花灘子水庫工程樞紐區棄渣場選址及穩定性分析

蔣 靜

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550000)

1 工程概況

花灘子水庫工程位于貴州省銅仁市思南縣邵家橋鎮冉氏堂村的境內清渡河上，清渡河為烏江右岸的一級支流。工程任務是以城鄉供水和灌溉為主、兼顧發電。水庫總庫容1.13億m3，為多年調節水庫，總供水量為8909萬m3/a，可灌溉3339.3hm2農田，電站總裝機容量為7000kW。大壩壩型為碾壓混凝土重力壩，壩高108.5m，壩頂長223.2m。水庫規模為Ⅱ等大(2)型。

2 棄渣場概況

主體設計根據工程所在區域的地形條件、樞紐布置格局及棄渣場規劃原則，在樞紐區布置1個棄渣場。渣場位于大壩上游左岸，距離壩址約1.2km處的寬緩階地，為庫區型棄渣場，堆置的棄方量為125萬m3，主要堆放水庫樞紐區工程施工開挖產生的土石渣，共計124.57萬m3棄渣(松方)。渣場占地面積5.15hm2，堆渣高程為422-462m，為3級棄渣場。

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

2.1 棄渣場選址分析

經地質專業分析，建庫河流總體走向為東西向，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；庫區最高峰位于庫尾右岸楓香坪，高程為1243.9m。區內相對高差普遍為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°。

綜合上述地質條件，結合現場踏勘情況，水庫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。經過計算，面積和庫容均能達到堆渣要求。大壩樞紐兩岸地勢陡峭，無合適庫外堆渣場，因地形條件的限制，樞紐區棄渣場的選址具有唯一性。

2.2 棄渣場地質條件分析

樞紐區棄渣場位于壩址上游，渣場區地面高程420-468m，地形坡度10-30°，屬碎屑巖分布的中低山河谷侵蝕地貌。渣場西南側緊鄰清渡河，東南側為斜坡。樞紐區棄渣場場區出露的地層主要為志留系中上統韓家店群(S2-3hn)及第四系(Q)。樞紐區棄渣場位于塘頭向斜東南翼，為單斜構造，構造不發育，該區無較大斷層分布，局部發育小揉皺，巖層產狀為270°-315°∠26-35°。地層巖性為S2-3hn的紫紅、灰綠、黃灰色頁巖、粉砂質頁巖及中厚層狀粉砂巖、泥質粉砂巖等，為碎屑巖，地下水類型主要為孔隙水及裂隙水。區內未見大的崩塌、滑坡、地裂縫及泥石流等地質災害，僅在岸坡覆蓋層分布區，出現雨季產生的淺層的、小規模覆蓋層和全、強風化層的滑塌，對工程建設無大的影響。

2.3 棄渣場地質條件評價

根據現場調查并結合區域地質資料分析，工程區為單斜構造，場區內未發現活動性大斷裂通過，地質構造簡單，地震基本烈度為Ⅵ度，區域穩定性好；場地及附近無大的崩塌、滑坡、泥石流等重大地質災害隱患。場地穩定性較好。

場地緊鄰烏江一級支流——清渡河左岸河邊，屬于臨河型棄渣場，亦屬于庫內型棄渣場，目前無擋水建筑物，堆渣易引起泥石流等地質災害，適宜性較差，需修建擋水建筑物后適宜建筑。

場區后緣地形坡度為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頁巖、粉砂質頁巖及中厚層狀粉砂巖、泥質粉砂巖等，為軟質巖；單斜構造，巖層產狀為270°-315°∠26-35°，巖體強風化巖體厚6.0-9.0m，后緣邊坡主要為逆向坡；地下水埋藏較淺，自然邊坡整體穩定。

3 棄渣場穩定性分析

樞紐區棄渣場采用格賓攔渣堤作為攔擋措施，渣場周圍布置截排水溝，排出渣場上游洪水。棄渣堆放時，將粒徑>50cm的石渣堆放在擋渣墻前，有利于穩定和排水。棄渣在424m高程按1：2向后放坡，每堆置10m高設一級2m寬馬道，渣面高程為462m。

3.1 棄渣場穩定性計算工況

棄渣場抗滑穩定計算應分為正常運用工況和非常運用兩種工況進行驗算。

1)正常運用工況：棄渣場在正常和持久的條件下運用，棄渣場處在最終棄渣狀態時，渣體無滲流或穩定滲流，即渣場自重。

2)非常運用工況：棄渣場在正常工況下遭遇暴雨入滲對渣體穩定造成的影響，即渣體自重+暴雨作用。

3.2 計算公式

棄渣場抗滑穩定計算采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧滑動法，計算公式如下：

(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，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的半徑之間的夾角，°；c＇、φ＇為土條底面的有效應力抗剪強度指標；MC為水平地震慣性力對圓心的力矩；R為圓弧半徑。

3.3 計算參數

以地質專業提供的建議值為依據，綜合考慮密實度、透水性、孔隙率，選取力學參數如下：

表1 樞紐棄渣場整體穩定計算巖土力學參數表

2)滲透系數

為進行暴雨工況下的滲流計算，需確定各層巖土的滲透系數。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，為使計算準確，將擋渣墻視作排水棱體看待，用單孔排水流量、孔數、擋渣墻立面面積綜合計算排水能力，換算為等值水平滲透系數，豎向仍視為不透水。

表2 整體穩定計算滲流參數表

3)暴雨參數

4)地震作用

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2015)，工程區地震動反應譜特征周期為0.35s，動峰值加速度為0.05g，與場地50年超越概率10%的地震動峰值加速度59.4gal(0.06g)基本相當，相應的地震基本烈度為Ⅵ度，不考慮地震荷載。

3.4 計算結果

1)滲流計算

使用理正巖土滲流分析計算系統(版本：6.5)計算棄渣場滲流問題分析。

表3 花灘子水庫設計暴雨成果表

由于已考慮了完善的排洪和截水措施，周邊洪水不會對渣場造成危害，但會受到渣面入滲的暴雨影響。當50a一遇24h暴雨(204mm)從棄渣場坡頂入滲時，在計算機中建立二維模型，采用有限元方法對渣場滲流進行計算。有限元網格剖分長度為1m，最大迭代30次，判斷收斂誤差1%[2]。計算結果如下：

圖2 總水頭等值線圖

圖3 總壓力等值線圖

2)棄渣場整體穩定計算

采用瑞典圓弧法計算棄渣場整體穩定，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渣體穩定造成的影響[3]。

計算時條分法的土條寬度為1m。

①正常運用工況最不利滑動面:

滑動圓心=(22.046，46.096)(m)；

滑動半徑=47.196(m)；

滑動安全系數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 正常工況計算成果圖

②非正常運用工況最不利滑動面：

滑動圓心=(26.054,36.075)(m)；

滑動半徑=36.900(m)；

滑動安全系數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 非正常工況計算成果圖

經計算，正常運用工況下K=1.26>1.25；非正常運用工況下K=1.22>1.10，渣場邊坡抗滑穩定安全系數能夠滿足規范要求。

4 結 語

水庫樞紐區渣場占死庫容3.6%，該渣場選址由主體設計專業確定，堆渣庫容占死庫容比例小，本工程50a淤沙高程為432.93m，死水位為463.00m，死庫容大，不影響水庫的正常功能。樞紐區棄渣場堆渣高程比取水口高5m，棄渣至大壩河段河道曲折蜿蜒，渣場對取水口基本無影響。

經水文計算，渣場所在斷面河流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。渣場布置在河道岸邊灘地，渣場布置分別占用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。渣場堆渣后樞紐區渣場壅水影響范圍內無其他建筑物或第三方，且工程施工期僅48個月，時間較短，樞紐區渣場的布置對河道壅水影響較小。

為防止沖刷影響渣場穩定，沿河布置格賓攔渣堤作為攔擋措施，并在攔渣堤之后20m范圍內采用大石渣堆填，并在渣面上用干砌石進行護坡，可消除清渡河洪水對渣場的沖刷影響，樞紐區渣場的布置對河道斷面沖刷影響也較小。樞紐區棄渣場屬庫內渣場，運行期渣場位于水庫死水位以下，對河道行洪無影響。樞紐區渣場采取相應措施后，渣體穩定[3]。