黔中水利枢纽一期工程渠线区水土保持设计难点分析

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

黔中水利枢纽一期工程渠线区水土保持设计思路
 
作者姓名：吴平     周宗敏       阮正      宁杨
作者工作单位：贵州省水利水电勘测设计研究院
单位地址：贵州省贵阳市宝山南路27号，贵州省水利水电勘测设计研究院环境保护处
邮政编码：550002
摘要：在当前扩大内需的宏观经济形势下，国家加大了对水利等基础设施的投资力度，作为贵州省最大的水利工程—黔中水利枢纽一期工程，其建设已提上议事日程。该工程由水源区和渠线区组成，从水土保持角度而言，渠线区为典型线性工程，东西横跨贵州省中部150km，南北纵横长江、珠江流域，涉及区域广，水土流失生态因子差异大，渠系建筑物众多，水土保持设计难度大，一旦发生水土流失则影响面广、危害严重，因此能否做好渠线区的水土保持措施，将直接关系到整个工程水土流失防治工作的成败。本文通过总结渠线区的水土保持设计经验，提出“必须树立以线为主、点线结合的思想，并从典型设计入手，才能全方位把握水土流失防治要点”。
关键词： 渠线区    线性工程    水土保持  
1概述
1.1工程概况
 黔中水利枢纽工程是以灌溉和城乡供水为主、兼顾发电的综合利用水利工程，是西部大开发中贵州水利建设的标志性工程，也是贵州最大的水利枢纽工程。工程分两期建设，其中一期工程拟解决贵阳市区2020年前城市供水，及7县42个乡镇51.17万亩耕地灌溉、5个县城和27个乡镇供水、35.0万人和31.5万头大牲畜饮水，总净/毛用水量3.94/5.76亿m³，总投资55.91亿元。在当前国家扩大内需的宏观经济形势下，2008年11月国家发改委批准立项建设黔中水利枢纽一期工程。
 黔中水利枢纽一期工程分为水源区和渠线区两大部分。
 水源工程—平寨水库位于长江流域乌江干流三岔河平寨河段，总库容10.92亿m³，最大坝高162.7m，坝顶长362m。
 渠线分布在贵州省中部的10个县市，渠线由总干渠、桂松干渠、总干支渠、桂松支渠4部分组成，主要有渠道、隧洞、渡槽、倒虹管和泵站等渠系建筑物。干、支渠总长432km，其中渠道总长317km、隧洞总长67km、渡槽总长44km、倒虹管总长4km。
1.2方案批复情况
 2008年12月，贵州省水利水电勘测设计研究院编制完成《黔中水利枢纽一期工程水土保持方案报告书》，2009年1月水利部水利水电规划设计总院在贵阳市，主持召开了方案技术评审会，方案获顺利通过。2009年5月，水利部对《方案报告书》进行了批复。
2渠线区水土保持设计难点
   经预测，渠线区可能产生的水土流失量为19.35万m3、新增水土流失17.84万m3，水源枢纽区产生水土流失量为3.59万m3、新增水土流失2.82万m3，即渠线区水土流失量和新增流失量分别是水源枢纽区的5.4倍、6.3倍，渠线区是本水利工程的水土流失防治重点和难点。
2.1跨度大、生态因子多变
 渠线区东西横跨贵州省中部150km，由西向东依次穿越六盘水市的六枝特区、水城县，安顺市的西秀区、平坝县、普定县、镇宁县、关岭县，黔西南州的长顺县，毕节地区的织金县、纳雍县等，共计4市（地区、州）、10个县（市、区）。南北纵横长江、珠江流域，最长跨度达90km。
 区内地势总体为西面高、中部低，受侵蚀、岩溶影响，地貌有岩溶中山沟谷、峰丛洼地、残丘坡地、弱切割中山、峰林谷地、溶丘洼地、剥蚀侵蚀丘陵等。因地质、地形和气候条件的复杂性，土壤类型也极为复杂，有黄壤、山地黄棕壤、石灰土、紫色土以及水稻土等多种土类。该区地带性植被均为亚热带常绿阔叶林，但森林覆盖率变化大，南部六枝特区最低达20.17%，北部织金县最高达38.2%。据1999年国家卫星遥感水土流失航片成果，渠线区涉及的10个县市中，水土流失最轻的安顺市，侵蚀面积比22.63％，水土流失最重的是毕节地区纳雍县，侵蚀面积比64.67％。
2.2渠系建筑物类型多
 渠线由总干渠、桂松干渠、总干支渠、桂松支渠4部分组成，主要有渠道、隧洞、渡槽、倒虹管和泵站等渠系建筑物。干渠分为总干渠和桂松干渠，总干渠和桂松干渠下共有支渠25条。干、支渠总长432.242km，其中总干渠渠道总长29.753km，桂松干渠渠道长46.919km，总干支渠渠道长120.2km，桂松支渠渠道长120.02km，隧洞总长66.762km、渡槽总长42.400km、倒虹管总长3.088km。
 （1）渠道区
 渠道包括明渠及暗渠，除桂松干渠有4.25km为暗渠外，其余均为明渠。
 明渠以旁山渠道为主，梯形窄深式断面，多为挖方渠道和半挖半填渠道，局部段也有填方渠道。渠道断面宽高比β=0.7~0.8。
 由于地形、地质等原因，部分渠道只能采用暗渠。暗渠主要作用为连接相邻隧洞，其断面与隧洞基本相同，为城门洞型。
 （2）隧洞区
 隧洞采用无压、城门洞型。干支渠共有隧洞73座，隧洞总长66.762km，其中总干渠隧洞16个、长20.185km，桂松干渠隧洞37个、长32.847km，总干渠支渠隧洞9个、长9.76km，桂松干渠支渠隧洞11个、长3.97km。隧洞断面尺寸宽3.1～3.7m，高2.235～4.843m。
 （3）渡槽区
 本工程涉及渡槽类型较多，高大跨渡槽以连续刚构渡槽为主，低矮渡槽多为排架式渡槽，另还有箱型拱式渡槽、拱排式渡槽、连续梁式渡槽、空心重力墩式渡槽。
 槽身横断面型式主要为矩形和U形。连续刚构式渡槽槽身断面选择矩形，拱排式渡槽槽身断面采用水力条件较好的U形断面。
 干、支渠上渡槽共157座，渡槽总长42.400km，其中总干渠渡槽32座、长13.375km，桂松干渠渡槽16座、长4.205km，总干支渠渡槽68座、长15.4km，桂松干渠支渠渡槽41座、长9.42km。
 （4）倒虹管区
 倒虹管采取地下敷设方式。干、支渠上倒虹管共6个、总长3.088km。
 （5）泵站区
 泵站共10座，干渠上有2座，支渠上有8座。主体设计选取干渠上的革寨1#、2#两座泵站作典型设计。
 1#泵站主厂房为地面式，主厂房平面设计尺寸71.9×15m，副厂房平面尺寸30.75×27.3m，泵站出水管道垂直于主厂房布置，出水管道采用埋管式压力钢管和钢筋混凝土管。
 2#泵站主厂房为地面式，主厂房平面尺寸71.9m×15m，副厂平面尺寸27.3m×31.23m。泵站出水管道垂直于主厂房布置，出水管道采用埋管式压力钢管和钢筋混凝土管。
2.3要求高、标准严
 从水土流失防治区的角度分析，渠线区地处贵州省水土流失重点治理区和重点监督区，属于国家级乌江赤水河上中游重点治理区和珠江南北盘江重点治理区，执行建设类一级防治标准。
 从区域水土保持生态功能重要性分析，渠线区的水系如乌江南源三岔河、乌江支流猫跳河及南明河、北盘江支流打邦河、王二河等，均是贵州省的重要江河。以三岔河为例，其干流全长325.6km，天然落差1397.91m，流域面积7264km2，流域内水系发育，支流众多，呈羽毛状分布，主要的一级支流有17 条，集水面积在100km2以上的支流有阿勒河、干田河、歹阳河、波玉河等11条，其中阿勒河与歹洋河集水面积均在500km2以上，目前三岔河干流已建梯级电站4座，在建的有4座，正在设计兴建的梯级电站4座。渠线区下游将进入红枫湖、松柏山水库、花溪水库等水源保护区，以红枫湖为例，在非主灌期从桂松干渠麻杆寨渡槽进口桩号处，下放到麻线河进入红枫湖水库，然后向贵阳供水。红枫湖是贵州省中部最大的人工湖，于1960年建成，集水面积1596 km2，库容6.1亿m3，湖水面积57.2km2，红枫湖既是国家级风景名胜区，亦是贵州省省会贵阳市重要的饮用水源保护区，一旦上游产生水土流失事件，将对下游的水源保护区造成水质污染，直接影响贵阳市供水。
 综上所述，整个渠线区的水土保持生态功能十分重要，必须严格执行建设类项目一级防治标准，以保护好工程区的生态环境。
 渠线区雨量丰沛，多年平均降雨量均超过800mm，原地貌侵蚀强度总体为轻度，因此水土流失总治理度、林草植被恢复率、林草植被覆盖率绝对值向上调整2，土壤流失控制比向上调整为1，即在考虑地区差异后，对这五项指标提出了更严格的要求。经调整，渠线区设计水平年水土流失防治目标为：扰动土地治理率95%、水土流失总治理度97%、土壤流失控制比1、拦渣率90%、林草植被恢复率99%、林草植被覆盖率27%。
3渠线区水土保持设计思路
 为合理布设水土保持措施，并分区作典型设计、统计工程量，将渠线区分为渣场、渠道、隧洞、渡槽、倒虹管及泵站共六个防治亚区。因各区的临时防护措施设计思路基本相同，下文只在渡槽区进行了详细叙述，其余各区不再重复。
3.1渣场区
3.1.1土石方平衡
 本工程渠道、隧洞、渡槽、倒虹管及泵站各亚区的挖方均大于填方，所需填方料无论是质还是量，均可以利用本区的挖方料解决。因此，各亚区之间无土石方调配，也不需外借土石方。经土石方平衡后，开挖总量591.36万m3，回填总量126.84万m3，共产生弃渣464.5万m3。
3.1.2弃渣分布特点
 与点式工程——水源区相比，渠线区弃渣总体为线性、分散分布。
 单位长度各渠系建筑物弃渣产生量分别是:总干渠26m3/m、桂松干渠21 m3/m、总干支渠2.9 m3/m、桂松干支渠2.6 m3/m，隧洞20m3/m，渡槽7 m3/m，倒虹管33 m3/m。
 从上述可知，虽然渠线区弃渣为线性分布，但单位长度弃渣量并不小，在2.6—33 m3/m之间，难以就地消纳，如果沿线无序堆放，则会形成带状“疤痕”，影响景观。因此考虑对弃渣采取集中定点处置方式，虽然在一定程度上增加了运距，但对沿途景观破坏小、并且容易集中布设水土保持防护措施。
3.1.3渣场规划
 （1）渣场选择原则
 首先是少占耕地资源，渣场上游集水面积小，周边无公共设施、工矿企业、居民点等重要保护对象。
 其次是控制渣场数量和运距。要求在具体施工时，填筑材料优先考虑利用开挖料，尽量做到自我平衡，减少弃渣量和渣场个数。运渣距离一般控制在1km以内，确保集中堆渣方案的可操作性。
 第三是所选渣场能够充分利用当地机耕道或者渠线区的施工便道，尽量避免新建运渣公路。
 （2）渣场设置
 根据上述渣场选择原则，渠线区共规划了420个渣场，其中窄沟型渣场81个、宽沟型渣场22个、中坡型渣场45个、缓坡型渣场243个、天然凹地型渣场29个。各渣场大多位于出渣较多的隧洞进、出口附近，以及渠道两侧500范围内。
3.1.4代表性渣场选择原则
 因渠线区涉及渣场个数众多，不可能在方案报告书阶段对其一一进行设计，因此在上述五类渣场中，各选择代表性渣场作典型设计，并以此推算工程量。然而工程量估算能否接近实际，与是否合理选择代表性渣场关系密切。
 本方案在选择代表性渣场时，主要考虑了如下因素：1）堆渣库容适中，能反映该类型渣场的平均水平；2）地形、地质、上游区间来水等条件一般化，确保设计的水土保持措施具有可比性。
 根据上述原则，分别在五类渣场中选出了5个渣场作典型设计。
3.1.5典型设计
3.1.5.1 冲沟型渣场
 将冲沟型渣场进一步细化为窄沟型、宽沟型两大类。与坡型、凹地型渣场相比，窄沟型、宽沟型渣场集雨面积较大，均具有上游汇流集中的特点，但由于在微地形条件上存在一定差异，两者宜分别作典型设计。
 从地形上来看，窄沟型渣场为“V”字型谷，两侧基本对称。沟口狭窄，坡度较陡，受雨水冲刷严重，沟内覆盖层较薄，局部基岩裸露，覆盖层厚度一般小于2.0m。考虑在沟口设置砌石重力式拦渣坝，在堆渣边界设排洪沟截洪，截洪后由拦渣坝左右两侧排至冲沟下游。渣体堆放在坝顶以上按1：2削坡，高差约10m处设2m宽马道，坡面采用M7.5砌石框格护坡，框格中间撒播三叶草籽，形成综合护坡，堆渣结束后在渣面撒播三叶草籽。
 从地形上看，宽沟型渣场为“U”字形，两侧一般不对称。冲沟内覆盖层一般较深、大于2m，如果修筑重力坝，则坝基开挖较深、工程量大。因此考虑在沟口修建碾压堆石坝。排洪沟、综合护坡、渣面绿化等设计思路同窄沟型渣场。
3.1.5.2坡型渣场
 与冲沟型渣场相比，坡型渣场的最大特点是上游汇流不集中、集雨面积偏小。坡型渣场可进一步细分为陡坡型、缓坡型两大类。
 陡坡型渣场坡度一般大于250，基岩裸露，覆盖层厚度小于1.0m。因上游无集中汇流区，采用重力式挡渣墙实施拦挡。在堆渣边界设排洪沟截洪，截洪后由拦渣坝左右两侧排至冲沟下游。渣体堆放在坝顶以上按1：2削坡。综合护坡、渣面绿化等设计思路同冲沟型渣场。
 缓坡型渣场坡度一般在50—250之间，地形平缓开阔，覆盖层厚1.0～3.0m。集雨面积很小（一般小于0.05km2），汇流分散，坡面径流对堆渣体的影响很小，故不作防洪设计。渣场地形平缓，渣量不大，堆渣高度一般约4m，不会产生重大安全隐患，因此缓坡渣场不考虑设置挡墙。堆渣边坡按1：4削坡，堆渣结束后在渣面撒播三叶草籽。
3.1.5.3天然凹地型渣场
 天然凹地四面环山，渣体堆放在天然凹地内，不会发生滑塌等现象，不设置拦挡、排洪措施。堆渣结束后对渣面进行植被恢复。
3.2渠道区
3.2.1工程措施
 从水土保持角度，将渠道区细化为半挖半填段、全挖方段、全填方段。
 半挖半填段，在挖方段上边坡设置仰斜式挡墙。为排除挡墙后的积水，在墙体内布设排水孔，水平间距一般2m，上下间距0.6m，孔径10cm，以梅花状分布为宜。为防止填方边坡土石滑塌，考虑在填方坡面用C15混凝土框格护坡，为减少坡面径流对边坡的冲刷，将框格设计为截水型，框格成正方形，框格条边距3m，每个框格条上设宽25cm，高10cm的截水边，在框格内铺设草皮，形成综合护坡。在山区修建旁山渠道时，地形坡度较大，上边坡来水含沙量较大，为了避免泥沙进入渠道，考虑在渠道挖方边坡内侧每5m高设1.0m宽戗道，并在戗道内侧设0.3×0.3m的排水沟，用于拦截坡面来水，然后经过合适的位置，排入渠道下边坡。
 全挖方段，在渠道的两侧挖方段，对挖方边坡设挡墙，挡墙设计思路同半挖半填段。为了避免泥沙进入渠道，考虑在渠道两侧挖方边坡每5m高设1.0m宽戗道，并在戗道内侧设0.3×0.3m的排水沟，用于拦截坡面来水。
 全填方段，为防止填方边坡土石滑塌，考虑在两侧填方坡面用C15混凝土框格综合护坡。
3.2.2植物措施
3.2.2.1护坡绿化
 结合当地立地条件，在C15混凝土框格护坡的框格内满铺狗牙根草皮。
3.2.2.1上边坡绿化
 （1）上边坡为坡耕地治理区
 在渠道经过上边坡为坡耕地的地段，水土流失严重，对渠道的危害极大。为防治周边水土流失对渠道造成影响。在渠道上边坡侧密植灌木林带，林带宽3～5m。选用低矮灌木大叶黄杨，品字型等高排列，株距0.3m。待苗木生长稳定后，在空闲裸露地撒播三叶草，撒播密度为12g/m2。
 （2）上边坡为非耕地治理区
 根据占压地类、土壤情况、地形地貌等生长条件进行造林布置。
 占地类型以林地、灌林地为主的地段，土层较厚，土壤养分充足，适合高大乔木的生长：1）在渠道两边较瘠薄的地段，株间混交马尾松、杉木，株行距4×4m，品字型等高排列；2）在渠道两边土层较深厚的地段，株间混交大叶女贞、刺槐，株行距3×3m，品字型等高排列3）在渠道两侧土层浅薄不宜栽植深根系高大乔木的地段，带状混交大叶黄杨、茅栗，两者为浅根系植物，根系横向扩展，株行距1×1m，品字型排列；4）在沿线平缓地段，种植慈竹纯林，其根系横向平展，对表层土能起到很好的水土保持作用，慈竹间距2×2.5m，品字型排列。
 占地类型以荒草地为主的地段，采用如下混交林方式：1）在坡度10～20°的地段，株间混交栓皮栎×马桑乔灌混交林，栓皮栎株距2.5m，行距3m，定植点矩形排列。马桑间植于栓皮栎中，间距2.5×3m。2）在20°以上的地段，带状混交杜鹃×刺梨，株行距0.5×0.75m，品字型等高排列。3）在10°以下地段，移栽毛竹纯林，间距2m×2m，品字型等高排列。
 待苗木生长稳定后，在空闲裸露地撒播三叶草。
3.3隧洞区
 隧洞为地下建筑物，地表的水土保持措施相对较简单，主要考虑隧洞进、出口部位。
 出于对自身安全的考虑，主体设计对洞口开挖面采取喷砼或锚杆加固，防止坍塌和水土流失，因此方案仅补充截排水工程。在洞口上方及周边修建截排水沟，过水断面尺寸为深0.5m，底宽0.4m，顶宽0.6m。
 施工结束后在洞口空闲裸露地种植香根草，密度为12g/m2。
3.4渡槽区
3.4.1临时措施
 鉴于该区建筑物布置和地形的特殊性，水土保持措施主要以施工临时防护措施为主。
 （1）编织袋拦挡
 施工弃渣在转运到渣场前，将临时堆放在渡槽两端和渡槽支撑周边，需采用编制袋进行临时拦挡。具体操作程序为：开挖的土方装袋后，就地拦挡施工开挖料，待回填时再拆袋，多余的土方在施工结束后拆除，用作项目区绿化覆土。拦挡尺寸一般高0.6m、宽1.0m。
 （2）临时截排水沟
 在渡槽两端、渡槽支撑周边开挖土渠，以临时疏导雨水和减小坡面径流对开挖面的冲刷。由于施工时间较短，采用简易沟道，过水断面为梯形断面，顶宽0.5m，底宽0.3m，深0.2m。
3.4.2植物措施
 在渡槽支撑周边征地范围内，行间混交刺梨、紫穗槐，混交株距0.5m，行距0.75m。
 在渡槽两端：1）在土层较深厚的地段，株间混交大叶女贞×刺槐，株行距3×3m，品字型等高排列；2）在土层浅薄不宜栽植深根系高大乔木的地段，带状混交大叶黄杨×茅栗，两者为浅根系植物，根系横向扩展，株行距1×1m，品字型排列。
 施工结束在空闲裸露地，栽植香根草。
3.5倒虹管区
 倒虹管主要沿地面敷设，部分管线为地埋式。与渡槽区一样，水土保持措施主要以施工临时防护措施为主，设计思路同渡槽区。
 施工结束后，在空闲裸露地栽植香根草
3.6泵站区
3.6.1工程措施
 受场地影响，在挖方区易诱发工程滑坡，为确保边坡稳定，挖方需采用放坡减载、挡墙等措施。在施工过程中遵循“从上到下、分级开挖、分段支护”的原则。
 对填方边坡采用仰斜式挡墙进行拦挡。为防止边坡土石滑落，考虑在坡面用C15混凝土框格护坡，护坡厚度0.3m，同时为减少坡面径流对边坡的冲刷，将框格设计为截水型，在框格内铺设草皮形成综合护坡。
 在泵站区周边和场地内修建截排水沟，过水断面尺寸为深0.5m，底宽0.4m，顶宽0.6m。截排水沟采用M7.5浆砌片石衬砌和M7.5砂浆抹面，厚分别为0.3m、0.02m。
3.6.2植物措施
 在C15混凝土框格护坡的框格内满铺狗牙根草皮，能够在最短的时间取得良好的水土保持效益。
 施工结束后，在泵站区征地范围边界栽植小叶黄杨作为绿篱，单排栽植，间距0.4m。栽植三角梅，低矮灌木，品字型等高排列，株距0.5m。
 泵站内还可因地制宜考虑下述绿化、美化措施：1）杜鹃×迎春，带状混交，株行距0.5×0.75m，品字型等高排列；2）香樟×广玉兰，株间混交，株行距3×3m，品字型等高排列。零星种植桂花；3）慈竹纯林，间距2×2.5m，品字型排列。
 待苗木生长稳定后，在空闲裸露地撒播三叶草。
5 结语
 水利工程一般由水源区、渠线区组成。从水土保持角度，水源区为点式工程，水土流失部位较集中，易于采取集中防治措施，而渠线区为典型线性工程，涉及区域广，局地气候特征变化大，穿越的地形复杂多变，水土流失生态因子差异大，渠系建筑物类型多，野外踏勘工作繁重，水土保持设计难度大，一旦发生水土流失则影响面广、危害严重，因此能否做好渠线区的水土保持措施，将直接关系到整个工程水土流失防治工作的成败。在渠线区水土保持设计中，必须树立以线为主、点线相结合的思想，并从典型设计入手，才能全方位把握水土流失防治要点。