抽水蓄能電站棄渣場勘察設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

（國網新源控股有限公司技術中心，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條件大多較為復雜，同時，地下廠房系統和專用公路等部位的土方開挖量大，往往導致整個工程棄渣量較大，最大規模可達數百萬立方米。棄渣體主要組成成分為松散碎石、土體，具有多孔隙、非飽和、低強度的特點，而棄渣場多選址在自然溝谷中，若處理不當，容易發生滑坡等地質災害[1-3]。

抽水蓄能電站一般臨近電力負荷中心，自然和人文環境相對復雜，因此，其棄渣場邊坡的穩定性及其誘發的滑坡、泥石流等災害問題，既涉及生產建設活動安全運行，又關系到人民生命財產安全和環境保護[4-5]，具有顯著的經濟性和社會性。

隨著國家對安全生產和生態文明建設的重視逐步增強，抽水蓄能行業對棄渣場安全、水土保持恢復等方面的重視程度逐步提高，對棄渣場的勘察設計等提出了更高要求。然而，目前棄渣場在前期的勘察設計等方面依舊存在不足，給后期電站建設和運營安全帶來了隱患，具體表現為：①棄渣場勘察標準規范的要求尚不明確，導致勘察與設計的進度和深度匹配性較低；②工程建設條件調查和研究有待加強，前期水文、征地等情況調查仍需細化；③穩定性計算方法有待完善，一方面，棄渣場穩定性計算時所輸入的物理力學參數、商業軟件自動搜出的潛在滑面及穩定性計算結果等與棄渣場實際變形破壞機理有一定差別；另一方面，棄渣體及其邊坡往往缺少監測分析等資料，穩定性評價的監測驗證缺乏，極少有實際工程通過宏觀監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破壞模式和評價方法。

為積極響應國家、行業要求，本文針對已有棄渣體存在問題開展研究，對比總結目前棄渣場勘察設計有關的規范和要求，結合工程實際分析探討了目前抽水蓄能電站棄渣場勘察設計現狀，最后提出結論和建議。

1 抽水蓄能電站棄渣場勘察設計有關的標準規范

目前抽水蓄能電站棄渣場勘察執行和參考的規范主要有：《水力發電工程地質勘察規范》（GB 50287）、《水電工程渣場設計規范》（NB/T 35111）、《生產建設項目水土保持技術規范》（GB 50433）、《水利水電工程水土保持技術規范》（SL 575）和《水電建設項目水土保持方案技術規范》（DL/T 5419）。

1.1 水力發電工程地質勘察規范

《水力發電工程地質勘察規范》（GB 50287—2016）為國家現行規范，適用于大型水電站和抽水蓄能電站的工程地質勘察工作。該規范規定在可行性研究階段，“應初步查明堆渣場的地形地貌、地層巖性、地質構造、物理地質現象，特別要調查溝谷泥石流的發育情況，分析其對堆渣體安全的影響，初步評價渣場穩定性，提出處理建議”[6]。而招標設計階段，僅需對棄渣場地質情況進行復查和補充。但是，該規范并未對棄渣場勘察明確規定具體方法和技術要求，從近期多個前期項目來看，渣場地質勘察工作仍然未得到相應的重視，投入的地質勘察工作量也甚少。

1.2 水電工程渣場設計規范

為規范水電工程渣場設計，國家能源局于2018年4月發布了《水電工程渣場設計規范》，適用于大、中型水電工程渣場設計，故抽水蓄能電站的渣場也應滿足此規范要求。

該規范指出，可行性研究階段，在渣場設計方面的主要任務是確定渣場布置位置、規模，進行渣場擋護、排水方案設計，提出渣場防護工程措施及主要工程量；其地質勘察的主要任務是查明堆渣場地是否存在軟弱夾層及不利于渣體穩定的結構面，場地是否具備布置渣場的條件。招標、施工圖階段，渣場設計主要結合樞紐建筑物招標設計成果，復核渣場堆渣容量，對渣場擋護、截排水建筑物進行結構設計，滿足工程施工招標及現場施工要求；其地質勘察工作即結合渣場擋護、截排設計成果，有針對性地布置地質勘探工作[7]。

由上可知，此規范要求在可研階段達到初步設計深度，在施工圖階段僅進行復核和細部結構設計，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、截排等細部進行專項勘探。而從目前多個項目經驗來看，不僅在施工圖階段在棄渣場實際投入的地質勘察工作量很少，可研階段也投入得較少。

1.3 生產建設項目水土保持技術標準

《生產建設項目水土保持技術標準》（GB 50433—2018）為現行國家標準，適用于建設或生產過程中可能引起水土流失的生產建設項目的水土流失防治，自2019年4月1日起實施。該標準將水利水電工程的棄渣場界定為水土保持的措施，在預可行性研究階段，需初步提出防治措施總體布設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施、居民點等，并需從水土保持角度簡述對工程棄渣場的設置、施工方法與工藝的評價結論[8]。

該標準規定渣場勘察的地形圖比例應達到一定精度，范圍應達到匯水計算要求，還規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資料具體內容。

1.4 水電建設項目水土保持方案技術規范

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《水電建設項目水土保持方案技術規范》（DL/T 5419—2009）對棄渣場攔擋工程設計標準進行說明。其中10.2.2條款規定，棄渣總量超過10萬m3的棄渣場或周邊有重要防護對象的棄渣場，在防護設計時，需進行必要的地質勘探，不得在不良地質區域布設棄渣場。10.2.5中規定，攔渣工程建筑物設計應充分考慮渣體排水要求[9]。

綜合以上渣場相關規范，已經對渣場的勘探、設計、水土保持等各方面進行了較為全面的規定，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計中存在的問題

目前，在國家、行業已制定相關規定和要求的環境下，諸多抽水蓄能電站棄渣場的勘察設計過程依舊存在著問題。

2.1 勘察與設計的進度和深度匹配性較低

（1）目前階段的劃分規定。

計劃經濟時期，我國水電建設體制為自營管理，水電工程項目設計階段也劃分為河流規劃、可行性研究報告、初步設計、招標設計和施工詳圖等5個階段。隨著改革開放的深入，水電建設體制逐漸轉變為項目業主責任制、招標承包制和工程監理制。原有的5個階段劃分存在著設計階段煩瑣、周期長，招標設計無必要的工作周期，設計階段與國家基本建設項目審批程序不協調等問題，為使設計階段的劃分適應新的發展需求，當時的電力工業部于1993年底下發的《關于調整水電工程設計階段的通知》（電計〔1993〕567號），增加了預可行性研究報告階段，將原有可行性研究和初步設計兩階段結合，統稱為可行性研究報告階段，取消原初步設計階段，調整前后的設計階段如表1所示。

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

通知中指出，應加深原有可行性研究報告深度，使其達到原有初步設計編制規程的要求。招標設計階段暫按原技術設計要求進行勘測設計工作。這意味著渣場在可行性研究階段的勘察設計工作也應達到原有的初步設計階段的深度。

（2）實際開展情況。

實際中，抽水蓄能電站棄渣場的地質勘察工作并未受到足夠重視。由于地質勘察規范對于可行性研究階段的勘察內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計成果，可靠性無法保證。目前，棄渣場的地質勘察工作多在招標設計階段完成，但近期抽水蓄能電站從可行性研究階段到招標階段時間比較緊湊，留給招標階段的勘測設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，甚至會產生較大的費用于渣場二次搬家等重復工作。

2.2 工程建設條件調查和研究有待加強

（1）前期調查研究不夠。

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

例如東南沿海某抽水蓄能電站的棄渣場，受臺風暴雨侵蝕，渣體受雨水沖刷和裹挾，造成下游河道淤泥逐年增加，不僅導致下游村莊河道兩岸排水涵管幾乎全部堵塞、村莊內洪水無法排泄、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，在兩次超強臺風帶來的特大暴雨沖刷下，部分棄渣體隨強降雨沖入下游村莊，導致多處農田損毀、渠道破壞、村部道路被沖斷。該例即側面反映出前期水文、地表徑流、行洪等建設條件調查設計有待于提高，并應充分考慮臺風等極端氣候影響。

（2）移交問題突出。

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

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行了調研，結果如圖1所示。已完全移交給當地政府的棄渣場僅占總數的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。對于部分已經移交的棄渣場，若出現因地方政府未維護到位或人為破壞等造成渣體失穩變形破壞，將對電站水保、環保、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，往往與電站生產生活設施毗連，其安全穩定與電站安全運行間又存在關聯，若出現安全事故，責任較難明確界定；同時，企業與地方政府協調也存在一定難度。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，卻仍在對其進行日常的巡檢和維護。而若在前期勘察設計階段，充分重視對棄渣場日后移交可能產生的地域、水文地質及安全運行等的考慮，則在移交后減少諸多技術及管理問題。

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

2.3 穩定性計算方法有待完善

目前，各設計單位大多采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普法進行水電工程棄渣場的抗滑穩定分析計算，二者均將渣場滑動面假設為圓弧，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摩擦角φ作為輸入條件，搜索潛在滑動面。而區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，棄渣體在設計時多被視為均勻體，其滑動面被假設為圓弧，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、填土體變為“軟泥”而具有流動性所致，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生在水電領域，但為所有從事棄渣場設計的技術人員敲響了警鐘，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時，即可能出現泥化、泥碳化，進而成為潛在滑動面的風險。設計人員應該重新思考更科學的、更全面的潛在滑動面設計方法，保證工程項目順利運行，保障社會人民生命財產安全。

其次，從目前各水電站的棄渣場各設計方案來看，棄渣場在可行性研究階段乃至招標階段實際完成的勘察工作量較難在設計文件中體現，不同項目投入的勘察工作量相差較大，設計參數的選取方法不同[14-15]，提交的設計參數也相差甚遠。隨機選出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，且缺少賦值依據及機理，其合理性值得商榷。

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

圖2 部分電站棄渣場強度參數（c、φ）統計散點圖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關注較少；同時均假定整個滑面同時處于臨界失穩狀體，未考慮推移漸進式破壞，顯然這和實際是有所差別的。

3 結論和建議

足夠的實物地質勘察工作量是一切地質分析和評價、穩定性計算、設計和施工的基礎，科學的設計方案是電站建設、運行、維護的重要保障。本文結合已有規程規范的對比研讀和工程實踐經驗教訓，分析提出如下三點建議。

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

（2）重視渣體物理力學參數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值模擬方法，棄渣體的物理力學參數直接決定著潛在滑動面位置和穩定性系數，建議重視前期測繪和地質勘察工作，合理科學的確定渣體的物理力學指標。另外，地質巖土工程領域通用軟件自動搜索出來的滑面形態、穩定系數和棄渣場實際破壞情況存在一定差距。現有部分設計文件將規模較大、影響較廣的棄渣場視為均質體，較少考慮其他可能軟弱滑面/帶，并據此進行棄渣場穩定性評價和設計，該類做法值得進一步商榷，棄渣場的動態穩定性和長期穩定性也應得到關注。

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