抽水蓄能電站棄渣場勘察設(shè)計中若干問題的探討

李沁書，溫家華，柴建峰，周喜軍，閆 賓，凌 超

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161 ）

0 引言

抽水蓄能電站上、下專用庫筑壩地段的地形地質(zhì)條件大多較為復(fù)雜，同時，地下廠房系統(tǒng)和專用公路等部位的土方開挖量大，往往導(dǎo)致整個工程棄渣量較大，最大規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)百萬立方米。棄渣體主要組成成分為松散碎石、土體，具有多孔隙、非飽和、低強(qiáng)度的特點，而棄渣場多選址在自然溝谷中，若處理不當(dāng)，容易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。

抽水蓄能電站一般臨近電力負(fù)荷中心，自然和人文環(huán)境相對復(fù)雜，因此，其棄渣場邊坡的穩(wěn)定性及其誘發(fā)的滑坡、泥石流等災(zāi)害問題，既涉及生產(chǎn)建設(shè)活動安全運行，又關(guān)系到人民生命財產(chǎn)安全和環(huán)境保護(hù)[4-5]，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性和社會性。

隨著國家對安全生產(chǎn)和生態(tài)文明建設(shè)的重視逐步增強(qiáng)，抽水蓄能行業(yè)對棄渣場安全、水土保持恢復(fù)等方面的重視程度逐步提高，對棄渣場的勘察設(shè)計等提出了更高要求。然而，目前棄渣場在前期的勘察設(shè)計等方面依舊存在不足，給后期電站建設(shè)和運營安全帶來了隱患，具體表現(xiàn)為：①棄渣場勘察標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求尚不明確，導(dǎo)致勘察與設(shè)計的進(jìn)度和深度匹配性較低；②工程建設(shè)條件調(diào)查和研究有待加強(qiáng)，前期水文、征地等情況調(diào)查仍需細(xì)化；③穩(wěn)定性計算方法有待完善，一方面，棄渣場穩(wěn)定性計算時所輸入的物理力學(xué)參數(shù)、商業(yè)軟件自動搜出的潛在滑面及穩(wěn)定性計算結(jié)果等與棄渣場實際變形破壞機(jī)理有一定差別；另一方面，棄渣體及其邊坡往往缺少監(jiān)測分析等資料，穩(wěn)定性評價的監(jiān)測驗證缺乏，極少有實際工程通過宏觀監(jiān)測手段揭示棄渣場邊坡的變形破壞特征，以更深入地研究棄渣場邊坡的失穩(wěn)破壞模式和評價方法。

為積極響應(yīng)國家、行業(yè)要求，本文針對已有棄渣體存在問題開展研究，對比總結(jié)目前棄渣場勘察設(shè)計有關(guān)的規(guī)范和要求，結(jié)合工程實際分析探討了目前抽水蓄能電站棄渣場勘察設(shè)計現(xiàn)狀，最后提出結(jié)論和建議。

1 抽水蓄能電站棄渣場勘察設(shè)計有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

目前抽水蓄能電站棄渣場勘察執(zhí)行和參考的規(guī)范主要有：《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287）、《水電工程渣場設(shè)計規(guī)范》（NB/T 35111）、《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持技術(shù)規(guī)范》（GB 50433）、《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》（SL 575）和《水電建設(shè)項目水土保持方案技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5419）。

1.1 水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范

《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287—2016）為國家現(xiàn)行規(guī)范，適用于大型水電站和抽水蓄能電站的工程地質(zhì)勘察工作。該規(guī)范規(guī)定在可行性研究階段，“應(yīng)初步查明堆渣場的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、物理地質(zhì)現(xiàn)象，特別要調(diào)查溝谷泥石流的發(fā)育情況，分析其對堆渣體安全的影響，初步評價渣場穩(wěn)定性，提出處理建議”[6]。而招標(biāo)設(shè)計階段，僅需對棄渣場地質(zhì)情況進(jìn)行復(fù)查和補(bǔ)充。但是，該規(guī)范并未對棄渣場勘察明確規(guī)定具體方法和技術(shù)要求，從近期多個前期項目來看，渣場地質(zhì)勘察工作仍然未得到相應(yīng)的重視，投入的地質(zhì)勘察工作量也甚少。

1.2 水電工程渣場設(shè)計規(guī)范

為規(guī)范水電工程渣場設(shè)計，國家能源局于2018年4月發(fā)布了《水電工程渣場設(shè)計規(guī)范》，適用于大、中型水電工程渣場設(shè)計，故抽水蓄能電站的渣場也應(yīng)滿足此規(guī)范要求。

該規(guī)范指出，可行性研究階段，在渣場設(shè)計方面的主要任務(wù)是確定渣場布置位置、規(guī)模，進(jìn)行渣場擋護(hù)、排水方案設(shè)計，提出渣場防護(hù)工程措施及主要工程量；其地質(zhì)勘察的主要任務(wù)是查明堆渣場地是否存在軟弱夾層及不利于渣體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面，場地是否具備布置渣場的條件。招標(biāo)、施工圖階段，渣場設(shè)計主要結(jié)合樞紐建筑物招標(biāo)設(shè)計成果，復(fù)核渣場堆渣容量，對渣場擋護(hù)、截排水建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足工程施工招標(biāo)及現(xiàn)場施工要求；其地質(zhì)勘察工作即結(jié)合渣場擋護(hù)、截排設(shè)計成果，有針對性地布置地質(zhì)勘探工作[7]。

由上可知，此規(guī)范要求在可研階段達(dá)到初步設(shè)計深度，在施工圖階段僅進(jìn)行復(fù)核和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，這就要求大量的勘察工作在可研階段完成，而在施工圖階段，僅為渣場擋護(hù)、截排等細(xì)部進(jìn)行專項勘探。而從目前多個項目經(jīng)驗來看，不僅在施工圖階段在棄渣場實際投入的地質(zhì)勘察工作量很少，可研階段也投入得較少。

1.3 生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50433—2018）為現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，適用于建設(shè)或生產(chǎn)過程中可能引起水土流失的生產(chǎn)建設(shè)項目的水土流失防治，自2019年4月1日起實施。該標(biāo)準(zhǔn)將水利水電工程的棄渣場界定為水土保持的措施，在預(yù)可行性研究階段，需初步提出防治措施總體布設(shè)方案并估算水土保持措施工程量及投資。在可行性研究階段，編制的《項目水土保持方案》中需包含棄渣場的布設(shè)位置、地形條件、容量、棄渣量、占地面積、匯水面積及下游重要設(shè)施、居民點等，并需從水土保持角度簡述對工程棄渣場的設(shè)置、施工方法與工藝的評價結(jié)論[8]。

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定渣場勘察的地形圖比例應(yīng)達(dá)到一定精度，范圍應(yīng)達(dá)到匯水計算要求，還規(guī)定了棄渣場禁止及推薦選擇的場地，沒有明確指出工程地質(zhì)資料具體內(nèi)容。

1.4 水電建設(shè)項目水土保持方案技術(shù)規(guī)范

目前抽水蓄能電站可行性研究階段水土保持方案主要參考《水電建設(shè)項目水土保持方案技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5419—2009）對棄渣場攔擋工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行說明。其中10.2.2條款規(guī)定，棄渣總量超過10萬m3的棄渣場或周邊有重要防護(hù)對象的棄渣場，在防護(hù)設(shè)計時，需進(jìn)行必要的地質(zhì)勘探，不得在不良地質(zhì)區(qū)域布設(shè)棄渣場。10.2.5中規(guī)定，攔渣工程建筑物設(shè)計應(yīng)充分考慮渣體排水要求[9]。

綜合以上渣場相關(guān)規(guī)范，已經(jīng)對渣場的勘探、設(shè)計、水土保持等各方面進(jìn)行了較為全面的規(guī)定，但渣場的勘察深度并沒有給予足夠重視。

2 抽水蓄能電站棄渣場勘察設(shè)計中存在的問題

目前，在國家、行業(yè)已制定相關(guān)規(guī)定和要求的環(huán)境下，諸多抽水蓄能電站棄渣場的勘察設(shè)計過程依舊存在著問題。

2.1 勘察與設(shè)計的進(jìn)度和深度匹配性較低

（1）目前階段的劃分規(guī)定。

計劃經(jīng)濟(jì)時期，我國水電建設(shè)體制為自營管理，水電工程項目設(shè)計階段也劃分為河流規(guī)劃、可行性研究報告、初步設(shè)計、招標(biāo)設(shè)計和施工詳圖等5個階段。隨著改革開放的深入，水電建設(shè)體制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫椖繕I(yè)主責(zé)任制、招標(biāo)承包制和工程監(jiān)理制。原有的5個階段劃分存在著設(shè)計階段煩瑣、周期長，招標(biāo)設(shè)計無必要的工作周期，設(shè)計階段與國家基本建設(shè)項目審批程序不協(xié)調(diào)等問題，為使設(shè)計階段的劃分適應(yīng)新的發(fā)展需求，當(dāng)時的電力工業(yè)部于1993年底下發(fā)的《關(guān)于調(diào)整水電工程設(shè)計階段的通知》（電計〔1993〕567號），增加了預(yù)可行性研究報告階段，將原有可行性研究和初步設(shè)計兩階段結(jié)合，統(tǒng)稱為可行性研究報告階段，取消原初步設(shè)計階段，調(diào)整前后的設(shè)計階段如表1所示。

表1 水電工程基本建設(shè)程序變化Table 1 Changes in construction procedures of hydropower project

通知中指出，應(yīng)加深原有可行性研究報告深度，使其達(dá)到原有初步設(shè)計編制規(guī)程的要求。招標(biāo)設(shè)計階段暫按原技術(shù)設(shè)計要求進(jìn)行勘測設(shè)計工作。這意味著渣場在可行性研究階段的勘察設(shè)計工作也應(yīng)達(dá)到原有的初步設(shè)計階段的深度。

（2）實際開展情況。

實際中，抽水蓄能電站棄渣場的地質(zhì)勘察工作并未受到足夠重視。由于地質(zhì)勘察規(guī)范對于可行性研究階段的勘察內(nèi)容和方法交代不夠完備，實際工作中在該階段的勘察深度往往較淺；而勘察成果是設(shè)計開展的基本資料，勘察深度較淺，可能直接影響到可行性研究階段的設(shè)計成果，可靠性無法保證。目前，棄渣場的地質(zhì)勘察工作多在招標(biāo)設(shè)計階段完成，但近期抽水蓄能電站從可行性研究階段到招標(biāo)階段時間比較緊湊，留給招標(biāo)階段的勘測設(shè)計的時間和工作量均相對偏少，故在實際工程中，先期開工點（多為專用公路）往往形成不少棄渣，棄渣堆放隨意等問題難以避免，甚至?xí)a(chǎn)生較大的費用于渣場二次搬家等重復(fù)工作。

2.2 工程建設(shè)條件調(diào)查和研究有待加強(qiáng)

（1）前期調(diào)查研究不夠。

影響已運行電站的棄渣體穩(wěn)定性的因素主要是水力侵蝕、重力侵蝕和人為活動影響等，若對前期水文地質(zhì)情況的調(diào)查不夠，則會影響渣場的自身穩(wěn)定性。

例如東南沿海某抽水蓄能電站的棄渣場，受臺風(fēng)暴雨侵蝕，渣體受雨水沖刷和裹挾，造成下游河道淤泥逐年增加，不僅導(dǎo)致下游村莊河道兩岸排水涵管幾乎全部堵塞、村莊內(nèi)洪水無法排泄、多次受淹，還影響到河道行洪安全，部分地段河道過斷面僅為原來的10%左右，河道行洪困難，遇到暴雨等惡劣天氣時，洪水倒灌至下游村莊。2016年，在兩次超強(qiáng)臺風(fēng)帶來的特大暴雨沖刷下，部分棄渣體隨強(qiáng)降雨沖入下游村莊，導(dǎo)致多處農(nóng)田損毀、渠道破壞、村部道路被沖斷。該例即側(cè)面反映出前期水文、地表徑流、行洪等建設(shè)條件調(diào)查設(shè)計有待于提高，并應(yīng)充分考慮臺風(fēng)等極端氣候影響。

（2）移交問題突出。

棄渣場征地類型多為臨時建設(shè)用地，通過驗收、土地移交給地方政府后，建設(shè)單位不再具有土地利用權(quán)；而由于防治責(zé)任與土地利用權(quán)屬直接相關(guān)，理論上來講，棄渣場移交之后，電站將不再承擔(dān)防治責(zé)任，不具有繼續(xù)開展防治措施的法律基礎(chǔ)。

本文針對我國17個抽水蓄能電站共46個棄渣場的移交及管理情況進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果如圖1所示。已完全移交給當(dāng)?shù)卣臈壴鼒鰞H占總數(shù)的35%，其余的由電站自行管理；有53%的電站所有棄渣場均未移交。對于部分已經(jīng)移交的棄渣場，若出現(xiàn)因地方政府未維護(hù)到位或人為破壞等造成渣體失穩(wěn)變形破壞，將對電站水保、環(huán)保、安全運行造成一定影響；而棄渣場多臨近電站，有的甚至在廠區(qū)，往往與電站生產(chǎn)生活設(shè)施毗連，其安全穩(wěn)定與電站安全運行間又存在關(guān)聯(lián)，若出現(xiàn)安全事故，責(zé)任較難明確界定；同時，企業(yè)與地方政府協(xié)調(diào)也存在一定難度。在這種背景下，部分電站難以將棄渣場移交給地方政府，或者即使已移交，卻仍在對其進(jìn)行日常的巡檢和維護(hù)。而若在前期勘察設(shè)計階段，充分重視對棄渣場日后移交可能產(chǎn)生的地域、水文地質(zhì)及安全運行等的考慮，則在移交后減少諸多技術(shù)及管理問題。

圖1 棄渣場移交和管理現(xiàn)狀示意圖Figure 1 The statistical analysis of the handed-over and management situations of residues disposals

2.3 穩(wěn)定性計算方法有待完善

目前，各設(shè)計單位大多采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法進(jìn)行水電工程棄渣場的抗滑穩(wěn)定分析計算，二者均將渣場滑動面假設(shè)為圓弧，將滑動體垂直劃分為土條，以棄渣體的土條底面的有效黏聚力c和土條地面的有效內(nèi)摩擦角φ作為輸入條件，搜索潛在滑動面。而區(qū)別僅在于建立模型時，是否考慮土條間的相互作用力。雖然此類抗滑穩(wěn)定分析計算方法采用廣泛[10-11]，但其仍存在不足之處[12]。

首先，棄渣體在設(shè)計時多被視為均勻體，其滑動面被假設(shè)為圓弧，而較少考慮棄渣體與原始地表面之間存在其他潛在軟弱滑動面/帶并沿其他滑動面失穩(wěn)的可能。2015年，深圳某城建棄土場滑坡的事件，即為堆渣體被水滲透軟化泥化、填土體變?yōu)椤败浤唷倍哂辛鲃有运?，其滑坡流露的斜坡地形傾角不足2°，滑程大，影響范圍廣[13]，這與設(shè)計時的c和φ取值搜索出的潛在滑動面并不相符。此項特別重大滑坡事故雖未發(fā)生在水電領(lǐng)域，但為所有從事棄渣場設(shè)計的技術(shù)人員敲響了警鐘，尤其是對于天然溝谷較陡的山谷型渣場，在溝谷地表處理不當(dāng)時，即可能出現(xiàn)泥化、泥碳化，進(jìn)而成為潛在滑動面的風(fēng)險。設(shè)計人員應(yīng)該重新思考更科學(xué)的、更全面的潛在滑動面設(shè)計方法，保證工程項目順利運行，保障社會人民生命財產(chǎn)安全。

其次，從目前各水電站的棄渣場各設(shè)計方案來看，棄渣場在可行性研究階段乃至招標(biāo)階段實際完成的勘察工作量較難在設(shè)計文件中體現(xiàn)，不同項目投入的勘察工作量相差較大，設(shè)計參數(shù)的選取方法不同[14-15]，提交的設(shè)計參數(shù)也相差甚遠(yuǎn)。隨機(jī)選出7個抽水蓄能電站棄渣場的c和φ取值如表2和圖2所示，二值在不同項目上差別明顯，且缺少賦值依據(jù)及機(jī)理，其合理性值得商榷。

表2 部分電站棄渣場強(qiáng)度參數(shù)（c、φ）統(tǒng)計表Table 2 List of c and φ according to different projects

圖2 部分電站棄渣場強(qiáng)度參數(shù)（c、φ）統(tǒng)計散點圖Figure 2 Scatter graphs of c and φ

最后，該方案對影響棄渣體破壞的變形參數(shù)關(guān)注較少；同時均假定整個滑面同時處于臨界失穩(wěn)狀體，未考慮推移漸進(jìn)式破壞，顯然這和實際是有所差別的。

3 結(jié)論和建議

足夠的實物地質(zhì)勘察工作量是一切地質(zhì)分析和評價、穩(wěn)定性計算、設(shè)計和施工的基礎(chǔ)，科學(xué)的設(shè)計方案是電站建設(shè)、運行、維護(hù)的重要保障。本文結(jié)合已有規(guī)程規(guī)范的對比研讀和工程實踐經(jīng)驗教訓(xùn)，分析提出如下三點建議。

（1）在規(guī)程規(guī)范中應(yīng)明確棄渣場不同階段的勘察深度和方法，同時各勘察單位應(yīng)按規(guī)范要求開展渣場地質(zhì)勘察工作，在相應(yīng)渣場勘察設(shè)計報告中明確不同階段完成的地質(zhì)勘察工作量，切實達(dá)到可行性研究階段地質(zhì)勘察結(jié)果足以保障設(shè)計成果達(dá)到初步設(shè)計深度，招標(biāo)階段僅為復(fù)核工作。

（2）重視渣體物理力學(xué)參數(shù)和計算分析方法手段。就計算分析而言，無論是極限平衡法還是三維有限元等數(shù)值模擬方法，棄渣體的物理力學(xué)參數(shù)直接決定著潛在滑動面位置和穩(wěn)定性系數(shù)，建議重視前期測繪和地質(zhì)勘察工作，合理科學(xué)的確定渣體的物理力學(xué)指標(biāo)。另外，地質(zhì)巖土工程領(lǐng)域通用軟件自動搜索出來的滑面形態(tài)、穩(wěn)定系數(shù)和棄渣場實際破壞情況存在一定差距?，F(xiàn)有部分設(shè)計文件將規(guī)模較大、影響較廣的棄渣場視為均質(zhì)體，較少考慮其他可能軟弱滑面/帶，并據(jù)此進(jìn)行棄渣場穩(wěn)定性評價和設(shè)計，該類做法值得進(jìn)一步商榷，棄渣場的動態(tài)穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性也應(yīng)得到關(guān)注。

（3）重視棄渣場監(jiān)測和管理，提升管理水平。為保證棄渣場的安全穩(wěn)定運行，除了技術(shù)上的充分保障，還需要責(zé)任方的先進(jìn)管理。建議項目運行單位高度重視棄渣場勘察、設(shè)計、施工、運維及移交等工作。從各電站反饋的管理和運維經(jīng)驗來看，重視籌建期和基建期棄渣場的勘測設(shè)計和管理標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計時考慮監(jiān)測設(shè)施的布設(shè)。觀測和監(jiān)測設(shè)施盡可能采用先進(jìn)可靠的自動化采集設(shè)備。棄渣場設(shè)計時，還應(yīng)考慮設(shè)置便捷巡視便道，建議與電站棄渣場截排水溝等同步設(shè)計。