝“1·14”堰塞湖溃坝事件，暴露出工程建设项目弃渣场的安全存在突出问题。为深刻汲取教训，水利部水保司《关于印发〈水利部水土保持设施验收技术评估工作要点〉的通知》(水保监便字〔2016〕20号)明确指出，对堆渣量超过50万m3或者最大堆渣高度超过20 m的弃渣场，还应查阅建设单位提供的稳定性评估报告。正确判断弃渣场级别、截排洪、拦挡及防护设计标准，正确理解弃渣场安全稳定性监测和边坡稳定计算成果，是水土保持设施专项验收的重要技术保障。因此，对弃渣场安全稳定性评估开展研究具有重要的社会意义。

以往弃渣场验收工作主要是为了完成法律法规规定的相关程序，验收前补一个弃渣场安全稳定性评估报告，地勘、地质、弃渣土工参数、挡墙的基槽条件资料不完备，往往仅应用公式或模型加以计算就可以了。实际上，弃渣场的地形、地质条件，以及渣体的级配、密度、容重等都是评估其安全稳定性的重要参数；此外，要获得弃渣场稳定性情况不只是获得其某一时刻的参数值，其参数值变化有时会从量变慢慢发生质变，所以其内部变化监测也非常重要。本研究在安全稳定性计算的基础上，应用其内部变形监测成果对计算结果进行验证，使得其方法更可靠，结果更可信，弃渣场更安全，实用价值不言而喻。

1 弃渣场及周边环境概况

某水电站位于重庆市武隆县境内，地处乌江干流下游河段。工程开发任务以发电为主，兼有航运功能。工程等别为二等，规模为大(2)型，设计装机容量为600 MW，年平均发电量27.08亿kW·h。工程土石方开挖总量1 885.22万m3，填筑总量711.90万m3，弃渣量1 173.32万m3，弃渣运至5处弃渣场集中堆放并进行防护，本研究以其中的GANXG弃渣场为例，对水土保持设施验收中的弃渣场安全稳定性评估进行研究，以期为类似工程验收弃渣场安全稳定性评估提供参考。

弃渣场位于河段右岸坝上游1 km处的冲沟内，为相对独立的一条河沟，弃渣场一带原地貌为沟谷，谷底高程260～400 m，平均坡降15%～25%，为跌坎式冲沟。沟谷两岸峰顶高程500～600 m，与谷底相对高差一般在200 m左右，两岸谷坡地形坡角15°～25°，属沟道型弃渣场。渣场顶面高程370 m，边坡坡度为1∶2，设三级平台，渣场坡脚接江边公路和混凝土拌和系统。主要堆置导流明渠和前期道路开挖的弃渣，弃渣场原设计弃渣量为300.85万m3，实际堆渣量568.32万m3。

根据当地水文气象资料[3]，项目区多年平均降雨量为1 001.9 mm，4—10月份为雨季，降水量占全年的58.1%。弃渣场沟道属受季节性山区洪水峰值影响较大的河沟，沟内平时有水，汛期来水较大，但在枯水期间流量较小。弃渣场主要为出露志留系(S)地层，冲沟两侧大部分基岩裸露。

2 截排洪、拦挡及防护设计

2.1 弃渣场设计标准

某水电站弃渣场的防洪标准为4%，保证在洪水和暴雨时不被淹没。弃渣场集水面积为3.1 km2，频率设计洪峰56.2 m3/s[3]。

2.2 截排洪设计

根据地形条件，排水管涵布置在弃渣场冲沟右侧，上游靠山左侧布置截排水明沟，用来疏导后期渣场上游山体及小冲沟地面来水。弃渣场排水建筑物工程特性见表1。

表1 弃渣场排水建筑物特性

2.3 拦挡、防护设计

弃渣场弃渣来源于右岸一期开挖弃料，多为力学性状较差的页岩，为增强弃渣场的安全稳定性，设计采用砼护脚挡土墙与堆石拦渣坝作为永久防护体进行联合拦挡与防护，以确保该渣场的安全稳定。弃渣场底部护脚挡土墙基础挖至弱风化层，块石填筑基础挖至全风化层下2 m，埋深不小于3 m，并分层碾压。护脚挡墙采用C20块石砼进行浇筑，沟底综合坡度较陡，施工前清除渣场原始坡面上的腐质土、杂草及树根等不利因素。高程280 m平台范围内采用灰岩(或含砂岩)石渣料作为填料，分层填筑并碾压形成堆石挡渣坝，分层厚度为80 cm左右。碾压设备采用18～25 t级振动碾，每层碾压不少于4遍。堆石挡渣坝填筑区外侧按加筋土边坡施工。高程280 m平台以下部位采用干砌石作永久护坡，280 m平台以上部位采用草皮作护坡。

3 安全监测结果及分析

2013年初开始在右岸弃渣场布设安全监测仪器，分别在EL335、EL320、EL300、EL280 m高程各布置1套测斜管，钻孔深度分别为45、40、40、35 m，各孔均已深入基岩面5 m，以便监测渣场深层的侧向位移，同年3月，弃渣场测斜孔取得基准值。重要监测孔(孔口高程EL335.0 m)轴深度-累计位移曲线如图1所示、测斜管孔口累积位移如图2所示。

图1 弃渣场EL335.0 m高程测斜管深度-累积位移曲线

图2 弃渣场45 m深测斜管孔口累积位移

4 现状弃渣场稳定性评估

根据建设单位提供的水电站弃渣场现状1∶1 000实测地形图资料，复核现状渣场实际堆渣量与原设计堆渣量的对比，以及现状渣场的最大堆高，见表2。

表2 弃渣场堆渣量及最大堆高

4.1 评估依据与标准

根据《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)、《水利水电工程水土保持技术规范》(SL 575—2012)和《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)等相关规范和规定，弃渣场为2级渣场(表3)，抗滑稳定安全系数控制标准见表4。

表3 弃渣场级别标准

4.2 弃渣场边坡稳定计算方法

因弃渣场属沟道型，其失稳模式主要表现在弃渣场顺沟向的滑动稳定方面，重点是计算弃渣场边坡的抗滑稳定能力[4]。根据相关规范[3]规定，弃渣场稳定性分析计算选用理正软件，并采用瑞典圆弧法对弃渣场的边坡稳定性进行计算，其中渗流作用计算方法为有效应力法。其边坡稳定性可按式(1)进行计算。

(1)

式中：K为整个滑体剩余下滑力计算的安全系数；l为单个土条的滑动面长度,m，l=bsecθ；W为条块重力，kN，浸润线以上取重度，以下取饱和重度；U为条块所受到的浮力，kN；D为条块所受的渗透力，kN，据孔隙水压力梯度场积分得出；θ为条块的重力线与通过此条块底面中点半径之间夹角，(°)；α为条块的渗透力与水平线的夹角,(°)；c、φ为土的抗剪强度指标，采用总应力法时，取总应力指标，采用有效应力法时，取有效应力指标;b为土条宽度。

4.3 弃渣场边坡稳定计算

根据弃渣场弃渣现状，对弃渣场取典型断面1-1′，如图3所示，将典型断面处理后，得到弃渣场边坡稳定计算典型剖面模型。边坡计算模型中基础岩土的上、下游侧和底部作为不透水边界，水平方向范围取坡脚线至顶部放坡线，垂直方向范围取原始地面线以上。弃渣场渣体以页岩块石为主，部分为砂岩和灰岩块石，其主要填料参数指标见表5。

图3 弃渣场边坡稳定计算平面

表5 弃渣场主要填料参数指标

根据上述相同规范的规定，弃渣场抗滑稳定计算应分为正常运行工况和非正常运行工况。正常运行工况指弃渣场在正常和持久的条件下运行，弃渣场处在最终弃渣状态时，渣体无渗流或稳定渗流；非正常运行工况指弃渣场在正常工况下遭遇Ⅶ级以上(含Ⅶ级)地震。

各种工况下，渣场1-1′断面稳定系数如表6所示。

表6 弃渣场1-1′断面边坡稳定计算结果

5 结论与建议

5.1 结 论

弃渣场所处位置为相对独立的一条河沟，谷底高程260～400 m，沟谷两岸峰顶高程500～600 m，与谷底相对高差一般为200 m左右，渣场顶面高程370 m，设三级平台，渣场坡脚接江边公路和混凝土拌和系统，其中“渣场坡脚接江边公路和混凝土拌和系统”与水电站工程弃渣场选址四点主要原则中的“弃渣不挤占河道，不影响行洪，不留下隐患”相违背，原因是项目区山高坡陡，弃渣场选址难以满足选址四项原则。因此，作为水电站建设的重要弃渣场地，弃渣场防洪标准按照4%～5%的高标准设计，防洪安全有保障。

安全监测结果表明，弃渣场河床方向近期监测数据最大变形11.12 mm，主要原因是受上方道路施工及下方地基开挖影响，致此孔变形相对较大，孔口累计位移36.23 mm，其他测斜孔未见异常变化。同时，根据表6结果，弃渣场边坡稳定现状满足规范要求，渣场边坡稳定。

综合以上对弃渣场的全面分析和评估，以及从弃渣场设计到实施运行近10年后，原位变形监测结果及复核计算等指标显示，弃渣场目前已基本趋于相对稳定状态。

5.2 建 议

现状弃渣场级别较高，其后期应逐步减少其上部生产生活活动对渣场的干扰，每年定期(尤其是汛前)对弃渣场的截排洪(水)设施进行检查、疏浚和修缮，以防排水渗入弃渣场内部；继续对弃渣场进行变形监测，严禁在弃渣场所处沟道下游或沟口处等位置布设建筑物或施工场地。