花灘子水庫(kù)工程樞紐區(qū)棄渣場(chǎng)選址及穩(wěn)定性分析

蔣 靜

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550000)

1 工程概況

花灘子水庫(kù)工程位于貴州省銅仁市思南縣邵家橋鎮(zhèn)冉氏堂村的境內(nèi)清渡河上，清渡河為烏江右岸的一級(jí)支流。工程任務(wù)是以城鄉(xiāng)供水和灌溉為主、兼顧發(fā)電。水庫(kù)總庫(kù)容1.13億m3，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，總供水量為8909萬(wàn)m3/a，可灌溉3339.3hm2農(nóng)田，電站總裝機(jī)容量為7000kW。大壩壩型為碾壓混凝土重力壩，壩高108.5m，壩頂長(zhǎng)223.2m。水庫(kù)規(guī)模為Ⅱ等大(2)型。

2 棄渣場(chǎng)概況

主體設(shè)計(jì)根據(jù)工程所在區(qū)域的地形條件、樞紐布置格局及棄渣場(chǎng)規(guī)劃原則，在樞紐區(qū)布置1個(gè)棄渣場(chǎng)。渣場(chǎng)位于大壩上游左岸，距離壩址約1.2km處的寬緩階地，為庫(kù)區(qū)型棄渣場(chǎng)，堆置的棄方量為125萬(wàn)m3，主要堆放水庫(kù)樞紐區(qū)工程施工開挖產(chǎn)生的土石渣，共計(jì)124.57萬(wàn)m3棄渣(松方)。渣場(chǎng)占地面積5.15hm2，堆渣高程為422-462m，為3級(jí)棄渣場(chǎng)。

棄渣場(chǎng)布置的水土保持措施為：在渣場(chǎng)臨河側(cè)修建漿砌石重力式擋渣壩，壩長(zhǎng)490m，壩高6.5m，底寬5.5m，壩頂寬2m，壩頂高程424.5m，每堆高10m設(shè)置馬道，馬道寬2m，渣面高程462m(低于水庫(kù)死水位463m)，堆渣坡比1:2。在堆渣邊線至征地范圍內(nèi)順地形布置截水溝。為防止施工期間河水臨時(shí)性沖刷渣場(chǎng)，攔渣堤后20m范圍內(nèi)堆置大石渣，坡面采用干砌石壓坡防護(hù)。

2.1 棄渣場(chǎng)選址分析

經(jīng)地質(zhì)專業(yè)分析，建庫(kù)河流總體走向?yàn)闁|西向，河谷高程為385-496m，兩岸山體雄厚，左岸高程普遍為500-800m，右岸高程普遍為500-1000m；庫(kù)區(qū)最高峰位于庫(kù)尾右岸楓香坪，高程為1243.9m。區(qū)內(nèi)相對(duì)高差普遍為200-500m，總體屬低山地形。河谷縱向上地形呈喇叭口形狀，上游寬闊，往下游逐漸收窄，最窄處河床寬度僅30m左右；橫向兩岸地形左陡右緩，為不對(duì)稱“V”型峽谷。左岸河床至478m高程地形坡度為50°左右，478-506m高程地形坡度為85°左右，506高程以上地形逐漸變緩，坡度為30-45°左右；右岸河床至441m高程地形坡度為75°左右，441m高程以上地形變緩，為30-50°。

綜合上述地質(zhì)條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，水庫(kù)壩址處下游逐漸收窄，至烏江入口處均為陡峭峽谷地貌，無平緩灘地或沖溝適合堆渣。沿水庫(kù)壩址處往上游走1.2km冉氏堂村附近有一處較寬緩的水田地。經(jīng)過計(jì)算，面積和庫(kù)容均能達(dá)到堆渣要求。大壩樞紐兩岸地勢(shì)陡峭，無合適庫(kù)外堆渣場(chǎng)，因地形條件的限制，樞紐區(qū)棄渣場(chǎng)的選址具有唯一性。

2.2 棄渣場(chǎng)地質(zhì)條件分析

樞紐區(qū)棄渣場(chǎng)位于壩址上游，渣場(chǎng)區(qū)地面高程420-468m，地形坡度10-30°，屬碎屑巖分布的中低山河谷侵蝕地貌。渣場(chǎng)西南側(cè)緊鄰清渡河，東南側(cè)為斜坡。樞紐區(qū)棄渣場(chǎng)場(chǎng)區(qū)出露的地層主要為志留系中上統(tǒng)韓家店群(S2-3hn)及第四系(Q)。樞紐區(qū)棄渣場(chǎng)位于塘頭向斜東南翼，為單斜構(gòu)造，構(gòu)造不發(fā)育，該區(qū)無較大斷層分布，局部發(fā)育小揉皺，巖層產(chǎn)狀為270°-315°∠26-35°。地層巖性為S2-3hn的紫紅、灰綠、黃灰色頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖及中厚層狀粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等，為碎屑巖，地下水類型主要為孔隙水及裂隙水。區(qū)內(nèi)未見大的崩塌、滑坡、地裂縫及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，僅在岸坡覆蓋層分布區(qū)，出現(xiàn)雨季產(chǎn)生的淺層的、小規(guī)模覆蓋層和全、強(qiáng)風(fēng)化層的滑塌，對(duì)工程建設(shè)無大的影響。

2.3 棄渣場(chǎng)地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析，工程區(qū)為單斜構(gòu)造，場(chǎng)區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)活動(dòng)性大斷裂通過，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地震基本烈度為Ⅵ度，區(qū)域穩(wěn)定性好；場(chǎng)地及附近無大的崩塌、滑坡、泥石流等重大地質(zhì)災(zāi)害隱患。場(chǎng)地穩(wěn)定性較好。

場(chǎng)地緊鄰烏江一級(jí)支流——清渡河左岸河邊，屬于臨河型棄渣場(chǎng)，亦屬于庫(kù)內(nèi)型棄渣場(chǎng)，目前無擋水建筑物，堆渣易引起泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，適宜性較差，需修建擋水建筑物后適宜建筑。

場(chǎng)區(qū)后緣地形坡度為10°-30°，局部較陡。覆蓋層為耕植土和黏土夾碎石，厚0-3.0m，下伏基巖為S2-3hn頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖及中厚層狀粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等，為軟質(zhì)巖；單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀為270°-315°∠26-35°，巖體強(qiáng)風(fēng)化巖體厚6.0-9.0m，后緣邊坡主要為逆向坡；地下水埋藏較淺，自然邊坡整體穩(wěn)定。

3 棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性分析

樞紐區(qū)棄渣場(chǎng)采用格賓攔渣堤作為攔擋措施，渣場(chǎng)周圍布置截排水溝，排出渣場(chǎng)上游洪水。棄渣堆放時(shí)，將粒徑>50cm的石渣堆放在擋渣墻前，有利于穩(wěn)定和排水。棄渣在424m高程按1：2向后放坡，每堆置10m高設(shè)一級(jí)2m寬?cǎi)R道，渣面高程為462m。

3.1 棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算工況

棄渣場(chǎng)抗滑穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)分為正常運(yùn)用工況和非常運(yùn)用兩種工況進(jìn)行驗(yàn)算。

1)正常運(yùn)用工況：棄渣場(chǎng)在正常和持久的條件下運(yùn)用，棄渣場(chǎng)處在最終棄渣狀態(tài)時(shí)，渣體無滲流或穩(wěn)定滲流，即渣場(chǎng)自重。

2)非常運(yùn)用工況：棄渣場(chǎng)在正常工況下遭遇暴雨入滲對(duì)渣體穩(wěn)定造成的影響，即渣體自重+暴雨作用。

3.2 計(jì)算公式

棄渣場(chǎng)抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用不計(jì)條塊間作用力的瑞典圓弧滑動(dòng)法，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：b為條塊寬度，m；W為條塊重力，kN；W1為在棄渣邊坡外水位以上的條塊重力，kN；W2為在棄渣邊坡外水位以下的條塊重力，kN；Q、V為分別為水平和垂直地震慣性力(向上為負(fù)，向下為正)；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kPa；α為條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，°；c＇、φ＇為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；MC為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩；R為圓弧半徑。

3.3 計(jì)算參數(shù)

以地質(zhì)專業(yè)提供的建議值為依據(jù)，綜合考慮密實(shí)度、透水性、孔隙率，選取力學(xué)參數(shù)如下：

表1 樞紐棄渣場(chǎng)整體穩(wěn)定計(jì)算巖土力學(xué)參數(shù)表

2)滲透系數(shù)

為進(jìn)行暴雨工況下的滲流計(jì)算，需確定各層巖土的滲透系數(shù)。擋渣墻為不透水材料，但由于壩身分布間距為2m的D100PVC排水孔，為使計(jì)算準(zhǔn)確，將擋渣墻視作排水棱體看待，用單孔排水流量、孔數(shù)、擋渣墻立面面積綜合計(jì)算排水能力，換算為等值水平滲透系數(shù)，豎向仍視為不透水。

表2 整體穩(wěn)定計(jì)算滲流參數(shù)表

3)暴雨參數(shù)

4)地震作用

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)，工程區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s，動(dòng)峰值加速度為0.05g，與場(chǎng)地50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度59.4gal(0.06g)基本相當(dāng)，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度，不考慮地震荷載。

3.4 計(jì)算結(jié)果

1)滲流計(jì)算

使用理正巖土滲流分析計(jì)算系統(tǒng)(版本：6.5)計(jì)算棄渣場(chǎng)滲流問題分析。

表3 花灘子水庫(kù)設(shè)計(jì)暴雨成果表

由于已考慮了完善的排洪和截水措施，周邊洪水不會(huì)對(duì)渣場(chǎng)造成危害，但會(huì)受到渣面入滲的暴雨影響。當(dāng)50a一遇24h暴雨(204mm)從棄渣場(chǎng)坡頂入滲時(shí)，在計(jì)算機(jī)中建立二維模型，采用有限元方法對(duì)渣場(chǎng)滲流進(jìn)行計(jì)算。有限元網(wǎng)格剖分長(zhǎng)度為1m，最大迭代30次，判斷收斂誤差1%[2]。計(jì)算結(jié)果如下：

圖2 總水頭等值線圖

圖3 總壓力等值線圖

2)棄渣場(chǎng)整體穩(wěn)定計(jì)算

采用瑞典圓弧法計(jì)算棄渣場(chǎng)整體穩(wěn)定，正常工況只考慮正常堆渣受重力作用造成破壞，非常工況還要考慮暴雨入滲對(duì)渣體穩(wěn)定造成的影響[3]。

計(jì)算時(shí)條分法的土條寬度為1m。

①正常運(yùn)用工況最不利滑動(dòng)面:

滑動(dòng)圓心=(22.046，46.096)(m)；

滑動(dòng)半徑=47.196(m)；

滑動(dòng)安全系數(shù)K=1.26 > 1.25；

總的下滑力=4454.258(kN)；

總的抗滑力=5416.737(kN)；

土體部分下滑力=4454.258(kN)；

土體部分抗滑力=5416.737(kN)。

圖4 正常工況計(jì)算成果圖

②非正常運(yùn)用工況最不利滑動(dòng)面：

滑動(dòng)圓心=(26.054,36.075)(m)；

滑動(dòng)半徑=36.900(m)；

滑動(dòng)安全系數(shù)K=1.22 > 1.10；

總的下滑力=3224.713(kN)；

總的抗滑力=2702.998(kN)；

土體部分下滑力=3224.713(kN)；

土體部分抗滑力=2702.998(kN)。

圖5 非正常工況計(jì)算成果圖

經(jīng)計(jì)算，正常運(yùn)用工況下K=1.26>1.25；非正常運(yùn)用工況下K=1.22>1.10，渣場(chǎng)邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

水庫(kù)樞紐區(qū)渣場(chǎng)占死庫(kù)容3.6%，該渣場(chǎng)選址由主體設(shè)計(jì)專業(yè)確定，堆渣庫(kù)容占死庫(kù)容比例小，本工程50a淤沙高程為432.93m，死水位為463.00m，死庫(kù)容大，不影響水庫(kù)的正常功能。樞紐區(qū)棄渣場(chǎng)堆渣高程比取水口高5m，棄渣至大壩河段河道曲折蜿蜒，渣場(chǎng)對(duì)取水口基本無影響。

經(jīng)水文計(jì)算，渣場(chǎng)所在斷面河流30、50a一遇的天然洪水位分別為426.71m、428.26m。堆渣后30、50a一遇洪水位分別為426.86m、428.45m，較天然洪水分別壅高0.15m、0.19m。渣場(chǎng)布置在河道岸邊灘地，渣場(chǎng)布置分別占用30、50a一遇洪水行洪面積比例為12.6%、16.5%，占用斷面過水面積不大，且位于河邊灘地，未占用主河道。渣場(chǎng)堆渣后樞紐區(qū)渣場(chǎng)壅水影響范圍內(nèi)無其他建筑物或第三方，且工程施工期僅48個(gè)月，時(shí)間較短，樞紐區(qū)渣場(chǎng)的布置對(duì)河道壅水影響較小。

為防止沖刷影響渣場(chǎng)穩(wěn)定，沿河布置格賓攔渣堤作為攔擋措施，并在攔渣堤之后20m范圍內(nèi)采用大石渣堆填，并在渣面上用干砌石進(jìn)行護(hù)坡，可消除清渡河洪水對(duì)渣場(chǎng)的沖刷影響，樞紐區(qū)渣場(chǎng)的布置對(duì)河道斷面沖刷影響也較小。樞紐區(qū)棄渣場(chǎng)屬庫(kù)內(nèi)渣場(chǎng)，運(yùn)行期渣場(chǎng)位于水庫(kù)死水位以下，對(duì)河道行洪無影響。樞紐區(qū)渣場(chǎng)采取相應(yīng)措施后，渣體穩(wěn)定[3]。