水利樞紐工程建設是人類改造自然界的一種手段,通過開發利用水資源,實現水資源在時間上和空間上的重新分配,達到為國民經濟服務的目的。工程建成以后,可獲得較大的社會經濟效益和環境效益,如防洪、發電、灌溉、航運、水庫養殖、旅游等。
但在工程開發建設過程中,必然會擾動原地貌、損壞土地及植被、產生大量棄土石渣,造成新增水土流失,如不及時采取防治措施,將危害區域環境和威脅下游安全,從而在一定程度上制約國民經濟的可持續發展。因此,必須結合當地的實際情況,進行切實可行的水土保持方案設計,防治水土流失,為保護生態環境和工程安全服務。下面以該水利樞紐工程水土保持方案設計作為實例進行分析。
1 基本情況
1 . 1 項目區自然和社會環境概況
某水利樞紐工程位于吉林長春境內,該流域屬北半球中緯度北溫帶, 流域年平均降水量比較充沛,水資源較豐富,特別是上游山區,山高河陡,水能資源很也豐富。
全江段山嶺連綿, 森林茂密, 植被良好,河谷狹窄,江道彎曲,河底為石質,有巖坎、暗礁和深潭。工程區現有水土流失是以地表徑流沖刷引起的水力侵蝕為主,主要形式為面蝕,其次為溝蝕。水土流失強度為1286 t/km2·a,屬輕度流失區。
1 . 2 工程概況
該水利樞紐是以防洪、灌溉為主,兼顧發電、供水和航運等綜合利用的水利工程。
水庫正常蓄水位為65.00 m,防洪限制水位61.00 m,防洪高水位67.94 m,相應防洪庫容3.10×108 m3,調節庫容1.14×108m3,灌溉農田面積33 533.3 hm2,電站總裝機容量49.5 MW;提供工業和生活用水量1.0 m3/s;通航過壩設施按100 t級斜面升船機考慮。另外,為減少淹沒損失,對庫區4個片區采取工程防護措施。該水庫為大\\(二\\)型水庫,屬Ⅱ等工程。主要樞紐建筑物有:主壩、副壩、泄水建筑物、電站廠房、灌溉進水閘等。工程總工期42 個月。工程靜態總投資98835.78萬元,總投資101 605.36萬元。
2 水土流失預測
工程建設中產生的水土流失量主要由兩部分組成:一是由于工程擾動原地貌、破壞或占用土地及植被,使該范圍內土壤侵蝕加劇所造成的水土流失量;二是由于工程建設產生的大量棄渣不合理堆放而增加的水土流失量。該工程擾動原地貌、損壞土地及植被面積達2 310.14 hm2,工程施工期總棄渣量為55.06×104 m3\\(松方\\)。經采用類比法和數學模型法相結合的預測方法進行分析計算,該工程施工區將由原有的輕度水土流失區變為強度水土流失區,水土流失強度將由原來的1 286 t/km2·a增加到7000 t/km2·a,工程建設可能造成的水土流失量達8.91×104 t～9.41×104 t。
3 水土保持方案設計
3 . 1 水土流失防治分區
該水利樞紐工程占地面積共81.1 hm2,其中包括大壩、廠房等樞紐建筑物占地\\(17.5 hm2\\),棄渣場\\(29.4 hm2\\)、土料場\\(8.7 hm2\\)、石料場\\(2.4 hm2\\)、永久公路\\(4.8hm2\\)、施工臨時占地\\(18.3 hm2\\)。根據工程建設的特點、主體工程的布局、可能造成的水土流失情況以及工程建設用地范圍等,將工程水土流失防治劃分為6個防治類型區,即棄渣場、土料場、石料場、樞紐工程基礎開挖區、永久公路、施工臨時占地。
3 . 2 水土保持措施總體布局
根據各水土流失防治類型區的水土流失特點,遵循治理與防護相結合、植物措施與工程措施相結合、防治水土流失與改善生態環境相結合的原則,統籌布局各項水土保持措施,形成完整的水土流失防治體系:以工程措施為先導,在棄渣場建立攔渣工程,對各永久建筑物周邊、塊石料場及公路沿線等開挖邊坡采取邊坡防護工程;利用工程措施的控制性和速效性,使新增水土流失得以集中攔蓄和控制,在此基礎上,對料場、渣場利用工程棄土進行表土回填和覆土,經土地整治工程后采取植樹造林種草等植物措施進行綠化;對臨時施工區、廠區、公路沿線及庫區周圍等進行綠化,通過植物措施和土地整治工程,保護新生地表和改善生態環境,棄分發揮綠化工程的觀賞性和后效性,實現水土流失由被動控制到開發治理的轉變。
3 . 3 分區水土保持措施設計
3.3.1 棄渣場地水土保持措施
樞紐工程永久棄渣量為55.06×104 m3\\(松方\\),在右岸上下游和左岸下游共設布置有3個棄渣場。
\\(1\\)右岸上游棄渣場:位于壩址右岸上游1.5～2.0 km的一級階地,地面高程54～60 m\\(黃海高程\\),場地開闊,由于此棄渣場位于水庫淹沒區,其棄渣主要為石渣\\(堆渣量為22.96×104 m3\\),因此在水庫蓄水前將棄渣推平即可,水庫蓄水后其被淹沒,對水庫防洪不產生影響,也不會造成水土流失危害。
\\(2\\)右岸下游棄渣場:位于壩址右岸下游1.5km處的一級階地,地面高程57 m\\(黃海高程\\)左右,堆渣量為5.0×104 m3,因為該棄渣場位于河道邊,為防止棄渣造成水土流失危害,需在棄渣場臨河一側修筑攔渣工程,對棄渣進行攔擋。根據渣場的地形、地貌、地質、建材來源及施工條件,經過對攔渣堤和擋渣墻進行方案比選分析認為,采用衡重式漿砌石擋渣墻攔渣。擋渣墻為4級建筑物,全長426 m,墻高5.5 m,底寬3.3 m,頂寬0.5 m,基礎底部修筑一底板,厚0.5 m。墻體沿縱向每隔10～15 m設一道伸縮沉降縫,縫寬2 cm,縫內用瀝青麻布或瀝青木絲填塞,墻體縱向每隔2～3 m設置<75 mm的PVC排水管,墻內管口設置反濾。擋渣墻經穩定應力分析,符合規范規定的穩定要求。此外,棄渣場地所在地區集雨面積0.145 km2,24 h設計最大清水流量0.296 m3/s,為避免渣場上游匯水對渣場的沖刷影響,需在棄渣堆積平臺的內側修筑漿砌石排水溝,排水溝長468 m,斷面型式為梯形,邊坡系數m=1,粗糙系數n=0.014,底坡i=1/500,排水溝深h=0.6 m,下底寬b=0.5 m,上底寬B=1.7 m,在排水溝出水口設置漿砌塊石水簸箕,坡比為1∶2,采用M7.5水泥砂漿塊石砌筑,塊石厚度在20 cm以上,露明面用1∶3水泥砂漿勾縫,底部臥漿,單層鋪砌,土基應夯實,必要時按基底寬鋪設人工基礎。棄渣表面平整覆土后營造水土保持林,造林樹草種為濕地松、木荷、胡枝子、混合草種\\(百喜草、結縷草、狗牙根草等兩種或兩種以上混合\\),混交方式為喬灌草行間混交、濕地松與木荷星狀混交,即隔行每隔4株濕地松種植1株木荷,整地方式采用穴狀整地,濕地松和木荷穴大40 cm×40 cm×40 cm,胡枝子穴大20 cm×20 cm×20 cm,混合草種采用條播,播間距為30 cm。
\\(3\\)左岸下游棄渣場:位于壩址左岸下游1.5 km處的河漫灘地\\(砂料場旁\\),地面高程53 m\\(黃海高程\\)左右,場地開闊,堆渣量為27.7×104 m3。由于其地理位置的特殊性,在水土流失防治措施設計中采用了兩種方案進行比選,一種是在棄渣場臨河一側修筑漿砌石擋渣墻進行攔渣,但由于其地形、地質等因素,使工程造價較高,施工較為復雜,而且視覺上容易有突兀感,影響景觀,因此經分析比較后,選用第二種方案,即堆渣時將棄渣先臨時堆放于砂料場旁的灘地上,四周修筑臨時擋土墻進行攔擋,臨時擋土墻墻高1 m,由裝土草袋堆砌而成,取砂結束后將臨時擋土墻拆除,并將15×104 m3棄渣填于砂料場凹坑中\\(工程取砂量為15×104 m3\\),其余12.1×104 m3棄渣依就地勢堆墊于砂料場表面,平均堆高約0.63 m,坡度約1∶200。經分析,此處棄渣不影響河道行洪,棄渣經壓實后表面平整覆土并營造水土保持林,水土保持林的栽植行方向要順著規整流路所要求的導線方向,林帶與水流方向構成30°～45°角度,呈雁翅形造林。造林樹種為垂柳、黃梔子,混交方式采用行間混交,每隔2行黃梔子種植1行垂柳,垂柳株行距為4 m×6 m,黃梔子株行距1.5 m×2 m,整地方式為穴狀整地,垂柳穴大40 cm×40 cm×40 cm,黃梔子穴大20 cm×20 cm×20 cm。
3.3.2 土料場水土保持措施
土料場包括樞紐工程圍堰用土料場和副壩用土料場以及防護工程用土料場,其中圍堰用土料場有2個,副壩用土料場有1個,均位于庫區,水庫蓄水后將被淹沒;防護工程用土料場有10個,均分布于相應堤防附近。土料開采時剝離的表層棄土,先集中堆放在各土料場取料形成的工作臺面,土堆堆置高度不超過3 m,堆置邊坡坡比控制在1∶2.0以內,在土堆邊坡坡腳修筑裝土草袋成臨時擋土墻進行擋土,土料開采結束后進行表土回填,回填厚度0.3～0.5 m。
對防護工程用土料場還應根據土料場的地形及料場來水情況,在料場采挖面內設置土質排水溝,并與料場周邊排水系統相銜接,形成完善的排水系統。排水溝邊坡系數m取值1.25,糙率n取值0.0275,底坡i取值1/600。土料場經土地整治后復耕還農。
3.3.3 石料場水土保持措施
石料場包括樞紐工程用石料場和防護工程用石料場,其中樞紐工程用石料場有2個,分別位于壩址左岸上游0.3～0.6 km處和壩址右岸上游0.8 km處;防護工程用石料場也有2個,均分布于堤防附近。石料開采時剝離的無用層棄土,集中堆放在各石料場取料形成的工作臺面,四周用裝土草袋建臨時擋土墻進行攔擋,石料開采結束后進行表土回填,回填厚度2 m,營造水土保持林草,造林樹草種采用濕地松、木荷、胡枝子、百喜草和狗牙根草等混合草種,混交方式為喬灌草行間混交,濕地松與木荷星狀混交,穴狀整地,規格為濕地松和木荷穴大40 cm×40 cm×40 cm,胡枝子穴大20 cm×20 cm×20 cm,混合草種采用播間距為30 cm的條播方式。
3.3.4 樞紐工程基礎開挖面防護措施
樞紐工程基礎開挖面在工程完工后大部分被大壩、消力池、護坦等永久建筑物覆蓋,在主壩與山體的連接處有部分開挖面在工程完建后仍會裸露,需作好開挖面防護。樞紐工程土方開挖后的邊坡裸露面積約150 m2,坡比小于1∶1.5,根據其立地條件,這部分邊坡裸露面撒播百喜草、狗牙根、馬尼拉草、結縷草、高羊茅、草地早熟禾、多年生黑麥草等混合草籽進行種草護坡,混合草種采用撒播,用耙或耱等方法覆土鎮壓,覆土厚度0.5～1 cm,播種量為15kg/hm2;樞紐工程石方開挖后的巖石邊坡面積約400 m2,這部分邊坡裸露面因表面為基巖,無法直接恢復植被,可采取種植爬山虎或常青藤等攀巖植物進行綠化,爬山虎或常青藤為單行種植,每穴1株,株距1 m,穴狀整地規格為20 cm×20 cm×20 cm。
3.3.5 永久公路綠化措施
永久公路包括上壩公路0.2 km、進廠公路0.18 km、至副壩公路4.5 km及時對外公路4.7 km。在公路的內側,開挖后的裸露面因表面多為基巖無法直接恢復植被,因此采取種植爬山虎或常有藤等攀巖植物進行綠化;在公路的外側,裸露面多為回填的土石方,可在碾壓平整后,在路邊種植行道樹,采用樹種為杉樹,單行種植,株距3 m,穴狀整地規格為40 cm×40 cm×40 cm;對于填方邊坡,采用撒播生長快的百喜草、狗牙根等草籽進行綠化。
3.3.6 施工臨時占地區水土保持措施
施工臨時用地主要分布于沿河道兩岸。對終止使用的施工場地,進行土地平整,營造水土保持林,造林樹種為垂柳、黃梔子,采用行間混交方式,每隔2行黃梔子種植1行垂柳,垂柳株行距4 m×6 m,黃梔子株行距1.5 m×2 m,穴狀整地規格為垂柳穴大40 cm×40 cm×40 cm,黃梔子穴大20cm×20 cm×20 cm。
4 結論
該水利樞紐工程水土保持總投資為1039.94萬元,各項費用包括水土保持設施補償費346.12萬元、工程措施449.91萬元、植物措施83.85萬元、臨時工程93.13萬元、獨立費用46.72萬元、預備費20.21萬元。水保方案實施后,工程建設損壞的植被面積除淹沒和建筑物占地外,大部分可以有效恢復,工程開挖、填筑及棄渣等形成的裸露面將基本上由植被覆蓋,預計植被覆蓋率在工程完工后可達到90%;擋渣墻等工程措施可防止棄渣崩塌、滑坡等危害發生,防止泥沙進入河道產生淤積,減輕洪澇災害等不利影響。工程區土壤侵蝕模數由7 000 t/km2·a減少至500 t/km2·a,水土流失治理度達到95%,生態環境效益和社會效益十分顯著。
總之,水利樞紐工程建設雖然涉及范圍廣,開挖動土面多,對當地的水土保持會帶來一定影響,但只要根據工程建設的特點,切實做好水土保持設計工作,通過水土流失防治點、線、面相結合的總體布局,因地制宜地采取攔渣、護坡、土地整治及綠化等各項水土流失防治措施,就能有效控制人為新增水土流失,并治理工程區原有水土流失,使泄入下游河道泥沙顯著減少,保障工程安全,改善當地生態環境,形成工程建設和生態環境治理協調發展的良性循環。
參考文獻
[1] 溫存,郭明凡.石油管道類工程建設水土保持方案設計——以南寧—百色成品油管道工程為例[J].科技資訊,2009\\(20\\).
[2] 呼運平.萬家寨引黃一期工程水土保持監測分析研究[J].科技創新導報,2007\\(6\\).
[3] 劉軍號,胡明月.安徽省重點洼地治理工程水土保持方案分析[J].安徽水利水電職業技術學院學報,2006\\(3\\).
[4] 張學文.高速公路建設對黃土高原溝壑區水土保持生態環境的影響研究[J].甘肅水利水電技術,2008\\(7\\).
[5] 鄒文祥.黃河積石峽水電站水庫淹沒區等級公路改建工程水土保持方案設計[J].科技資訊,2010\\(5\\).
[6] 金光云,高玉華.雞東灌區水土保持監測技術示例[J].黑龍江水利科技,2009\\(2\\).
[7] 陶皎蛟.保航快速干道水土保持設計[J].北方交通,2011\\(8\\).
[8] 周瑩,林洪孝,姜瑞雪,等.膠東調水工程新增水土流失預測與防治措施[J].人民黃河,2008\\(4\\).
