花滩子水库工程枢纽区弃渣场选址及稳定性分析

蒋 静

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550000)

1 工程概况

花滩子水库工程位于贵州省铜仁市思南县邵家桥镇冉氏堂村的境内清渡河上，清渡河为乌江右岸的一级支流。工程任务是以城乡供水和灌溉为主、兼顾发电。水库总库容1.13亿m3，为多年调节水库，总供水量为8909万m3/a，可灌溉3339.3hm2农田，电站总装机容量为7000kW。大坝坝型为碾压混凝土重力坝，坝高108.5m，坝顶长223.2m。水库规模为Ⅱ等大(2)型。

2 弃渣场概况

主体设计根据工程所在区域的地形条件、枢纽布置格局及弃渣场规划原则，在枢纽区布置1个弃渣场。渣场位于大坝上游左岸，距离坝址约1.2km处的宽缓阶地，为库区型弃渣场，堆置的弃方量为125万m3，主要堆放水库枢纽区工程施工开挖产生的土石渣，共计124.57万m3弃渣(松方)。渣场占地面积5.15hm2，堆渣高程为422-462m，为3级弃渣场。

弃渣场布置的水土保持措施为：在渣场临河侧修建浆砌石重力式挡渣坝，坝长490m，坝高6.5m，底宽5.5m，坝顶宽2m，坝顶高程424.5m，每堆高10m设置马道，马道宽2m，渣面高程462m(低于水库死水位463m)，堆渣坡比1:2。在堆渣边线至征地范围内顺地形布置截水沟。为防止施工期间河水临时性冲刷渣场，拦渣堤后20m范围内堆置大石渣，坡面采用干砌石压坡防护。

2.1 弃渣场选址分析

经地质专业分析，建库河流总体走向为东西向，河谷高程为385-496m，两岸山体雄厚，左岸高程普遍为500-800m，右岸高程普遍为500-1000m；库区最高峰位于库尾右岸枫香坪，高程为1243.9m。区内相对高差普遍为200-500m，总体属低山地形。河谷纵向上地形呈喇叭口形状，上游宽阔，往下游逐渐收窄，最窄处河床宽度仅30m左右；横向两岸地形左陡右缓，为不对称“V”型峡谷。左岸河床至478m高程地形坡度为50°左右，478-506m高程地形坡度为85°左右，506高程以上地形逐渐变缓，坡度为30-45°左右；右岸河床至441m高程地形坡度为75°左右，441m高程以上地形变缓，为30-50°。

综合上述地质条件，结合现场踏勘情况，水库坝址处下游逐渐收窄，至乌江入口处均为陡峭峡谷地貌，无平缓滩地或冲沟适合堆渣。沿水库坝址处往上游走1.2km冉氏堂村附近有一处较宽缓的水田地。经过计算，面积和库容均能达到堆渣要求。大坝枢纽两岸地势陡峭，无合适库外堆渣场，因地形条件的限制，枢纽区弃渣场的选址具有唯一性。

2.2 弃渣场地质条件分析

枢纽区弃渣场位于坝址上游，渣场区地面高程420-468m，地形坡度10-30°，属碎屑岩分布的中低山河谷侵蚀地貌。渣场西南侧紧邻清渡河，东南侧为斜坡。枢纽区弃渣场场区出露的地层主要为志留系中上统韩家店群(S2-3hn)及第四系(Q)。枢纽区弃渣场位于塘头向斜东南翼，为单斜构造，构造不发育，该区无较大断层分布，局部发育小揉皱，岩层产状为270°-315°∠26-35°。地层岩性为S2-3hn的紫红、灰绿、黄灰色页岩、粉砂质页岩及中厚层状粉砂岩、泥质粉砂岩等，为碎屑岩，地下水类型主要为孔隙水及裂隙水。区内未见大的崩塌、滑坡、地裂缝及泥石流等地质灾害，仅在岸坡覆盖层分布区，出现雨季产生的浅层的、小规模覆盖层和全、强风化层的滑塌，对工程建设无大的影响。

2.3 弃渣场地质条件评价

根据现场调查并结合区域地质资料分析，工程区为单斜构造，场区内未发现活动性大断裂通过，地质构造简单，地震基本烈度为Ⅵ度，区域稳定性好；场地及附近无大的崩塌、滑坡、泥石流等重大地质灾害隐患。场地稳定性较好。

场地紧邻乌江一级支流——清渡河左岸河边，属于临河型弃渣场，亦属于库内型弃渣场，目前无挡水建筑物，堆渣易引起泥石流等地质灾害，适宜性较差，需修建挡水建筑物后适宜建筑。

场区后缘地形坡度为10°-30°，局部较陡。覆盖层为耕植土和黏土夹碎石，厚0-3.0m，下伏基岩为S2-3hn页岩、粉砂质页岩及中厚层状粉砂岩、泥质粉砂岩等，为软质岩；单斜构造，岩层产状为270°-315°∠26-35°，岩体强风化岩体厚6.0-9.0m，后缘边坡主要为逆向坡；地下水埋藏较浅，自然边坡整体稳定。

3 弃渣场稳定性分析

枢纽区弃渣场采用格宾拦渣堤作为拦挡措施，渣场周围布置截排水沟，排出渣场上游洪水。弃渣堆放时，将粒径>50cm的石渣堆放在挡渣墙前，有利于稳定和排水。弃渣在424m高程按1：2向后放坡，每堆置10m高设一级2m宽马道，渣面高程为462m。

3.1 弃渣场稳定性计算工况

弃渣场抗滑稳定计算应分为正常运用工况和非常运用两种工况进行验算。

1)正常运用工况：弃渣场在正常和持久的条件下运用，弃渣场处在最终弃渣状态时，渣体无渗流或稳定渗流，即渣场自重。

2)非常运用工况：弃渣场在正常工况下遭遇暴雨入渗对渣体稳定造成的影响，即渣体自重+暴雨作用。

3.2 计算公式

弃渣场抗滑稳定计算采用不计条块间作用力的瑞典圆弧滑动法，计算公式如下：

(1)

式中：b为条块宽度，m；W为条块重力，kN；W1为在弃渣边坡外水位以上的条块重力，kN；W2为在弃渣边坡外水位以下的条块重力，kN；Q、V为分别为水平和垂直地震惯性力(向上为负，向下为正)；u为作用于土条底面的孔隙压力，kPa；α为条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，°；c＇、φ＇为土条底面的有效应力抗剪强度指标；MC为水平地震惯性力对圆心的力矩；R为圆弧半径。

3.3 计算参数

以地质专业提供的建议值为依据，综合考虑密实度、透水性、孔隙率，选取力学参数如下：

表1 枢纽弃渣场整体稳定计算岩土力学参数表

2)渗透系数

为进行暴雨工况下的渗流计算，需确定各层岩土的渗透系数。挡渣墙为不透水材料，但由于坝身分布间距为2m的D100PVC排水孔，为使计算准确，将挡渣墙视作排水棱体看待，用单孔排水流量、孔数、挡渣墙立面面积综合计算排水能力，换算为等值水平渗透系数，竖向仍视为不透水。

表2 整体稳定计算渗流参数表

3)暴雨参数

4)地震作用

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)，工程区地震动反应谱特征周期为0.35s，动峰值加速度为0.05g，与场地50年超越概率10%的地震动峰值加速度59.4gal(0.06g)基本相当，相应的地震基本烈度为Ⅵ度，不考虑地震荷载。

3.4 计算结果

1)渗流计算

使用理正岩土渗流分析计算系统(版本：6.5)计算弃渣场渗流问题分析。

表3 花滩子水库设计暴雨成果表

由于已考虑了完善的排洪和截水措施，周边洪水不会对渣场造成危害，但会受到渣面入渗的暴雨影响。当50a一遇24h暴雨(204mm)从弃渣场坡顶入渗时，在计算机中建立二维模型，采用有限元方法对渣场渗流进行计算。有限元网格剖分长度为1m，最大迭代30次，判断收敛误差1%[2]。计算结果如下：

图2 总水头等值线图

图3 总压力等值线图

2)弃渣场整体稳定计算

采用瑞典圆弧法计算弃渣场整体稳定，正常工况只考虑正常堆渣受重力作用造成破坏，非常工况还要考虑暴雨入渗对渣体稳定造成的影响[3]。

计算时条分法的土条宽度为1m。

①正常运用工况最不利滑动面:

滑动圆心=(22.046，46.096)(m)；

滑动半径=47.196(m)；

滑动安全系数K=1.26 > 1.25；

总的下滑力=4454.258(kN)；

总的抗滑力=5416.737(kN)；

土体部分下滑力=4454.258(kN)；

土体部分抗滑力=5416.737(kN)。

图4 正常工况计算成果图

②非正常运用工况最不利滑动面：

滑动圆心=(26.054,36.075)(m)；

滑动半径=36.900(m)；

滑动安全系数K=1.22 > 1.10；

总的下滑力=3224.713(kN)；

总的抗滑力=2702.998(kN)；

土体部分下滑力=3224.713(kN)；

土体部分抗滑力=2702.998(kN)。

图5 非正常工况计算成果图

经计算，正常运用工况下K=1.26>1.25；非正常运用工况下K=1.22>1.10，渣场边坡抗滑稳定安全系数能够满足规范要求。

4 结 语

水库枢纽区渣场占死库容3.6%，该渣场选址由主体设计专业确定，堆渣库容占死库容比例小，本工程50a淤沙高程为432.93m，死水位为463.00m，死库容大，不影响水库的正常功能。枢纽区弃渣场堆渣高程比取水口高5m，弃渣至大坝河段河道曲折蜿蜒，渣场对取水口基本无影响。

经水文计算，渣场所在断面河流30、50a一遇的天然洪水位分别为426.71m、428.26m。堆渣后30、50a一遇洪水位分别为426.86m、428.45m，较天然洪水分别壅高0.15m、0.19m。渣场布置在河道岸边滩地，渣场布置分别占用30、50a一遇洪水行洪面积比例为12.6%、16.5%，占用断面过水面积不大，且位于河边滩地，未占用主河道。渣场堆渣后枢纽区渣场壅水影响范围内无其他建筑物或第三方，且工程施工期仅48个月，时间较短，枢纽区渣场的布置对河道壅水影响较小。

为防止冲刷影响渣场稳定，沿河布置格宾拦渣堤作为拦挡措施，并在拦渣堤之后20m范围内采用大石渣堆填，并在渣面上用干砌石进行护坡，可消除清渡河洪水对渣场的冲刷影响，枢纽区渣场的布置对河道断面冲刷影响也较小。枢纽区弃渣场属库内渣场，运行期渣场位于水库死水位以下，对河道行洪无影响。枢纽区渣场采取相应措施后，渣体稳定[3]。