冷轧厂大型弃渣体稳定性分析及处理方案研究

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)

0 工程概况

金沙水电站是金沙江干流中游河段规划 “一库十级”的第九级电站，位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，下距攀枝花中心城区10.3 km，电站正常蓄水位1022.00 m，最大坝高66.00 m，Ⅱ等大(2)型工程。

冷轧厂大型弃渣体位于金沙江水电站坝址右岸下游，紧邻导流明渠出口(见图1)。其顶部台面建有攀冶公司物资处周转材料租赁站和攀冶机电分公司结构厂，坡顶有公路通行。

图1 冷轧厂大型弃渣体三维影像图

1 弃渣体特征

冷轧厂大型弃渣体位于金沙江右岸，整体呈条椅状临江分布(见图2)。顶部为两级平台，高程分别为1063 m、1075 m，其上分别建有攀冶机电分公司结构厂、攀冶公司物资租赁站。厂区后缘外围为陡峻的正长岩山坡。前缘高程1005 m左右，岸坡较陡[1]，坡高45～65 m，坡角35°～40°，坡面为果木地，栽种芒果，坡脚已修建挡墙防护。坡脚至江边为漫滩，坡角15°～20°。上游为沙滩，中下游滩面堆积大量漂石，其中有一小范围基岩(正长岩)露头。

图2 冷轧厂大型弃渣体平面图

岸坡长520 m，横向宽260 m，平面面积0.1 km2，堆填厚度大，为30～55 m ，规模大，弃渣体体积290×104m3。

弃渣体物质为杂填土[2]及炉渣，大致成层堆填，上部杂填碎石夹土(①1)，中部炉渣(①2)，下部杂填碎石(①3)。物质结构呈松散至稍密状，总体不均匀，其中杂填土性状不均匀，炉渣性状较均匀，强度差，透水性均较强。

据1982年1∶10000地形图，弃渣体所处地段应为凹向右岸较宽的回水湾，滩面较平缓，与钻孔揭露情况基本吻合。

弃渣体前部坐落于冲积卵石层上，卵石厚度8.0～14.6 m；冲积物下伏基岩为正长岩，弱--微风化，岩体完整性较好。后部弃渣体直接坐落于正长岩斜坡上。

据调查，厂区及其它地表均未发现变形迹象，仅雨季岸坡表部有小范围土溜现象。

2 弃渣体稳定性分析及评价

2.1 宏观分析

(1)天然状态下稳定性分析

冷轧厂大型弃渣体是在高程1005 m左右以上滩面堆填弃渣而成，底界面平缓，呈5°～10°坡角微倾向金沙江(见图3)。

堆填物质为杂填碎石夹土、碎石与炉渣，以粗颗粒物质为主，抗剪强度相对较高，未发现较连续成层分布的软弱土层，即没有可产生滑动的软弱层(带)。

1.人工堆积物;2.冲积物;3.华力西期正长岩;4.土层编号;5.炉渣;6.杂填土;7.细砂;8.卵石图3 冷轧厂弃渣体典型剖面图(1-1′)

堆填物质透水性较强，利于地下水排泄。顶部厂区周边已修建截排水沟，后缘外围地表水不会大量流入弃渣体。地下水位与江水位持平，低于弃渣体底界面10余米。地表水与地下水对弃渣体稳定性不利影响较小。

坡脚沿线已修建挡墙防护，露出的挡墙未发现变形迹象；结构厂与租赁站于2007年修建，至电站施工前已运行8年余，厂房及地面皆未发现明显沉降、开裂等变形现象。

冷轧厂大型弃渣体规模大，物质为杂填碎石夹土、碎石与炉渣组成，强度较低，透水性较强；底界面平缓，其下为冲积卵石层；前缘坡脚已修建挡墙防护，除岸坡有土溜现象外，未发现其它变形迹象。弃渣体现状稳定性较好，不会发生较大规模快速滑动失稳现象。

从长远来看，弃渣体顶部平台已被两个厂占用，不可能继续向上堆填，且上下游岸坡可堆填的空间不大；厂区后缘外围正长岩山坡表部岩体卸荷较弱，完整性较好，未发现崩塌、危岩等，只有零星危石分布，山坡稳定性较好，不会有大量物质来源，弃渣体的规模与形态基本已固定，其稳定条件不会有大的改变，整体稳定性仍较好。

(2)电站施工期稳定性分析

电站施工期是通过右岸导流明渠泄流，左岸浇筑大坝厂房。

弃渣体正处于金沙水电站导流明渠出口下游右岸，堆积物结构松散至稍密，抗冲刷能力差，明渠泄流流速快，会对弃渣体沿线岸坡产生较强的冲刷、掏脚，进而导致弃渣体岸坡失稳，对坡顶公路、厂区不利。

据设计方案，导流明渠出口处位于冷轧厂弃渣体上游边界，设计明渠流向与金沙江夹角约52°，导流标准按5%洪水频率，相应下游水位1013.3 m、明渠内最大流速达10.7 m/s。导流明渠出口水流方向斜对下游左岸，虽不正冲或顺冲弃渣体沿线岸坡，但泄流流速快，回流仍会对弃渣体沿线岸坡产生较强冲刷，而且按导流标准5%洪水频率时弃渣体一带江水位1013.3 m，高于弃渣体前缘坡脚(高程1005 m左右)8 m左右，高于挡墙(墙顶高程1012 m)1 m左右，水流会对弃渣体前缘产生冲刷、掏脚、浸泡，堆填物质较松散，抗冲能力差，加上弃渣体岸坡较陡，坡角35°～40°，岸坡会不断产生坍塌(见图4)，对坡顶公路不利，需防护。

图4 施工期明渠泄流回流冲刷掏脚岸坡失稳示意图

已建挡墙位于漫滩上，墙顶高程1012 m，基础高程应在1005 m左右，大部分岸段挡墙基础坐落在卵石层，上游岸段可能置于砂层，对岸坡稳定有一定作用，但基础埋置深度较小，防冲能力有限。

为研究明渠泄流条件下岸坡的稳定变化情况，进行了1∶80导流动床模型试验，试验采用抛石防护方案。试验成果表明，流量越大，明渠出口处流速越大，设计流量11400 m3/s时，最大垂线平均流速达12.2 m/s；各级流量下冲坑形状基本相似，冲坑深点位于明渠中心线略偏右侧，冲坑深度随流量的增大而增大，抛石的塌落范围及程度随流量的增大而增大；在设计工况时，主冲坑偏导流明渠中心线右侧，其中明渠出口下游0+400 m附近冲深达20余米，冷轧厂侧导流明渠出口下游防护范围内部分抛石落于冲坑中，并形成稳定的护坡。可见，金沙水电站施工期导流明渠泄流对弃渣体上游岸坡下部回流冲刷掏蚀程度较重，从而产生塌岸现象较显著。

(3)电站运行期稳定性分析

电站运行期大坝蓄水，导流明渠内修建两孔泄洪闸，通过泄洪闸--明渠泄流；坝后水位上升，冷轧厂一带设计校核洪水位1019.5 m。冷轧厂岸坡不仅会受到泄洪闸泄洪冲刷影响，而且下部高15 m的岸坡将长期处于水下，受江水的浸泡岸坡稳定条件会变差。

2.2 稳定性计算——詹布法

稳定性计算采用极限平衡分析法的詹布法(Janbu)[1]计算。詹布法在计算岩土体稳定性时，考虑土条的水平条间力，滑动面和破裂面近似为折线。

根据弃渣体的物质组成及分布情况，选取4-4＇剖面进行计算。只考虑天然状态、金沙水电站施工期导流明渠泄流时工况，对选取的计算剖面作弃渣体整体在天然状态、水位1013.3 m(导流标准5%洪水频率时水位)及假定前缘被水流冲刷、掏蚀后三种工况进行计算。另外，对最危险滑面进行了搜索。相关计算参数的选取见表1[1，3]，计算剖面条分示意图见图5。

表1 冷轧厂弃渣体物理力学参数取值

图5 4-4＇剖面条分示意图

从计算结果看：在天然状态下，弃渣体的整体稳定系数为1.9；水位1013.3 m时，弃渣体的整体稳定系数为1.4。假定前缘被水流冲刷、掏蚀后，天然状态及水位1013.3 m时弃渣体整体稳定系数分别下降为1.5、1.2；但弃渣体前缘稳定性系数为0.7～0.9，出现前缘失稳情况。最危险滑面搜索结果表明，在前两种不同工况下，最危险滑面均位于斜坡表部，稳定性系数0.8～1.0，处于不稳定状态。

弃渣体稳定性计算表明，在天然状态及水位1013.3 m两种工况下，弃渣体的整体稳定性均较好，第二种工况下稳定性有所下降；弃渣体平台前缘斜坡表部处于不稳定状态与斜坡小范围的土溜现象较一致。假定前缘被水流冲刷、掏蚀后，弃渣体前缘会出现失稳现象。

2.3 稳定性总体评价

弃渣体的稳定条件宏观分析与稳定性计算表明，弃渣体天然状态下的稳定性较好，不会发生较大规模快速滑动失稳现象，仅斜坡表部稳定性差；施工期，导流标准5%洪水频率时，其稳定系数有所下降，但其整体稳定性仍较好，主要是明渠泄流冲刷掏脚会导致岸坡表部失稳，另外斜坡表部稳定性差；运行期岸坡会承受长期浸泡、冲刷影响，岸坡表部稳定性较差，需防护。

3 对工程和环境的影响分析

冷轧厂大型弃渣体位于电站下游，对工程无影响。但工程对其有影响，主要问题是施工期导流明渠泄流对其岸坡的回流冲刷问题，另外运行期大坝蓄水后下游水位抬高浸泡，也对岸坡的表部稳定不利。岸坡一旦失稳，对岸坡表部农田、交通道路及厂矿企业有影响，需采取针对性的防护措施。

4 处理方案讨论

根据地质分析与模型试验成果可见，冷轧厂大型弃渣体整体稳定性较好，主要问题是施工期导流明渠泄洪对前缘岸坡的回流冲刷、掏脚问题，另外岸坡表部有稳定问题，破坏模式为岸坡表部土体坍塌，破坏过程是坡脚掏蚀、上部追踪坍塌，类似牵引式坍塌方式，因此应对措施就是护岸。

由于岸坡前缘砂卵石厚度不大，不能作为可靠的护岸建筑物地基，其下粉土强度低、深度大，也不是较好的地基，因此采用桩基等深部防护措施不合适，经济上也不划算。

经综合研究，施工期弃渣体前缘岸坡高程1004 m以下采用合金网石兜[4]及格宾石笼平台压脚，上接钢丝石笼[5]护坡方案，护坡至高程1014 m，坡比为1∶2.5～1∶1.5，防止冲刷掏脚岸坡失稳；运行期则在对施工期护岸工程修补的基础上，对其上至高程1020 m坡段(自然岸坡)采用钢丝石笼护坡(见图6)，以防止施工期护岸之上的(自然)岸坡表部受浸泡和冲刷失稳破坏。

图6 冷轧厂弃渣体防护方案典型断面图

5 结论

(1)冷轧厂大型弃渣体是在金沙江右岸较大的回水湾滩面以上堆填弃渣而形成的大型弃渣体，宏观分析与稳定性计算均表明天然状态下其整体稳定性较好，但岸坡表部存在稳定问题。

(2)施工期导流明渠泄流局部改变了原河床的流速和流态，弃渣体前缘覆盖层厚度大，抗冲能力较弱，弃渣体岸坡回流冲刷是主要问题。

(3)因弃渣体前缘覆盖层厚度超过30 m，采用桩、板等刚性防护，基础需进入基岩一定深度，施工周期长，工程量大，经济性差。

(4)根据地质分析与模型试验成果分析，创新性提出施工期采用合金网石兜及格宾石笼平台压脚，上接钢丝石笼护坡的柔性防护方案；运行期在对施工期防护工程修补的基础上，采用混凝土面板护坡。

(5)施工期防护工程施工完成后运行了近5年，除导流明渠泄流时局部产生塌岸、护岸损坏外，大部分护岸未被冲刷破坏。说明研究的结论、选择的柔性防护措施基本是合适的。

(6)建议明渠过流前、后对弃渣体前缘流速、流态及河床岸坡冲刷等情况进行跟踪对比，以便进一步验证防护方案的可靠性、经济性，为其他类似工程提供更有价值的参考资料。