水電站特大型棄渣場水土保持措施設(shè)計研究
——以俄德西溝特大型棄渣場為例

史小棟，朱永剛，操昌碧

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，成都 611130)

· 生態(tài)環(huán)境 ·

水電站特大型棄渣場水土保持措施設(shè)計研究
——以俄德西溝特大型棄渣場為例

史小棟，朱永剛，操昌碧

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，成都 611130)

西南土石山區(qū)水電工程的建設(shè)具有棄渣場選址困難、棄渣量大等特點，電站工程建設(shè)過程中如何防治棄渣場的水土流失是整個水電站工程水土流失治理工作的重點和難點，棄渣場區(qū)水土流失防治措施的設(shè)計直接關(guān)系到整個渣場水土流失防治工作的成敗。以葉巴灘水電站俄德西溝棄渣場為例，通過分析本渣場泥石流防治工程、攔擋工程以及排洪工程防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和等級，對本渣場泥石流防治措施和水土保持措施進(jìn)行了設(shè)計。

水電站；泥石流溝；棄渣場；措施設(shè)計

1 引 言

水電工程開發(fā)和建設(shè)具有棄渣場選擇困難、棄渣量及棄渣的水土流失危害較大等特點[1]。目前，由于對棄渣主要采取的處理措施為設(shè)置棄渣場集中堆放并加以防護(hù)，所以棄渣場的水土保持設(shè)計是水電工程水土保持設(shè)計的重中之重[2]。其水土流失防治措施的設(shè)計直接影響整個渣場水土流失防治工作的成敗。在西南土石山區(qū)修建的水電站工程所形成的特大型棄渣場普遍堆放在溝道中，且較多受泥石流影響。如何防治泥石流對棄渣場的影響，是整個棄渣場工程水土流失防治工作的重點。從目前查閱的文獻(xiàn)資料，其可借鑒的經(jīng)驗較少?，F(xiàn)行水電行業(yè)規(guī)范對泥石流治理標(biāo)準(zhǔn)并無規(guī)定。目前的實際做法是參照國土資源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定，與水電行業(yè)的匹配度并不強(qiáng)，尤其是泥石流治理標(biāo)準(zhǔn)與渣場溝水處理標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)與銜接，更是值得進(jìn)行深入研究[3]。

金沙江上游葉巴灘水電站位于四川省甘孜州白玉縣、西藏自治區(qū)昌都地區(qū)貢覺縣和江達(dá)縣境內(nèi)，工程等級為Ⅰ等大(1)型工程。水電站共規(guī)劃布置了兩個特大型棄渣場，俄德西溝棄渣場為其中之一。根據(jù)審批的《金沙江上游葉巴灘水電站水土保持方案報告書》[4]設(shè)計成果，該棄渣場為溝道型，且受泥石流的影響。本文以金沙江上游葉巴灘水電站俄德西溝棄渣場為例，綜合分析該渣場的防治措施標(biāo)準(zhǔn)及等級，進(jìn)而系統(tǒng)設(shè)計棄渣場泥石流和水土保持工程防治措施。該工程的設(shè)計實踐經(jīng)驗可為今后同類工程涉及到的溝道型、特大型棄渣場水土保持措施設(shè)計提供借鑒。

2 棄渣場概況

葉巴灘水電站共規(guī)劃布設(shè)了兩個特大型棄渣場，俄德西溝棄渣場為其中之一。由于工程區(qū)附近谷坡陡峻，平緩階地匱乏，俄德西溝棄渣場不僅要解決工程棄渣問題，還需提供必需的施工場地來滿足工程建設(shè)需要，因此本渣場的選址方案唯一。

本渣場位于水電站壩址下游俄德西溝內(nèi)，距壩址約2.5km，見圖1。占地類型主要以林地、草地和水域及水利設(shè)施用地為主，占地面積40.14hm2。棄渣場容量為600萬m3，堆渣量為595萬m3，渣體坡腳高程為2 735m，分兩區(qū)堆放，I區(qū)堆渣高程為2 850m，Ⅱ區(qū)堆渣高程為3 020m，最大堆渣高度達(dá)285m。主要堆放壩肩、俄德西溝料場、部分場內(nèi)道路及俄德西溝棄渣場排水洞工程開挖的土石。

圖1 俄德西溝棄渣場平面圖Fig.1 Plane figure of Er de Xi channel dumping site

3 棄渣場自然環(huán)境

俄德西溝位于壩址下游，為金沙江左岸一級支流，平面上呈狹長的“長條”形，支溝較發(fā)育，但面積較小、長度較短，僅距離溝口約1.7km的右支溝和接近溝源區(qū)的左支溝面積稍大。

俄德西溝系典型的高山峽谷地貌，以高山深切河谷為主，溝谷平均比降1.78‰，比降較大。溝道內(nèi)物理地質(zhì)作用強(qiáng)烈，不良地質(zhì)現(xiàn)象以兩岸崩塌、滑坡為主，溝床和兩岸松散堆積固體物質(zhì)豐富。在較大降雨或暴雨情況下，緊靠溝邊滑坡和蹦坡積塊碎石易失穩(wěn)，構(gòu)成泥石流物源，且溝床堆積物在洪水沖刷和泥石流裹挾的情況下會形成泥石流物源。地質(zhì)勘查資料顯示俄德西溝是一條低頻、降雨型溝谷泥石流溝。

俄徳西溝洪水主要由降雨形成，雨季一般出現(xiàn)在5月中旬至10月上旬，暴雨主要集中在6月和7月。鑒于俄徳西溝無實測洪水資料，鄰近水文站與其面積相差較大，不宜作為推算設(shè)計洪水的依據(jù)。因此，設(shè)計洪水采用《四川中小流域暴雨洪水計算手冊》進(jìn)行推算。

俄徳西溝設(shè)計洪水成果詳見表1。

表1 俄德西溝設(shè)計洪水成果表Tab.1 Er de Xi ditch design flood

4 工程防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及等級

根據(jù)《葉巴灘水電站工程區(qū)泥石流發(fā)育特征及其工程影響調(diào)查報告》，俄德西溝泥石流為降雨型溝谷型泥石流，為低頻泥石流溝，總體處于衰退期，易發(fā)、中等危險；泥石流為稀性，泥石流規(guī)模中等(50年～100年)。

參照《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》(DZ/T0239-2004)[5]，泥石流災(zāi)害的受災(zāi)對象為俄德西溝棄渣場，施工期通過預(yù)警預(yù)報可避免人員傷亡、電站建成后施工人員全部撤離，直接經(jīng)濟(jì)損失約800萬，期望經(jīng)濟(jì)損失約300萬元/年，防治工程投資大于1 000萬元?！安捎靡允転?zāi)對象及災(zāi)害程度為主、適當(dāng)參考工程造價的原則”，確定俄德西溝泥石流防治設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用P=2%(50年一遇)，工程安全等級為二級，見表2。

表2 泥石流災(zāi)害防治主體工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Design criterion for debris flow disaster prevention and control engineering

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》(GB 51018-2014)[6]“表5.7.1 棄渣場級別”相關(guān)規(guī)定，俄德西溝棄渣場級別為1級。棄渣場擋渣墻工程級別為2級，其設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為P=1%～2% (50～100年一遇)。排洪工程級別為2級，設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為P=1%～2%(50～100年一遇)，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為P=1%～0.5% (100～200年一遇)。棄渣場永久性截排水措施的排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用P=30%～20%(3～5年一遇)5min～10min短歷時設(shè)計暴雨。

根據(jù)《水電建設(shè)項目水土保持方案技術(shù)規(guī)范》(DL/T5419-2009)[7]“附錄D 表D.1”相關(guān)規(guī)定，俄德西溝棄渣場為特大型棄渣場。渣場防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為P=2%～1%(50～100年一遇)。棄渣場排水工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用P=50%～20%(2～5年一遇)。

綜合上述規(guī)范，結(jié)合本渣場的堆渣量、堆渣高度以及失事后果等因素進(jìn)行綜合分析。俄德西溝棄渣場泥石流防治工程、攔渣工程、排洪工程以及排水工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及工程等級詳見表3。

表3 俄德西溝棄渣場防治措施設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及工程等級表Tab.3 List of Er de Xi ditch dumping site prevention design standards and engineering ratings

5 水土保持工程措施設(shè)計

5.1 泥石流及防洪排導(dǎo)工程

俄德西溝棄渣場為溝道型棄渣場，溝道兩邊坡度較陡，渣場頂面規(guī)劃布設(shè)有施工生產(chǎn)設(shè)施，不具備留出天然溝道排導(dǎo)泥石流的條件。若在渣場表面布置排導(dǎo)渠，則會對渣場容量、施工生產(chǎn)設(shè)施布置造成較大影響，且排導(dǎo)渠需堆渣完畢后才能實施，不具備先期排導(dǎo)能力。

若采用排導(dǎo)洞方案，一方面要求排導(dǎo)洞呈直線布置，洞線較長；另一方面要求排導(dǎo)洞斷面較大，才能夠排泄泥石流中可能的最大塊體；考慮到采用排導(dǎo)洞排導(dǎo)泥石流的工程案例少，即使采用了較大斷面，排導(dǎo)洞仍存在被石塊堵塞的風(fēng)險，因此，本工程不推薦排導(dǎo)洞方案。

綜合上述因素限制，本工程推薦方案采用預(yù)警、預(yù)報，攔擋、減勢、排導(dǎo)清水、后期清淤、清障等綜合防護(hù)措施，俄德西溝棄渣場泥石流及排洪工程主要建筑物由攔擋壩、進(jìn)水塔、排水洞和擋水壩組成。

(1) 攔擋壩

參照《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》(DZ/T0239-2004)中“為保證下游安全，在同一河段內(nèi)建造的攔擋壩不應(yīng)少于3座”。除擋水壩起到停淤攔擋泥石流作用外，在排水洞至俄德西溝右支溝匯口之間適當(dāng)位置還需修建兩座攔擋壩，分別為1#和2#攔擋壩，攔擋大塊石、固床、降低溝床縱坡、減緩泥石流流速、減小對擋水壩的沖擊力。

攔擋壩是防護(hù)泥石流中大塊石的主要建筑物?？紤]地形、地質(zhì)、施工等條件，在排水洞進(jìn)口上游約250m和140m處設(shè)置兩道攔擋壩，從上游至下游依次編號為1#攔擋壩和2#攔擋壩?，F(xiàn)場調(diào)查的泥石流最大塊石體積26.2m3(當(dāng)量直徑3.7m)、沖擊力強(qiáng)，故攔擋壩壩型選擇混凝土重力式。根據(jù)地形地質(zhì)條件，考慮攔擋形成的庫容以及工程投資等因素，確定1#和2#攔擋壩最大壩高為12m。

1#攔擋壩：壩頂高程為3 074.00m，最大壩高為12m，軸線全長53.57m，頂寬4.0m。上游面坡比上部為1∶0.7，下部為1∶2.5，下游面坡比1∶0.2。在壩頂中部設(shè)置溢流口，溢流口寬度為30.0m，深度3.0m。溢流壩身設(shè)置兩層共15個泄水孔，孔口尺寸1m×1m，兩層孔口凈距1.5m，每排孔口凈距2m，其中上層共8個孔口，下層共7個孔口。壩體下游設(shè)置長25m、厚1.5m的鋼筋混凝土板及長10m、厚2m的大塊石防沖。

2#攔擋壩：壩頂高程為3 053.00m，最大壩高為12m，軸線全長65.32m，頂寬4.0m。上游面坡比上部為1∶0.7，下部為1∶2.5，下游面坡比為1∶0.2。在壩頂中部設(shè)置溢流口，溢流口寬度為30.0m，深度3.0m。泄水孔與壩下防沖措施布置與1#攔擋壩設(shè)計方案。

(2) 進(jìn)水塔

為避免泥石流固體物質(zhì)進(jìn)入排水洞并在擋水壩前形成停淤庫容，在排水洞進(jìn)口處設(shè)置進(jìn)水塔。

進(jìn)水塔溢流口高程為3 033.00m，形成的攔淤庫容為7.3萬m3，可滿足攔截設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下一次泥石流總量7.17萬m3的要求(其中右支溝一次泥石流總量為3.11萬m3、主溝一次泥石流總量4.06萬m3)。

進(jìn)水塔塔頂高程為3 038.00m，塔體尺寸為12m×12m×28.5m(長×寬×高)，溢流口尺寸為8.0m×5.0m(寬×高)，為整體框架結(jié)構(gòu)。為了便于塔身過流和后期庫內(nèi)清淤排水，在塔身迎水面高程3 020.00m、3 022.50m、3 025.00m及3 027.50m處設(shè)置有4排泄水孔，孔口尺寸為0.5m×1.5m，共20個泄水孔。

進(jìn)水塔基礎(chǔ)座落在基巖上，采用固結(jié)灌漿與錨桿束(3φ32、L=12.0m)加強(qiáng)其整體性。

進(jìn)水塔進(jìn)口縱剖面及1-1剖面詳見圖2～圖3。

(3) 排水洞

根據(jù)地形地質(zhì)條件、渣場堆渣容量要求、場內(nèi)交通要求等，排水洞選擇布置在俄德西溝左岸，洞線繞過俄德西溝料場開采區(qū)。

圖2 進(jìn)水塔進(jìn)口縱剖面圖Fig.2 Intake tower import longitudinal profile

圖3 進(jìn)水塔1-1剖面圖Fig.3 1-1 profile of the intake tower

排水洞進(jìn)口高程為3 016.00m，出口高程為2 940m，底坡為6.67%，斷面尺寸為4m×5.5m～4m×3.5m(寬×高)，采用掛網(wǎng)噴砼、噴錨支護(hù)與混凝土襯砌。由于排水洞出口到下游金沙江河面高差約240m，采用清除、錨固、局部回填混凝土等工程措施，對天然溝道進(jìn)行加固處理，同時加強(qiáng)出口區(qū)域安全監(jiān)測。

(4) 擋水壩

擋水壩與渣場尾部結(jié)合布置，壩型為堆石壩，壩軸線距排水洞進(jìn)口80m。在發(fā)生P=2%(50年一遇)泥石流時，通過進(jìn)水塔溢流口泄流，相應(yīng)的壩前水位為3 036m?？紤]波浪爬高、壅高和安全超高后，確定壩頂高程為3 040m。擋水壩最大壩高約為42m，壩頂寬10m，壩頂軸線長約為106m。

為了壩體與壩基的滲透穩(wěn)定，對壩體與壩基設(shè)置水平內(nèi)鋪蓋和心墻進(jìn)行防滲處理。壩體心墻高42m，水平內(nèi)鋪蓋長230m，其中壩軸線上游80m，壩軸線下游150m。

擋水壩上游壩坡坡比為1∶2，下游壩坡坡比為1∶2.5～1∶2，上游坡面采用1.5m厚漿砌塊石進(jìn)行防沖保護(hù)。為防止坡腳覆蓋層發(fā)生滲透破壞，增設(shè)反濾層和排水棱體。

5.2 攔渣工程

俄德西溝棄渣場堆渣邊坡1∶1.8，棄渣場沿坡面隔15m高度設(shè)置一條馬道。渣腳高程不受金沙江洪水和拉哇電站蓄水影響。為防止施工期堆渣過程中的水土流失，擬沿棄渣場坡腳處設(shè)置漿砌石擋渣墻進(jìn)行攔擋。擋墻長度為20m。擋渣墻形式為重力式，尺寸：頂寬1.0m，底寬3.25m，高3.0m，外邊坡0，內(nèi)邊坡0.5，基座厚1.0m，墻踵、墻趾寬0.5m。為排除渣體內(nèi)積水。

5.3 排水工程

為避免降雨形成的山坡地表水對渣體的沖刷，在棄渣場頂部設(shè)置M7.5漿砌石排水溝，斷面形式為等腰梯形，襯砌厚度為0.30m，過水?dāng)嗝娴讓?.50m，頂寬1.0m，深0.5m，邊坡比為1∶0.5。根據(jù)區(qū)域地形條件，在俄德西溝棄渣場周邊排水溝進(jìn)口端、頂部與坡面相接位置處以及排水溝出口端布設(shè)M7.5漿砌石跌水溝措施進(jìn)行跌水消能。

6 結(jié)論分析

西南土石山區(qū)修建的水電站工程大部分棄渣場利用沖溝布置棄渣場，并且渣場上還需布設(shè)施工生產(chǎn)設(shè)施來滿足工程建設(shè)需要。由于區(qū)域地質(zhì)條件較差，多數(shù)為泥石流溝。因此，水電站工程建設(shè)必須把棄渣場的設(shè)置和水土流失防治措施提高到新的重要位置。本文通過分析俄德西溝棄渣場水土保持措施設(shè)計，有如下3點體會：

(1) 溝道型棄渣場泥石流防治本著“因害設(shè)防、經(jīng)濟(jì)適用”的原則。應(yīng)采取攔擋、減勢、排導(dǎo)清水、后期清淤、清障等綜合防護(hù)措施，主要建筑物由攔擋壩、進(jìn)水塔、排水洞和擋水壩組成。

(2) 降雨是引發(fā)泥石流發(fā)生的主要條件，俄德西溝棄渣場可以通過設(shè)置預(yù)警預(yù)報裝置，及時發(fā)出警報可有效采取應(yīng)急措施，減輕災(zāi)害損失。

(3) 為防止泥石流固體物質(zhì)進(jìn)入排水洞并在擋水壩前形成停淤庫容，在排水洞進(jìn)口處設(shè)置進(jìn)水塔可有效攔擋固體物質(zhì)，避免排水洞的堵塞。

[1] 高寶林，周 全，等.水電工程棄渣場水土保持措施設(shè)計探討[J].中國水土保持，2011,(3)：36-38.

[2] 吳 偉，杜運領(lǐng).水電工程復(fù)合型棄渣場水土保持設(shè)計探討[J].中國水土保持，2014,(1)：40-42.

[3] 任金明，王永明,等. 西部水利水電工程攔溝型棄渣場泥石流的危害及防護(hù)[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2013,(6)：34-38.

[4] 史小棟，等.金沙江上游葉巴灘水電站水土保持方案報告書[R].成都：中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，2015.

[5] DZ/T0239-2004.泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范[S].

[6] GB 51018-2014.水土保持工程設(shè)計規(guī)范[S].

[7] DL/T5419-2009.水電建設(shè)項目水土保持方案技術(shù)規(guī)范 [S].

Soil and Water Conservation Measures Design for Dumping Site of Hydropower Station——In Er de Xi channel Extra large Spoil area

SHI Xiao-dong,ZHU Yong-gang,CAO Chang-bi

(1.PowerChinaChengDuEngineeringCorporationglimited,Chengdu611130,China)

Construction of hydropower projects in southwest mountainous area has the characteristic of hard to choose dumping site and large quantity of construction spoils . How to prevent and control the water and soil loss of dumping site during hydropower station construction is the key and difficult points. Soil and water conservation measures design for dumping site is directly related to the success or failure of water and soil loss prevention work. In this paper, we take Yeba Ertan Hydropower Station Ede Xi channel dumping site as an example, through analyzing the protection standard and grade of debris flow prevention and control engineering, block and obstruct project and drainage engineering, designed the debris flow prevention and control measures, and the soil and water conservation measures in this dumping site

Hydropower; debris flow; spoil area; measures design

2016-11-28

史小棟(1982-)，男，內(nèi)蒙古人，2008年畢業(yè)于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治專業(yè)，碩士。研究方向為水土保持設(shè)計和驗收等。

X

A

1001-3644(2017)02-0139-05