某抽水蓄能电站河沟型弃渣场设计及稳定计算、水力学计算

某抽水蓄能电站河沟型弃渣场设计及稳定计算、水力学计算

李 义

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

摘 要：该文根据工程实例介绍了河沟型弃渣场边坡设计及稳定计算、水力学计算。河沟型弃渣场上游有来水，对弃渣场稳定产生影响，边坡设计时需在底部设置排水拱涵，将来水导走，上部设置边坡及马道，弃渣场上、下游需设置混凝土挡土墙。这种处理方式经过边坡稳定计算、挡土墙稳定计算、水力学计算，结果满足规范要求，边坡安全稳定，设计合理可行。

关键词：边坡稳定计算；简化毕肖普法；摩根斯顿-普莱斯法；挡土墙稳定计算；库伦土压力法；水力学计算

1 工程概况

某抽水蓄能电站位于重庆市境内，距重庆市主城区公路里程约168km。上水库位于高岩沟，坝址以上集水面积1.90km²；下水库位于大麦沟，坝址以上集水面积233.40km²。

秦家河弃渣场布置于秦家河沟中游河段，该河沟长度大于4.00km。上游河段沟谷切深浅，建有两个小水库；中游河段沟谷深切呈“V”型，谷底宽度一般15.00m～20.00m，谷底平均坡降约8%～10%；下游河段沟谷坡降较大，分布有陡坎地形。弃渣场以上冲沟汇水面积约10km²，100年一遇洪水流量143.00m³/s。冲沟两岸主要为侵蚀-剥蚀地形，现为农田。其中，右岸主要为剥蚀台地，地形综合坡度约8°～10°；右岸高程620.00m～650.00m，为剥蚀斜坡，地形坡度约15°～20°；高程590.00m～620.00m之间为冲沟两侧陡崖或陡坡，平均地形坡度大于35°；冲沟内植被发育，沟底多见基岩出露。秦家河弃渣场沟底地形见图1-1。

图1-1 秦家河弃渣场沟底地形（从下游向上游看）

2 弃渣体设计及下游边坡稳定性分析

2.1 弃渣体设计

秦家河弃渣场设计堆渣量约332万m³，设计堆渣高程580.00m～660.00m，堆渣高度约80m。根据NB/T 35111-2018《水电工程渣场设计规范》^[1]和GB 51018-2014《水土保持工程设计规范》^[2]规定，确定秦家河弃渣场级别为1级，其建筑物为3级非雍水建筑物。

弃渣体初拟设计为：弃渣场上、下游及右侧设置混凝土重力式挡土墙，底部设置直墙圆拱形排水拱涵，周边设置等腰梯形排水沟。上游边坡坡比为1:2.50，一坡到顶；下游设置5级边坡，坡比均为1:2.50，设置4级马道，宽度5.00m；渣场中部（高程655.00m平台到高程660.00m平台）设置一级坡，坡比1:2.50。挡土墙采用C25混凝土，拱涵采用C25钢筋混凝土，边坡采用C25钢筋混凝土网格梁护坡，网格梁内植草，马道采用C25混凝土护面，排水沟采用C20钢筋混凝土。

2.2 计算工况及稳定标准

本弃渣场堆渣体稳定性分析选取最大坡高的剖面作为最不利计算剖面。计算工况分为2大类：正常运用工况（持久工况）和非常运用工况（暴雨工况、地震工况），采用简化毕肖普法（简称Bishop法）和摩根斯顿-普莱斯法（简称M-P法）计算。

（1）正常运用工况：

弃渣场在正常的条件下处于最终弃渣状态时，渣体无渗流或稳定渗流；荷载组合为自重+正常地下水。

（2）非常运用工况：

①弃渣场在连续降雨期，荷载组合为自重+暴雨工况地下水。

②弃渣场在正常工况下遭遇Ⅶ度以上（含Ⅶ度）地震，荷载组合为自重+正常地下水+地震荷载。

根据NB 35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》^[3]，秦家河弃渣场需按Ⅶ度地震设防，折减后基岩水平峰值加速度为0.025g。

根据规范^[1,2]，当采用简化毕肖普法和摩根斯顿-普莱斯法计算时，规定的抗滑稳定安全系数见表2.2-1。

表2.2-1 边坡抗滑稳定分析荷载组合和安全系数标准

2.3 计算软件、方法、模型及结果

弃渣场边坡整体稳定计算采用Slide软件，计算方法采用简化毕肖普法和摩根斯顿-普莱斯法。秦家河弃渣场1-1典型剖面见图2.3-1，CAD模型见图2.3-2，简化毕肖普法计算结果见图2.3-3～图2.3-5，摩根斯顿-普莱斯法计算结果见表2.4-1。

图2.3-1 秦家河弃渣场1-1典型剖面

图2.3-2 CAD模型

图2.3-3 正常工况计算结果（Bishop法）

图2.3-4 暴雨工况计算结果（Bishop法）

注：弃渣体参数系根据弃渣体压实度0.85取中间值，根据多次试算，边坡最小安全系数随内摩擦角的变化比较敏感，内摩擦角若取中间值19.00°，则计算出的结果不满足规范要求，考虑在下游下面2级边坡设置土工格栅，根据类似工程的经验，其内摩擦角提高至20.00°，提高1.00°后其余作用则作为安全裕度。

图2.3-5 地震工况计算结果（Bishop法）

2.4 计算结果分析

各工况边坡稳定计算结果见表2.4-1。

表2.4-1 秦家河弃渣场各工况边坡稳定计算结果

根据弃渣料和地基地质情况，通过边坡稳定计算，得出的最小安全系数均满足规范要求，说明考虑到下游下面2级边坡设置了土工格栅后，秦家河弃渣场设计可以满足安全稳定要求。

3 下游拦挡措施设计及稳定性验算

3.1 下游拦挡措施设计

秦家河弃渣场下游边坡坡脚处设置C25混凝土挡墙护脚，挡土墙采用重力式结构型式，长约37m，墙身高度8.00m，顶宽2.00m，挡土墙墙背坡比1：0.50，墙前坡比1：0.20，墙背后10.00m范围内选用透水性好的块石。

3.2 材料参数

块石及挡土墙C25混凝土材料参数见表3.2-1。

表3.2-1 秦家河弃渣场挡土墙及块石材料参数

3.3 挡土墙稳定性验算

挡土墙稳定性计算工具采用理正岩土软件中的挡土墙稳定计算模块，原理基于库伦土压力计算方法。

秦家河弃渣场挡土墙级别为3级，正常运用工况下挡土墙抗滑稳定安全系数为1.08，非正常运用工况下为1.00；正常运用工况下挡土墙抗倾覆安全系数为1.40，非正常运用工况下为1.30。计算结果见表3.3-1。

表3.3-1 秦家河弃渣场下游挡土墙稳定计算结果

根据挡土墙稳定计算成果，秦家河弃渣场挡土墙抗滑稳定和抗倾覆安全系数均能满足规范要求。

4 弃渣场底部排水设计

4.1 防洪及排水标准

秦家河弃渣场级别为1级，相应排水建筑物为3级，弃渣场防洪标准按100年一遇洪水考虑，相应洪水流量为143.00m³/s。

4.2 排水方式选取及尺寸设计

秦家河弃渣场采用拱涵排水方式，拱涵沿秦家河沟底布置，洞身全长约753m，横断面呈城门洞型，净断面尺寸初拟为5.00m×6.00m(宽×高)，顶拱中心角180.00°。

4.3 排水能力复核

秦家河弃渣场底部涵洞进口底板高程636.00m，出口底板高程578.00m，洞身全长约753m，底坡平均坡比7.70%。

根据规范规定和《水力计算手册（2006年第二版第七篇第一章第三节第321页）》^[5]，计算公式为：

Q=mσ_sb(2g)^0.5H^1.5 (式1)

式中，m取0.34，σ_s取1.00，b取5.00m，g取9.81m/s²，H为以涵洞进口断面底板高程起算的上游总水头。

秦家河弃渣场涵洞过流能力计算结果见表4.3-1。

表4.3-1 秦家河弃渣场涵洞过流能力计算结果

从表4.3-1可以看出：当设计流量Q=143.00m³/s时，对应的上游水位约为643.12m，上游水深约为7.12m，小于1.20h（1.20×6.00=7.20m），说明排水拱涵初拟尺寸（5.00m×6.00m(宽×高)，顶拱中心角180.00°）满足要求。

秦家河弃渣场涵洞设计断面计算结果见表4.3-2。

表4.3-2 秦家河弃渣场涵洞设计断面计算结果

根据SL 279-2016《水工隧洞设计规范》^[4]，对低速水流的无压隧洞，恒定流情况下，当通气条件良好时，净空断面面积（洞内水面线以上空间）不宜小于隧洞断面面积的15.00%（27.32-10.80=16.52>27.32×0.15=4.10），净空高度不应小于0.40m（6.00-2.16=3.84>0.40）。根据试算结果，拟定的排水拱涵断面尺寸（5.00m×6.00m(宽×高)，顶拱中心角180.00°）满足泄流要求。由于拱涵出口流速较大，需设置一座消力池。

5 结论

综上所述，初拟的设计方案并且结合弃渣场下游下面2级边坡设置土工格栅，经过边坡稳定计算、挡土墙稳定计算、水力学计算，结果满足规范要求。最终的设计方案为：

秦家河弃渣场设计堆渣量约332万m³，设计堆渣高程580.00m～660.00m，堆渣高度约80m。

弃渣场上、下游及右侧设置混凝土重力式挡土墙（上、下游混凝土挡土墙顶宽2.00m，高8.00m），底部设置直墙圆拱形排水拱涵（洞身全长约753m，净断面尺寸为5.00m×6.00m(宽×高)，顶拱中心角180.00°），出口设置1座消力池，周边设置等腰梯形排水沟。上游边坡坡比为1:2.50，一坡到顶；下游设置5级边坡，坡比均为1:2.50，设置4级马道，宽度5.00m；渣场中部（高程655.00m平台到高程660.00m平台）设置一级坡，坡比1:2.50，下游下面2级边坡设置土工格栅，高度上每1.00m设置1层。挡土墙采用C25混凝土，拱涵采用C25钢筋混凝土，边坡采用C25钢筋混凝土网格梁护坡，网格梁内植草，马道采用C25混凝土护面，排水沟采用C20钢筋混凝土。

参考文献：

[1] NB∕T 35111-2018 水电工程渣场设计规范[S].

[2] GB 51018-2014 水土保持工程设计规范[S].

[3] NB 35047-2015 水电工程水工建筑物抗震设计规范[S].

[4] SL 279-2016 水工隧洞设计规范[S].

[5] 李炜主编. 水力计算手册（第二版）[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.