冷軋廠大型棄渣體穩(wěn)定性分析及處理方案研究

趙明華 劉培培 朱信波

(長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，湖北武漢 430074)

0 工程概況

金沙水電站是金沙江干流中游河段規(guī)劃 “一庫十級”的第九級電站，位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，下距攀枝花中心城區(qū)10.3 km，電站正常蓄水位1022.00 m，最大壩高66.00 m，Ⅱ等大(2)型工程。

冷軋廠大型棄渣體位于金沙江水電站壩址右岸下游，緊鄰導(dǎo)流明渠出口(見圖1)。其頂部臺面建有攀冶公司物資處周轉(zhuǎn)材料租賃站和攀冶機電分公司結(jié)構(gòu)廠，坡頂有公路通行。

圖1 冷軋廠大型棄渣體三維影像圖

1 棄渣體特征

冷軋廠大型棄渣體位于金沙江右岸，整體呈條椅狀臨江分布(見圖2)。頂部為兩級平臺，高程分別為1063 m、1075 m，其上分別建有攀冶機電分公司結(jié)構(gòu)廠、攀冶公司物資租賃站。廠區(qū)后緣外圍為陡峻的正長巖山坡。前緣高程1005 m左右，岸坡較陡[1]，坡高45～65 m，坡角35°～40°，坡面為果木地，栽種芒果，坡腳已修建擋墻防護。坡腳至江邊為漫灘，坡角15°～20°。上游為沙灘，中下游灘面堆積大量漂石，其中有一小范圍基巖(正長巖)露頭。

圖2 冷軋廠大型棄渣體平面圖

岸坡長520 m，橫向?qū)?60 m，平面面積0.1 km2，堆填厚度大，為30～55 m ，規(guī)模大，棄渣體體積290×104m3。

棄渣體物質(zhì)為雜填土[2]及爐渣，大致成層堆填，上部雜填碎石夾土(①1)，中部爐渣(①2)，下部雜填碎石(①3)。物質(zhì)結(jié)構(gòu)呈松散至稍密狀，總體不均勻，其中雜填土性狀不均勻，爐渣性狀較均勻，強度差，透水性均較強。

據(jù)1982年1∶10000地形圖，棄渣體所處地段應(yīng)為凹向右岸較寬的回水灣，灘面較平緩，與鉆孔揭露情況基本吻合。

棄渣體前部坐落于沖積卵石層上，卵石厚度8.0～14.6 m；沖積物下伏基巖為正長巖，弱--微風(fēng)化，巖體完整性較好。后部棄渣體直接坐落于正長巖斜坡上。

據(jù)調(diào)查，廠區(qū)及其它地表均未發(fā)現(xiàn)變形跡象，僅雨季岸坡表部有小范圍土溜現(xiàn)象。

2 棄渣體穩(wěn)定性分析及評價

2.1 宏觀分析

(1)天然狀態(tài)下穩(wěn)定性分析

冷軋廠大型棄渣體是在高程1005 m左右以上灘面堆填棄渣而成，底界面平緩，呈5°～10°坡角微傾向金沙江(見圖3)。

堆填物質(zhì)為雜填碎石夾土、碎石與爐渣，以粗顆粒物質(zhì)為主，抗剪強度相對較高，未發(fā)現(xiàn)較連續(xù)成層分布的軟弱土層，即沒有可產(chǎn)生滑動的軟弱層(帶)。

1.人工堆積物;2.沖積物;3.華力西期正長巖;4.土層編號;5.爐渣;6.雜填土;7.細砂;8.卵石圖3 冷軋廠棄渣體典型剖面圖(1-1′)

堆填物質(zhì)透水性較強，利于地下水排泄。頂部廠區(qū)周邊已修建截排水溝，后緣外圍地表水不會大量流入棄渣體。地下水位與江水位持平，低于棄渣體底界面10余米。地表水與地下水對棄渣體穩(wěn)定性不利影響較小。

坡腳沿線已修建擋墻防護，露出的擋墻未發(fā)現(xiàn)變形跡象；結(jié)構(gòu)廠與租賃站于2007年修建，至電站施工前已運行8年余，廠房及地面皆未發(fā)現(xiàn)明顯沉降、開裂等變形現(xiàn)象。

冷軋廠大型棄渣體規(guī)模大，物質(zhì)為雜填碎石夾土、碎石與爐渣組成，強度較低，透水性較強；底界面平緩，其下為沖積卵石層；前緣坡腳已修建擋墻防護，除岸坡有土溜現(xiàn)象外，未發(fā)現(xiàn)其它變形跡象。棄渣體現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好，不會發(fā)生較大規(guī)模快速滑動失穩(wěn)現(xiàn)象。

從長遠來看，棄渣體頂部平臺已被兩個廠占用，不可能繼續(xù)向上堆填，且上下游岸坡可堆填的空間不大；廠區(qū)后緣外圍正長巖山坡表部巖體卸荷較弱，完整性較好，未發(fā)現(xiàn)崩塌、危巖等，只有零星危石分布，山坡穩(wěn)定性較好，不會有大量物質(zhì)來源，棄渣體的規(guī)模與形態(tài)基本已固定，其穩(wěn)定條件不會有大的改變，整體穩(wěn)定性仍較好。

(2)電站施工期穩(wěn)定性分析

電站施工期是通過右岸導(dǎo)流明渠泄流，左岸澆筑大壩廠房。

棄渣體正處于金沙水電站導(dǎo)流明渠出口下游右岸，堆積物結(jié)構(gòu)松散至稍密，抗沖刷能力差，明渠泄流流速快，會對棄渣體沿線岸坡產(chǎn)生較強的沖刷、掏腳，進而導(dǎo)致棄渣體岸坡失穩(wěn)，對坡頂公路、廠區(qū)不利。

據(jù)設(shè)計方案，導(dǎo)流明渠出口處位于冷軋廠棄渣體上游邊界，設(shè)計明渠流向與金沙江夾角約52°，導(dǎo)流標(biāo)準按5%洪水頻率，相應(yīng)下游水位1013.3 m、明渠內(nèi)最大流速達10.7 m/s。導(dǎo)流明渠出口水流方向斜對下游左岸，雖不正沖或順沖棄渣體沿線岸坡，但泄流流速快，回流仍會對棄渣體沿線岸坡產(chǎn)生較強沖刷，而且按導(dǎo)流標(biāo)準5%洪水頻率時棄渣體一帶江水位1013.3 m，高于棄渣體前緣坡腳(高程1005 m左右)8 m左右，高于擋墻(墻頂高程1012 m)1 m左右，水流會對棄渣體前緣產(chǎn)生沖刷、掏腳、浸泡，堆填物質(zhì)較松散，抗沖能力差，加上棄渣體岸坡較陡，坡角35°～40°，岸坡會不斷產(chǎn)生坍塌(見圖4)，對坡頂公路不利，需防護。

圖4 施工期明渠泄流回流沖刷掏腳岸坡失穩(wěn)示意圖

已建擋墻位于漫灘上，墻頂高程1012 m，基礎(chǔ)高程應(yīng)在1005 m左右，大部分岸段擋墻基礎(chǔ)坐落在卵石層，上游岸段可能置于砂層，對岸坡穩(wěn)定有一定作用，但基礎(chǔ)埋置深度較小，防沖能力有限。

為研究明渠泄流條件下岸坡的穩(wěn)定變化情況，進行了1∶80導(dǎo)流動床模型試驗，試驗采用拋石防護方案。試驗成果表明，流量越大，明渠出口處流速越大，設(shè)計流量11400 m3/s時，最大垂線平均流速達12.2 m/s；各級流量下沖坑形狀基本相似，沖坑深點位于明渠中心線略偏右側(cè)，沖坑深度隨流量的增大而增大，拋石的塌落范圍及程度隨流量的增大而增大；在設(shè)計工況時，主沖坑偏導(dǎo)流明渠中心線右側(cè)，其中明渠出口下游0+400 m附近沖深達20余米，冷軋廠側(cè)導(dǎo)流明渠出口下游防護范圍內(nèi)部分拋石落于沖坑中，并形成穩(wěn)定的護坡?？梢?，金沙水電站施工期導(dǎo)流明渠泄流對棄渣體上游岸坡下部回流沖刷掏蝕程度較重，從而產(chǎn)生塌岸現(xiàn)象較顯著。

(3)電站運行期穩(wěn)定性分析

電站運行期大壩蓄水，導(dǎo)流明渠內(nèi)修建兩孔泄洪閘，通過泄洪閘--明渠泄流；壩后水位上升，冷軋廠一帶設(shè)計校核洪水位1019.5 m。冷軋廠岸坡不僅會受到泄洪閘泄洪沖刷影響，而且下部高15 m的岸坡將長期處于水下，受江水的浸泡岸坡穩(wěn)定條件會變差。

2.2 穩(wěn)定性計算——詹布法

穩(wěn)定性計算采用極限平衡分析法的詹布法(Janbu)[1]計算。詹布法在計算巖土體穩(wěn)定性時，考慮土條的水平條間力，滑動面和破裂面近似為折線。

根據(jù)棄渣體的物質(zhì)組成及分布情況，選取4-4＇剖面進行計算。只考慮天然狀態(tài)、金沙水電站施工期導(dǎo)流明渠泄流時工況，對選取的計算剖面作棄渣體整體在天然狀態(tài)、水位1013.3 m(導(dǎo)流標(biāo)準5%洪水頻率時水位)及假定前緣被水流沖刷、掏蝕后三種工況進行計算。另外，對最危險滑面進行了搜索。相關(guān)計算參數(shù)的選取見表1[1，3]，計算剖面條分示意圖見圖5。

表1 冷軋廠棄渣體物理力學(xué)參數(shù)取值

圖5 4-4＇剖面條分示意圖

從計算結(jié)果看：在天然狀態(tài)下，棄渣體的整體穩(wěn)定系數(shù)為1.9；水位1013.3 m時，棄渣體的整體穩(wěn)定系數(shù)為1.4。假定前緣被水流沖刷、掏蝕后，天然狀態(tài)及水位1013.3 m時棄渣體整體穩(wěn)定系數(shù)分別下降為1.5、1.2；但棄渣體前緣穩(wěn)定性系數(shù)為0.7～0.9，出現(xiàn)前緣失穩(wěn)情況。最危險滑面搜索結(jié)果表明，在前兩種不同工況下，最危險滑面均位于斜坡表部，穩(wěn)定性系數(shù)0.8～1.0，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

棄渣體穩(wěn)定性計算表明，在天然狀態(tài)及水位1013.3 m兩種工況下，棄渣體的整體穩(wěn)定性均較好，第二種工況下穩(wěn)定性有所下降；棄渣體平臺前緣斜坡表部處于不穩(wěn)定狀態(tài)與斜坡小范圍的土溜現(xiàn)象較一致。假定前緣被水流沖刷、掏蝕后，棄渣體前緣會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.3 穩(wěn)定性總體評價

棄渣體的穩(wěn)定條件宏觀分析與穩(wěn)定性計算表明，棄渣體天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性較好，不會發(fā)生較大規(guī)?？焖倩瑒邮Х€(wěn)現(xiàn)象，僅斜坡表部穩(wěn)定性差；施工期，導(dǎo)流標(biāo)準5%洪水頻率時，其穩(wěn)定系數(shù)有所下降，但其整體穩(wěn)定性仍較好，主要是明渠泄流沖刷掏腳會導(dǎo)致岸坡表部失穩(wěn)，另外斜坡表部穩(wěn)定性差；運行期岸坡會承受長期浸泡、沖刷影響，岸坡表部穩(wěn)定性較差，需防護。

3 對工程和環(huán)境的影響分析

冷軋廠大型棄渣體位于電站下游，對工程無影響。但工程對其有影響，主要問題是施工期導(dǎo)流明渠泄流對其岸坡的回流沖刷問題，另外運行期大壩蓄水后下游水位抬高浸泡，也對岸坡的表部穩(wěn)定不利。岸坡一旦失穩(wěn)，對岸坡表部農(nóng)田、交通道路及廠礦企業(yè)有影響，需采取針對性的防護措施。

4 處理方案討論

根據(jù)地質(zhì)分析與模型試驗成果可見，冷軋廠大型棄渣體整體穩(wěn)定性較好，主要問題是施工期導(dǎo)流明渠泄洪對前緣岸坡的回流沖刷、掏腳問題，另外岸坡表部有穩(wěn)定問題，破壞模式為岸坡表部土體坍塌，破壞過程是坡腳掏蝕、上部追蹤坍塌，類似牽引式坍塌方式，因此應(yīng)對措施就是護岸。

由于岸坡前緣砂卵石厚度不大，不能作為可靠的護岸建筑物地基，其下粉土強度低、深度大，也不是較好的地基，因此采用樁基等深部防護措施不合適，經(jīng)濟上也不劃算。

經(jīng)綜合研究，施工期棄渣體前緣岸坡高程1004 m以下采用合金網(wǎng)石兜[4]及格賓石籠平臺壓腳，上接鋼絲石籠[5]護坡方案，護坡至高程1014 m，坡比為1∶2.5～1∶1.5，防止沖刷掏腳岸坡失穩(wěn)；運行期則在對施工期護岸工程修補的基礎(chǔ)上，對其上至高程1020 m坡段(自然岸坡)采用鋼絲石籠護坡(見圖6)，以防止施工期護岸之上的(自然)岸坡表部受浸泡和沖刷失穩(wěn)破壞。

圖6 冷軋廠棄渣體防護方案典型斷面圖

5 結(jié)論

(1)冷軋廠大型棄渣體是在金沙江右岸較大的回水灣灘面以上堆填棄渣而形成的大型棄渣體，宏觀分析與穩(wěn)定性計算均表明天然狀態(tài)下其整體穩(wěn)定性較好，但岸坡表部存在穩(wěn)定問題。

(2)施工期導(dǎo)流明渠泄流局部改變了原河床的流速和流態(tài)，棄渣體前緣覆蓋層厚度大，抗沖能力較弱，棄渣體岸坡回流沖刷是主要問題。

(3)因棄渣體前緣覆蓋層厚度超過30 m，采用樁、板等剛性防護，基礎(chǔ)需進入基巖一定深度，施工周期長，工程量大，經(jīng)濟性差。

(4)根據(jù)地質(zhì)分析與模型試驗成果分析，創(chuàng)新性提出施工期采用合金網(wǎng)石兜及格賓石籠平臺壓腳，上接鋼絲石籠護坡的柔性防護方案；運行期在對施工期防護工程修補的基礎(chǔ)上，采用混凝土面板護坡。

(5)施工期防護工程施工完成后運行了近5年，除導(dǎo)流明渠泄流時局部產(chǎn)生塌岸、護岸損壞外，大部分護岸未被沖刷破壞。說明研究的結(jié)論、選擇的柔性防護措施基本是合適的。

(6)建議明渠過流前、后對棄渣體前緣流速、流態(tài)及河床岸坡沖刷等情況進行跟蹤對比，以便進一步驗證防護方案的可靠性、經(jīng)濟性，為其他類似工程提供更有價值的參考資料。