溫家華，閆 賓，劉殿海，柴建峰

（國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100761）

0 引言

抽水蓄能電站一般臨近電力負(fù)荷中心，自然和人文環(huán)境復(fù)雜，有效保證棄渣場的安全穩(wěn)定運行，提高棄渣場全過程管控能力，是水電站建設(shè)管理和運營的重要關(guān)注點之一[1-4]。

目前抽水蓄能電站棄渣場的勘測工作量主要在招標(biāo)設(shè)計階段完成，可行性研究階段投入的勘測工作量較少。做好渣場勘測設(shè)計工作，有利于招標(biāo)文件中渣場部分的清單報價，有利于解決棄渣堆放隨意等問題，還可避免渣場二次搬家等重復(fù)工作，節(jié)省投資和減少不必要的麻煩。

歸納數(shù)個抽蓄工程渣場設(shè)計文件來看，多有以下特點[2，4]：

（1）棄渣體物理力學(xué)參數(shù)多為經(jīng)驗值，試驗值相對較少，隨機(jī)性和差異性較大。棄渣場的地勘工作如何布置還不明確。

（2）多將渣體視為均勻的松散介質(zhì)體，由邊坡穩(wěn)定性計算軟件自動搜索滑動破壞面，不切合工程現(xiàn)場實際。

目前渣體穩(wěn)定性計算所輸入的物理力學(xué)參數(shù)、商業(yè)軟件自動搜出潛在滑面、穩(wěn)定性結(jié)果和工程處理措施等，也和棄渣體實際變形破壞機(jī)理有一定的差別。

（3）精細(xì)化、精準(zhǔn)化設(shè)計和管理有待于加強(qiáng)。如堆渣前，應(yīng)確保渣場對外的連接道路已經(jīng)完工，表土堆存場已啟用，用來堆置腐殖土等地表剝離物。棄渣場常常出現(xiàn)場址、容量、堆渣方式等的變更。

（4）較少關(guān)注渣場基底水文地質(zhì)條件隨著堆渣而發(fā)生的動態(tài)變化。

（5）已投產(chǎn)運行電站的棄渣場存在防治責(zé)任不明確、移交困難等問題。

主要從以下方面對新源公司棄渣場現(xiàn)狀及渣場變形穩(wěn)定性評價展開研究：

（1）抽水蓄能電站棄渣場現(xiàn)狀調(diào)查分析。收集和分析已有運行電站、在建電站棄渣場設(shè)計、運維及監(jiān)測等資料。摸清公司電站棄渣場現(xiàn)狀及問題，可為生產(chǎn)管理部門提供了寶貴的基礎(chǔ)資料。

2019年1～12月，國網(wǎng)新源抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院開展了新源公司棄渣場現(xiàn)狀普查、調(diào)研和踏勘等工作，并編制完成了《新源公司棄渣場現(xiàn)狀調(diào)查分析報告》。

（2）棄渣場邊坡變形穩(wěn)定性評價方法研究。結(jié)合現(xiàn)狀調(diào)查分析結(jié)果，選擇具有代表性的渣場進(jìn)行一定量的勘察工作，獲得渣體物理力學(xué)特性指標(biāo)，并結(jié)合設(shè)計成果資料進(jìn)行穩(wěn)定性計算、評估和預(yù)測。結(jié)合棄渣場已有勘測和監(jiān)測等資料，開展棄渣場三維數(shù)值分析，探討修坡、碾壓、清除原有地面植被、地震、極端天氣、巖土體參數(shù)等不同因素對棄渣體穩(wěn)定性的影響，并對比分析三維數(shù)值分析和常規(guī)極限平衡法，通過多因素敏感性分析判斷不同參數(shù)對渣場穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而探討棄渣場邊坡變形穩(wěn)定性評價方法。

1 棄渣場現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 工作內(nèi)容

通過普查，梳理和總結(jié)棄渣場各個階段存在的問題，為后續(xù)電站建設(shè)提供指導(dǎo)建議。

如某在建抽水蓄能電站開工后，發(fā)現(xiàn)前期選定的棄渣場可能會受潛在地質(zhì)災(zāi)害影響，存在一定的安全隱患，最終不得不重新選擇渣場，重新報批調(diào)整征地范圍。

2019年5月，通過公司生技部向18個已運營抽水蓄能電站發(fā)出棄渣場現(xiàn)狀普查表，共收集到46個棄渣場的普查表。

2019年5月，通過公司基建部向14個在建抽水蓄能電站發(fā)出普查表，收集到54個棄渣場的相關(guān)資料。

2019年7月、9月、10月，項目組完成了對廈門、天池、仙游、績溪等電站棄渣場的調(diào)研、踏勘等工作。

本次現(xiàn)狀調(diào)查研究工作的特點有：

（1）普查調(diào)查問卷表和現(xiàn)場踏勘相結(jié)合。

（2）普查調(diào)查問卷表從8個維度出發(fā)，包括40多個渣場關(guān)鍵信息：堆渣高度、堆渣量、渣場所屬權(quán)、渣場運維情況、渣場地形地貌、氣候環(huán)境、截排水設(shè)施、攔擋設(shè)施、渣體表面邊坡情況、運維經(jīng)驗教訓(xùn)和建議等。

1.2 現(xiàn)狀調(diào)查成果

通過統(tǒng)計分析18個已運營抽水蓄能電站的46個棄渣場資料、在建電站的54個棄渣場資料，發(fā)現(xiàn)：

（1）約65%的棄渣場仍由電站自行管理，尚未移交給當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門，存在防治責(zé)任不明確、移交困難等問題。

（2）即使是移交給當(dāng)?shù)卣臈壴鼒?，大部分仍由電站進(jìn)行日常的安全巡查。

（3）約93%的棄渣場目前缺少有效或高效的監(jiān)測設(shè)施。

（4）從各電站反饋來看，棄渣場需要智能化監(jiān)測系統(tǒng)、巡視便道。

上述調(diào)查有利于摸清棄渣場現(xiàn)狀，為生產(chǎn)管理部門提供寶貴的基礎(chǔ)資料。

2 典型棄渣場地質(zhì)勘察及工程地質(zhì)評價

選取安徽績溪抽水蓄能電站下庫2號棄渣場開展了地勘和工程地質(zhì)評價工作。績溪抽水蓄能電站位于安徽省績溪縣伏嶺鎮(zhèn)境內(nèi)，為日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，電站為大（1）型一等工程。

下庫2號棄渣場位于沖溝內(nèi)，占地面積18.90hm2，為特大型棄渣場，棄渣場防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇洪水。棄渣場工程防護(hù)措施包括攔擋工程、截排水工程、沉沙工程和土地整治工程等。按原設(shè)計方案，堆渣前需做棄渣場區(qū)的清庫、清表，剝離表土并集中堆存防護(hù)，先攔（排）后棄，坡腳設(shè)置擋渣墻等攔擋措施，周邊截排水溝，棄渣后期進(jìn)行場地平整、覆土綠化等。目前堆渣量約323萬m3，占規(guī)劃堆渣量的71.9%，現(xiàn)場實際堆渣占地面積約15.64 hm2。圖1為渣場現(xiàn)狀照片。

圖1 下庫2號棄渣場全貌圖Figure 1 The photo of 2# spoil areas at lower reservoir

2.1 勘察工作內(nèi)容及技術(shù)路線

勘察工作內(nèi)容主要包括：

（1）查明棄渣體物質(zhì)組成及分區(qū)，在工程地質(zhì)測繪基礎(chǔ)上，采用鉆探、坑槽探和現(xiàn)場簡易試驗。

（2）收集前期資料，判別堆渣區(qū)域場地穩(wěn)定性和水文地質(zhì)條件，查明是否存在不良地質(zhì)現(xiàn)象；采用電法探測覆蓋層厚度、棄渣場分層特征、基巖面起伏情況。

（3）棄渣體的物理力學(xué)及滲透性指標(biāo)采用重塑樣三軸試驗、重型動力觸探以及注水試驗等手段，結(jié)合工程地質(zhì)類比綜合分析確定，用于評價棄渣場現(xiàn)狀及穩(wěn)定性。

2.2 勘察工作完成情況

2019年10月20日開展現(xiàn)場勘察工作，11月13日完成全部外業(yè)工作，圖2為代表性物探剖面成果，測線位于第一平臺前部坡體。整個剖面視電阻率值縱向呈現(xiàn)由淺到深逐漸增大特性，電阻率等值線成層性較好（上部為角礫土、碎塊石土，其視電阻率表現(xiàn)為相對低阻特性；下部為基巖，視電阻率值表現(xiàn)為相對高阻特性），根據(jù)視電阻率大小和等值線形態(tài)推斷棄渣體厚度14～26m不等，基巖面起伏；棄渣體與基巖面間未揭示低電阻帶。物探成果表明，覆蓋層與基巖面分界線同原地形線基本吻合。

圖2 棄渣體第一平臺前部坡體物探剖面云圖Figure 2 The geophysical section of slope at the first platform of spoil areas

圖3為部分室內(nèi)試驗照片。本次室內(nèi)土工試驗內(nèi)容包括：顆粒分析試驗、擊實試驗、大型三軸試驗、自然休止角試驗、渣料級配、最大干密度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、E-μ變形參數(shù)以及自然休止角等指標(biāo)。

圖3 室內(nèi)試驗現(xiàn)場工作照片F(xiàn)igure 3 The photos of soil experimental testing

根據(jù)現(xiàn)場和室內(nèi)試驗成果及電站前期勘察成果，類比其他水電渣場工程設(shè)計資料，獲得了渣體及下伏巖土體物理力學(xué)參數(shù)建議值，用于棄渣場穩(wěn)定性定量化評價。

2.3 地勘成果小結(jié)

（1）2號棄渣場主溝為北東向，沖溝長約800m，地勢平緩，坡降小，地面高程為280～475m，溝中有常年流水。棄渣后渣場區(qū)總體呈臺階狀，第一臺階臺面高程在325m左右，第二臺階臺面高程在350m左右，第三臺階臺面高程在410m左右。

（2）棄渣體呈上寬下窄長條狀展布于沖溝內(nèi)，長約780m，最寬處約365m，最窄處約42m，棄渣體下方堆積起點高程約285m，上方至第三平臺高程約410m，棄渣體高差達(dá)125m，棄渣最大厚度達(dá)40余米，棄渣量約323萬m3。

（3）棄渣體大部為開挖無用的全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖廢料，部分為殘坡積土。棄渣體底面起伏不平，呈不規(guī)則鋸齒狀，下伏為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，棄渣體以粗粒組顆粒為主，未見軟弱土層，結(jié)構(gòu)松散—中密狀，具弱透水性，儲水性差。

（4）目前棄渣場3個平臺臨空面局部發(fā)生小規(guī)模的水土流失、淺表層滑塌現(xiàn)象，但整體未發(fā)生明顯的變形，棄渣場整體穩(wěn)定，在暴雨或人工改變現(xiàn)有地貌的情況下可能出現(xiàn)局部小范圍的變形失穩(wěn)。

3 棄渣體的物理力學(xué)特性和穩(wěn)定性分析方法

3.1 棄渣體的物理力學(xué)特性

水電棄渣物源、來源和組成往往十分復(fù)雜，圖4為某抽水蓄能水電站棄渣場鉆探巖芯照片及物源照片。從已有多個渣場勘測設(shè)計資料來看，選取的渣體物理力學(xué)參數(shù)比較隨機(jī)，差異顯著，這將影響棄渣體潛在滑面形態(tài)的確定。

圖4 棄渣場物源組成情況Figure 4 The source components of spoil

3.2 棄渣體的水文地質(zhì)特征

目前分析棄渣場水文地質(zhì)條件時，較少考慮堆渣對原有地層水文地質(zhì)條件長期和潛在的影響。

巖土體遇水后物理力學(xué)性質(zhì)較天然狀態(tài)下劣化，對堆渣場地穩(wěn)定是十分不利的，如文獻(xiàn)[7]提及，某水電站臨時渣場，施工階段地質(zhì)鉆孔揭示地基凝灰?guī)r夾層物理力學(xué)指標(biāo)較高，堆渣后，由于溝道水未進(jìn)行引流，水流下滲造成凝灰?guī)r夾層軟化，渣場邊坡失穩(wěn)。后期重新布置的鉆孔揭示原地層軟化至泥塑狀，實測土體有效內(nèi)摩擦角僅有16°。

3.3 渣體的穩(wěn)定性分析方法

3.3.1 極限平衡法

渣體穩(wěn)定性分析屬于松散土質(zhì)坡穩(wěn)定性分析的范疇。土坡穩(wěn)定極限平衡法是根據(jù)斜坡上的滑體或滑塊的力學(xué)平衡原理（即靜力平衡原理）分析斜坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)，以及斜坡上潛在滑面的抗滑力與下滑力之間的關(guān)系來評價斜坡的穩(wěn)定性。

目前極限平衡法在土坡穩(wěn)定性計算中占主導(dǎo)地位，但由于該方法沒有考慮到土體的應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì)，不能求出失穩(wěn)時土體內(nèi)部各處的應(yīng)力和應(yīng)變，所求得的也只能反映假定滑面上的穩(wěn)定系數(shù)，并不能反映土坡的破壞機(jī)理，也不能求出失穩(wěn)時土體內(nèi)部各處的應(yīng)力與應(yīng)變。所以，采用這種方法求出的是一種綜合性近似解答。優(yōu)點：①力學(xué)模型簡單；②已積累了豐富的工程實踐經(jīng)驗；③有相關(guān)規(guī)范的指導(dǎo)。

3.3.2 數(shù)值仿真分析法

有限元法、離散元等三維數(shù)值仿真方法的建模成本較高，對計算結(jié)果的分析能力也要求較高，目前主要用于研究性的項目，在棄渣場工程設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用還不廣泛。

（1）離散元。采用離散元軟件進(jìn)行松散體邊坡穩(wěn)定性研究的文獻(xiàn)資料較多，羅浩等[5]結(jié)合瀘州市古藺縣鐵路沿線的大嶺山棄渣場工程實際，采用物理模擬方法重現(xiàn)了棄渣體的堆積過程，并結(jié)合物理模擬結(jié)果，應(yīng)用PFC仿真分布了渣場邊坡在考慮粒徑分級情況下，由降雨引起的變形失穩(wěn)。整個變形失穩(wěn)過程分為：應(yīng)力重分布、中部覆蓋層剪切破壞、后緣拉裂、后緣下錯、前緣鼓脹、潛在滑面形成和滑面貫通等階段。坡體中下部表現(xiàn)出推移式滑坡的特征，棄渣體的上部表現(xiàn)出牽引式滑坡的特征。

（2）有限元法。相關(guān)研究成果和文獻(xiàn)也較多，如林文華等[6]在地質(zhì)勘測、巖土試驗和變形監(jiān)測的基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)度折減有限元法模擬研究了一大型抽水蓄能電站棄渣場的可能失穩(wěn)機(jī)制和變形演化規(guī)律。

3.3.3 不同行業(yè)規(guī)范對比分析

重點分析和討論了以下內(nèi)容：

（1） 不同規(guī)范規(guī)定的渣場級別劃分標(biāo)準(zhǔn)。

（2）不同規(guī)范對棄渣場的地質(zhì)勘察要求。

（3）不同規(guī)范對棄渣場設(shè)計及穩(wěn)定性分析要求。

本次分析的規(guī)范規(guī)程有[7-10]：《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》《水電工程渣場設(shè)計規(guī)范》《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》《水電建設(shè)項目水土保持方案技術(shù)規(guī)范》《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》《水土保持工程設(shè)規(guī)范》《冶金礦山排土場設(shè)計規(guī)范》《有色金屬排土場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》等。

對比分析發(fā)現(xiàn)：

（1）類似規(guī)范對棄渣場/排土場穩(wěn)定分析已有了相對明確的要求。如冶金和有色金屬行業(yè)的排土場規(guī)范明確強(qiáng)調(diào)了渣體變形破壞模式的準(zhǔn)確判定，是計算分析的前提和基礎(chǔ)[9，10]。

（2）棄渣場的地勘工作缺少量化指導(dǎo)原則。由于規(guī)范沒有地勘工作的定量化要求，不同項目棄渣場投入的勘測工作量差別很大。本次研究發(fā)現(xiàn)，目前針對棄渣場投入的勘測工作還是相對偏少，有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

3.3.4 工程實例分析

基于工作中的認(rèn)識和文獻(xiàn)資料，詳細(xì)分析了俄羅斯庫徹金煤礦排土場[1]、平朔安太堡煤礦南排土場[1]、美國俄亥俄州辛辛那提市MSW固體垃圾場[1]、深圳12·20渣場事故等工程實例，并指出：評價棄渣場的穩(wěn)定性，不僅要重視渣料的穩(wěn)定性，更要重視地基軟弱地層浸水后抗變形抗剪切能力的劣化，進(jìn)而誘發(fā)深部大規(guī)模的滑動破壞。

3.4 本部分工作小結(jié)

（1）足量的勘察工作量是精準(zhǔn)化設(shè)計的基礎(chǔ)。

（2）棄渣體穩(wěn)定性分析時，不能僅僅靠計算軟件來確定滑動面，還應(yīng)考慮棄渣沿著原天然坡面等其他潛在軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生變形破壞的可能性。

（3）在堆渣前，應(yīng)清除原地表的植被和腐殖土等。在長期荷載和水蝕等作用下，原植被層會被碳化泥化，進(jìn)而形成潛在的軟弱滑動帶。

4 主要研究成果及技術(shù)創(chuàng)新

4.1 主要研究成果

（1）通過棄渣場現(xiàn)狀調(diào)查分析、地勘及工程防治實例研究，給出了棄渣場監(jiān)測預(yù)警及防治的最新技術(shù)和方法，對類似工程具有一定的借鑒作用。

（2）棄渣場勘測技術(shù)方面。通過對比發(fā)現(xiàn)，相關(guān)規(guī)范已經(jīng)對渣場的勘探手段、設(shè)計、水保等各方面進(jìn)行了較為全面的規(guī)定，但渣場的勘察工作量和鉆孔終孔標(biāo)準(zhǔn)等仍沒有明確，本次系統(tǒng)研究了棄渣體失穩(wěn)破壞機(jī)制和影響因素，給出了棄渣場穩(wěn)定性分析流程，量化了棄渣場勘探線布置、勘探點數(shù)量和鉆孔終孔標(biāo)準(zhǔn)。渣體的物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)盡可能采用試驗值，開展相應(yīng)的原位試驗和土工試驗時，充分考慮渣料性質(zhì)和堆場的水文地質(zhì)條件。渣場地基巖土體的物理力學(xué)參數(shù)應(yīng)采用試驗確定。

（3）棄渣場穩(wěn)定性分析流程。科學(xué)合理的棄渣場穩(wěn)定性分析流程為：渣體特征/堆置要素/地形地貌/工程水文地質(zhì)條件→判斷和預(yù)估破壞模式→確定計算方法→定性分析和定量計算→工程處理措施。

（4）渣場移交及運維管理。渣場移交時應(yīng)關(guān)注：

1）按照《水利部水土保持設(shè)施驗收技術(shù)評估工作要點》的相關(guān)要求，在首臺機(jī)組投產(chǎn)運行前完成渣場水土保持設(shè)施專項驗收。

2）渣場永久征地范圍內(nèi)，堆渣量超過50萬m3或者最大堆渣高度超過20m的渣場，宜建立監(jiān)測系統(tǒng)，渣場監(jiān)測宜納入工程整體監(jiān)測范圍。渣場常規(guī)監(jiān)測內(nèi)容為表觀變形監(jiān)測和振動觀測，對于地質(zhì)條件復(fù)雜的情況，需要實施地基變形監(jiān)測、內(nèi)部變形監(jiān)測、地下水位監(jiān)測及水文氣象監(jiān)測等。

3）移交地方管理的渣場，應(yīng)做好驗收、交接工作，明確管理責(zé)任。對電站安全運行有不利影響的，且地方政府無法履行相關(guān)職責(zé)的，可委托運行單位履行相關(guān)職責(zé)。運行單位應(yīng)將檢查過程中發(fā)現(xiàn)的問題及時函告地方政府。

永久征地范圍內(nèi)的渣場應(yīng)開展渣場的運行、檢查、維護(hù)等工作；臨時征地范圍內(nèi)暫未移交地方的渣場，在未移交之前應(yīng)開展渣場的運行、檢查、維護(hù)等工作；已移交地方政府的渣場，應(yīng)由地方政府負(fù)責(zé)渣場的運行、檢查、維護(hù)等工作；對于壩后壓坡體部分，應(yīng)按相鄰大壩的相關(guān)要求開展運行、檢查、維護(hù)等工作。

4.2 技術(shù)創(chuàng)新

（1）針對棄渣場勘察，量化了勘探線布置、勘探點數(shù)量和鉆孔終孔標(biāo)準(zhǔn)。

（2）提出除了關(guān)注渣體內(nèi)部水文地質(zhì)條件變化，還應(yīng)重視場地基底水文地質(zhì)條件隨著堆渣而發(fā)生的動態(tài)變化，后者是棄渣場孕育發(fā)生緩傾角深層滑動破壞的必要條件之一。

（3）系統(tǒng)研究了水電工程棄渣體破壞特征和影響因素，并指出工程實踐中應(yīng)結(jié)合渣體及基底巖土體的變形機(jī)理判斷滑動破壞面的形態(tài)。

（4）提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的棄渣場邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，并獲得專利授權(quán)；提出一種基于加固和抗滑同時發(fā)揮作用的散體邊坡加固新技術(shù)，并獲得專利。發(fā)表與棄渣勘測設(shè)計、運維管理有關(guān)的科技論文7篇。

（5）結(jié)合本次研究成果，在公司生技部的指導(dǎo)下，編制完成了《渣場運檢導(dǎo)則》，規(guī)定了公司渣場運行、檢查、維護(hù)業(yè)務(wù)及周期，明確渣場移交條件，用于指導(dǎo)維護(hù)人員開展渣場的運行、檢查和維護(hù)等工作。