朱岔峽水電站 2號棄渣場邊坡穩(wěn)定度分析與水土保持措施

馬曉燕,邸 利,傅志娥,侯 濤,張 富,胡曉紅

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,甘肅蘭州 730070;2.武威市水土保持工作站,甘肅武威 733000;3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,甘肅蘭州 730070;4.天祝縣水土保持工作站,甘肅天祝 733015)

朱岔峽水電站 2號棄渣場邊坡穩(wěn)定度分析與水土保持措施

馬曉燕1,邸 利1,傅志娥2,侯 濤3,張 富3,胡曉紅4

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,甘肅蘭州 730070;2.武威市水土保持工作站,甘肅武威 733000;3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,甘肅蘭州 730070;4.天祝縣水土保持工作站,甘肅天祝 733015)

棄渣場;邊坡;穩(wěn)定性;水土保持措施;朱岔峽水電站

在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上,對甘肅省大通河朱岔峽水電站 2號棄渣場邊坡穩(wěn)定度進(jìn)行了分析與計算,結(jié)果表明:朱岔峽水電站 2號棄渣場邊坡滑動穩(wěn)定安全系數(shù)(K)為 0.19,遠(yuǎn)小于工程中一般要求的 1.25～1.35,屬不穩(wěn)定邊坡。在防護(hù)措施布設(shè)上建議采用抗滑樁—鋼索—鐵絲籠帶以增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性,并在枯水期及時清理河道,以保障洪水期水流暢通,同時選擇小葉楊、扁穗冰草等根系發(fā)達(dá)、適應(yīng)性強(qiáng)的植物穩(wěn)固邊坡,防止新的水土流失發(fā)生。

自西部地區(qū)實(shí)施大開發(fā)以來,國家加強(qiáng)了對甘肅省水利設(shè)施建設(shè)的投資力度,先后投資建設(shè)了一批水利工程項(xiàng)目,這對甘肅省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了積極的拉動作用,但也會造成相當(dāng)嚴(yán)重的水土流失。為使工程建設(shè)對環(huán)境的不利影響得到有效控制,對工程建設(shè)項(xiàng)目實(shí)時監(jiān)測,對施工棄渣場邊坡穩(wěn)定度進(jìn)行分析,依據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的水土保持措施顯得尤為重要。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

大通河朱岔峽水電站位于甘肅省天祝藏族自治縣境內(nèi)大通河中游,甘青交界段扎隆口至金沙峽口河段,距蘭州市約 200 km,距天祝藏族自治縣縣城約 100 km;是大通河青崗峽至金沙峽河段梯級開發(fā)的第三級水電站,為無調(diào)節(jié)低水頭大流量徑流引水式電站;裝機(jī)容量為34MW,設(shè)計水頭 38.0m,安裝 3臺機(jī)組,額定引用流量 102m3/s,年利用小時數(shù)為 4 218h,多年平均發(fā)電量為 1.434億kW?h;建設(shè)總工期為 25個月,主體工程施工期(包括施工準(zhǔn)備期和竣工清理)為 24個月。該電站采用有壩引水的布置方式,壩頂高程為 2 213m,大壩長 121.30m、高16m;工程等級為 IV等,工程規(guī)模為小(一)型,樞紐工程主要建筑物為 4級,次要建筑物為 5級;工程由引水樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)三大部分組成,工程開發(fā)的主要任務(wù)是發(fā)電。

主體工程土石方開挖總量為 54.70萬m3,平衡后棄渣總量42.17萬 m3。該電站 2號棄渣場,經(jīng)實(shí)測總堆渣量達(dá) 66.66萬m3,邊坡長達(dá) 75m,坡度達(dá) 75°。在實(shí)地監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn),堆渣使溝內(nèi)原有植被遭到破壞,輸電線路受到影響。另外,由于堆渣坡度過陡,有近 160m3的棄渣已滑入大通河河道,最寬處侵占了河道的 2/3。

2 朱岔峽水電站 2號棄渣場邊坡穩(wěn)定度分析

在進(jìn)行朱岔峽水電站 2號棄渣場穩(wěn)定度分析計算時,采用的數(shù)據(jù)主要來源于《甘肅省大通河朱岔峽水電站工程水土保持方案報告書(報批稿)》和實(shí)地監(jiān)測。選取的數(shù)據(jù)有:①棄土、棄石、棄渣量;②棄渣場邊坡穩(wěn)定度測量計算數(shù)據(jù);③棄土、棄石、棄渣場必需的生物措施面積;④棄渣場布設(shè)的工程措施規(guī)格及其工程量。

2.1 土坡滑動失穩(wěn)的機(jī)理

一般棄渣場土坡滑動失穩(wěn)的原因有兩種:一是外力的作用破壞了土體內(nèi)原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)[1-2]。如路塹或基坑的開挖,使土體自身的重力發(fā)生變化,改變了其原有的應(yīng)力平衡;路堤的填筑或土坡面上有堆料、車輛荷載時,土坡內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生改變;另外,土中的滲流力或鄰近打樁施工擾力等的作用,也會破壞土體原有的應(yīng)力平衡,促使土坡滑塌。二是土體的抗剪強(qiáng)度受外界因素的影響而降低,導(dǎo)致土坡失穩(wěn)[3]。如外界氣候等自然條件的變化,造成土體時干時濕、收縮膨脹、凍結(jié)融化等,從而使土質(zhì)變松,抗剪強(qiáng)度下降;土體還會因雨水的滲入而降低其抗滑性;土坡附近施工引起的震動,如打樁、爆破等也會造成土體抗剪強(qiáng)度降低。

2.2 砂性土坡的穩(wěn)定性分析

根據(jù)實(shí)際觀測,朱岔峽水電站 2號棄渣場的棄渣為均質(zhì)砂性土,而由均質(zhì)砂性土構(gòu)成的土坡,破壞時滑動面大多近似于平面。因此,在分析朱岔峽水電站 2號棄渣場邊坡穩(wěn)定性時,可假定滑動面是平面(如圖 1所示)。

圖1 砂性土坡

2.3 朱岔峽水電站 2號棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析

如圖 1所示的簡單土坡,已知土坡高為 H,坡角為 m,土的重度為 γ(γ=gρ),土的抗剪強(qiáng)度 τf=σtanφ(σ表示正應(yīng)力,φ表示內(nèi)摩擦角)。若假定滑動面是通過坡腳A的平面AC,AC的傾角為 n,則可計算滑動土體ABC沿AC面上滑動的穩(wěn)定安全系數(shù) K值[1,4]。

安全系數(shù)K隨傾角n的變化而變化,當(dāng) m=n時滑動穩(wěn)定安全系數(shù)最小。據(jù)此,朱岔峽水電站 2號棄渣場滑動穩(wěn)定安全系數(shù)可取為

朱岔峽水電站 2號棄渣場坡角 m=75°,根據(jù)現(xiàn)場踏勘,該工程棄渣場棄渣主要為砂性土,參照科研報告工程地質(zhì)內(nèi)容,確定棄渣場內(nèi)摩擦角 φ=35°[5],故可有

而工程中一般要求 K值為 1.25～1.35[5]。因此,朱岔峽水電站 2號棄渣場邊坡不穩(wěn)定。

3 朱岔峽水電站 2號棄渣場水土保持措施

為使棄渣場邊坡趨于穩(wěn)定,應(yīng)及時疏通河道,采取有效的水土保持工程措施及植物措施固定邊坡,積極預(yù)防在豐水期或其他外力影響下造成棄渣滑塌。

3.1 工程措施

根據(jù)實(shí)地測量和對朱岔峽水電站 2號棄渣場邊坡穩(wěn)定狀況的分析,最初我們選擇了兩種水土保持工程措施,即在大通河左岸修筑擋渣墻和在棄渣場邊坡面上布設(shè)抗滑樁—鋼索—鐵絲籠帶。在大通河左岸修筑擋渣墻是防止棄渣場棄渣滑落的有效措施,不僅能夠有效、長期地防止滑落,而且可以加固河岸,但經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)直接在左岸修筑擋渣墻是不可取的,因?yàn)榻?80m長的左岸,在坡長超過 20m的情況下未采取分級處理措施,加之堆渣坡度過陡,極易使棄渣滑入河道;同時,修筑擋渣墻需開挖基礎(chǔ),而擋渣墻基礎(chǔ)埋深至少需 1.5m[4,6],這會使施工難度增大。在權(quán)衡考慮施工過程中不會造成新的滑塌(或造成滑塌的程度在人為可控制的范圍內(nèi)),以及降低施工難度和有利于河道清理等的基礎(chǔ)上,我們認(rèn)為選擇布設(shè)抗滑樁—鋼索—鐵絲籠帶對朱岔峽水電站 2號棄渣場進(jìn)行防護(hù)比較合理。且經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)抗滑樁—鋼索—鐵絲籠帶有以下優(yōu)勢:①柔性的結(jié)構(gòu)能適應(yīng)邊坡的變動而不被破壞,比剛性結(jié)構(gòu)具備更好的安全穩(wěn)定性;②抗沖刷能力較強(qiáng),能承受最大的水流速度達(dá) 6 m/s;③該結(jié)構(gòu)具有透水性,對河水具有較強(qiáng)的過濾作用;④抗滑樁與鋼索合并使用,可以使鐵絲籠帶承壓的能力大大增強(qiáng),確保不會發(fā)生新的滑塌。

設(shè)計的抗滑樁—鋼索—鐵絲籠帶是沿坡面分級布設(shè)的,從坡腳沿坡面向上按一定距離排列(圖2)。

圖2 抗滑樁—鋼索—鐵絲籠帶布置示意圖

在施工過程中,注意要采用震動力小、可鑿一定深度的工具實(shí)現(xiàn)抗滑樁的安裝,盡量避免碎石的滑落,要使用高質(zhì)量材料,以增加使用年限。

3.2 植物措施

3.2.1 植物種選擇

參照本地區(qū)的水土保持規(guī)劃及林業(yè)區(qū)劃,結(jié)合現(xiàn)有自然及人工植被狀況,建議喬木選用油松、云杉、小葉楊、紅樺等,草本可選用扁穗冰草、紫花苜蓿、高羊茅、黑麥草等。由于棄渣場立地條件差,所以最為適宜的樹種是小葉楊,草種為扁穗冰草[7]。另外,由于項(xiàng)目區(qū)地處甘肅祁連山國家級自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū),樹草種最好為保護(hù)區(qū)現(xiàn)有品種,不宜引入外來樹種和草種。

3.2.2 植物措施布設(shè)

(1)配置方式。合理利用棄渣場恢復(fù)后的空地,統(tǒng)籌規(guī)劃成條塊,然后種植草坪,在草坪的中間和外圍栽植小葉楊、油松或云杉;在棄土棄渣邊坡、頂部平臺等部位布設(shè)根系發(fā)達(dá)、耐寒、耐瘠薄、易成活的水土保持樹種、草種。

(2)種植方法與季節(jié)。小葉楊、油松、云杉等選擇在春季進(jìn)行植苗造林,帶土栽植,株行距為 3m×3m;草種在 4～5月降透雨后播種,播種前需細(xì)整地,然后撒播草籽,播種量為 45～75 kg/hm2,播后覆土 2～3 cm,適當(dāng)鎮(zhèn)壓。

3.3 河道清理

布設(shè)的抗滑樁—鋼索—鐵絲籠帶防護(hù)措施可有效防止坡面崩塌或滑坡,但經(jīng)實(shí)地觀測發(fā)現(xiàn),仍有部分棄渣滑入河道。因此,及時有效地清理侵占河道的棄渣可減少因施工引起的滑落與坍塌,保護(hù)河岸及公路的安全,需要注意的是要在未進(jìn)入豐水期前進(jìn)行河道清理。

3.4 拋石護(hù)腳工程

在設(shè)計拋石護(hù)腳工程時應(yīng)考慮塊石規(guī)格、穩(wěn)定坡度、拋?zhàn)o(hù)范圍和厚度等問題。要采用堅硬的石灰?guī)r、花崗巖等作為護(hù)腳塊石,不得采用易風(fēng)化易碎的巖石;塊石尺寸以能抵抗水流沖擊、不被沖走為原則,可根據(jù)護(hù)岸地點(diǎn)洪水期的水流流速、水深等實(shí)測資料,以一般起動流速略估,通常取塊石直徑 20～40 cm,并摻合一定數(shù)量的小塊石,以堵塞大塊石之間的縫隙[8-9]。

拋石護(hù)腳的穩(wěn)定坡度除應(yīng)保證石塊本身的穩(wěn)定外,還應(yīng)保證石塊平衡土坡的滑動力,因此須結(jié)合石塊的臨界休止角和溝岸土質(zhì)在飽和情況下的穩(wěn)定邊坡來考慮。石塊在水中的臨界休止角可定為 1∶1.4～1∶1.5;溝岸土質(zhì)在飽和情況下的穩(wěn)定邊坡可參考實(shí)測資料確定,沙質(zhì)溝床可定為 1∶2。拋石護(hù)腳工程的設(shè)計邊坡應(yīng)緩于臨界休止角,等于或略陡于飽和情況下的穩(wěn)定邊坡,在一般情況下應(yīng)不陡于 1∶1.5～1∶1.8(若水流頂沖嚴(yán)重,則取較大比值)[10]。在接坡段,為穩(wěn)定邊坡加拋頂寬為 2～3m的平臺。

拋石厚度與工程的效果與造價的關(guān)系極為密切。目前一般規(guī)定的拋石厚度為 0.4～0.8m,若溝坡陡峻(局部陡坡陡于1∶1.5,重點(diǎn)險坡陡于 1∶1.8),則需加大拋石厚度。

4 結(jié) 論

(1)朱岔峽水電站 2號棄渣場滑動穩(wěn)定安全系數(shù)(K)為0.19,邊坡不穩(wěn)定,需要采取相應(yīng)的工程措施與植物措施固定邊坡,以防止崩塌及滑坡的發(fā)生。

(2)依據(jù)朱岔峽水電站 2號棄渣場邊坡穩(wěn)定性分析和實(shí)地勘察,建議選擇布設(shè)抗滑樁—鋼索—鐵絲籠帶防護(hù)措施。

(3)根據(jù)甘肅省水土保持區(qū)劃,并參照本地區(qū)的水土保持規(guī)劃及林業(yè)區(qū)劃,結(jié)合現(xiàn)有自然及人工植被的生長情況及棄渣場的立地條件,采取植物措施時適宜選擇的樹種為小葉楊、草種為扁穗冰草。

(4)抗滑樁—鋼索—鐵絲籠帶防護(hù)措施布設(shè)后,未進(jìn)入豐水期就應(yīng)及時清理河道。

(5)設(shè)計拋石護(hù)腳工程時,護(hù)腳塊石要采用石質(zhì)堅硬的巖石,塊石直徑一般取 20～40 cm,并可摻合一定數(shù)量的小塊石;拋石護(hù)腳工程的設(shè)計邊坡應(yīng)緩于臨界休止角,等于或略陡于飽和情況下的穩(wěn)定邊坡,一般情況下應(yīng)不陡于 1∶1.5～1∶1.8。拋石厚度一般為 0.4～0.8m,相當(dāng)于塊石粒徑的 2倍。

目前,朱岔峽水電站各項(xiàng)建設(shè)及收尾工作陸續(xù)完成,但由于施工難度和經(jīng)費(fèi)等問題,2號棄渣場至今既未治理坡面,也沒清理河道,這將會給大通河左岸公路留下安全隱患,一旦發(fā)生崩塌或滑坡,便會形成堰塞湖,從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,對朱岔峽水電站 2號棄渣場及時采取合理、經(jīng)濟(jì)、有效的水土保持措施十分重要。

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S157.2

C

1000-0941(2011)05-0053-03

中國—全球環(huán)境基金項(xiàng)目(GEF/OP12);甘肅省自然科學(xué)基金暨中青年科技基金項(xiàng)目(3ZS061-A 25-011);甘肅省科技廳國際合作項(xiàng)目(1011WCGA 171)

馬曉燕(1986—),女,甘肅武威市人,碩士研究生,主要從事水土保持研究;通信作者邸利(1961—),女,北京市人,教授,主要研究方向?yàn)樗帘３峙c荒漠化防治。

2011-01-15

(責(zé)任編輯 孫占鋒)