水電工程復(fù)合型棄渣場(chǎng)水土保持設(shè)計(jì)探討

吳 偉，杜運(yùn)領(lǐng)

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014)

截至“十一五”期末，我國(guó)的水電裝機(jī)容量達(dá)到2.16億kW，占全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總量的22.3%，水電的大力開(kāi)發(fā)對(duì)節(jié)能減排和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整起到了重要作用。通過(guò)長(zhǎng)期的探索和實(shí)踐，我國(guó)的水電開(kāi)發(fā)事業(yè)在取得重大發(fā)展的同時(shí)，開(kāi)發(fā)的理念也逐漸發(fā)生著轉(zhuǎn)變，從單純注重經(jīng)濟(jì)效益轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益兼顧，從單一追求科技進(jìn)步轉(zhuǎn)變?yōu)榭萍?、社?huì)進(jìn)步同追求并與生態(tài)文明建設(shè)相統(tǒng)籌。

水電工程開(kāi)發(fā)和建設(shè)具有棄渣場(chǎng)選擇困難、棄渣量較大、棄渣的水土流失危害較大等特點(diǎn)[1]。目前，由于對(duì)棄渣主要采取的處理措施為設(shè)置棄渣場(chǎng)集中堆置并加以防護(hù)，所以棄渣場(chǎng)的水土保持設(shè)計(jì)是水電工程水土保持設(shè)計(jì)的重中之重。由于水電工程施工總布置規(guī)劃的單個(gè)棄渣場(chǎng)的棄渣量往往達(dá)幾百萬(wàn)方，堆渣高度超過(guò)百米，加之受地形、地質(zhì)條件限制，在選擇渣場(chǎng)時(shí)往往涉及水庫(kù)淹沒(méi)、不良地質(zhì)災(zāi)害等不利條件，這更是給棄渣場(chǎng)的水土保持設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1 復(fù)合型棄渣場(chǎng)概念的引入和類(lèi)型劃分

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目棄渣場(chǎng)基本都是按照棄渣場(chǎng)地的地形條件及與河(溝)的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行劃分的。依據(jù)目前常見(jiàn)的分類(lèi)方法，可將水電工程棄渣場(chǎng)分為溝道型、臨河型、坡地型、平地型和庫(kù)區(qū)型等5類(lèi)[2]，其中：溝道型棄渣場(chǎng)按照棄渣堆放在溝道中的具體位置和與溝水相對(duì)位置關(guān)系的不同，又可細(xì)分為攔溝型、順溝型和填溝型3類(lèi)[3]；庫(kù)區(qū)型棄渣場(chǎng)按照棄渣堆置高程與水庫(kù)正常蓄水位、死水位的相對(duì)關(guān)系，又可細(xì)分為庫(kù)面型、庫(kù)中型和庫(kù)底型3類(lèi)[1]。

水電工程往往棄渣總量巨大，主要棄渣場(chǎng)規(guī)劃的堆渣量和占地面積也較大，尤其是對(duì)堆渣量超過(guò)300萬(wàn)m3、堆渣體最大高度大于150 m的特大型棄渣場(chǎng)[4]，其規(guī)劃布置受水電工程常見(jiàn)復(fù)雜地形地質(zhì)條件的限制，所屬類(lèi)型并非單一，且可能按照目前常見(jiàn)的分類(lèi)方法劃定的類(lèi)型不具有代表性。例如，金沙江下游河段規(guī)劃的白鶴灘水電站樞紐工程棄渣總量(松方)近1億m3，規(guī)劃在庫(kù)區(qū)兩岸溝道內(nèi)布置兩個(gè)4 000萬(wàn)m3的棄渣場(chǎng)，堆渣高度均超過(guò)200 m，占地面積均超過(guò)100 hm2，堆渣施工期近10年。按照目前常見(jiàn)的分類(lèi)方法，應(yīng)劃分為庫(kù)區(qū)型，但因其堆渣占用金沙江左右岸主溝道、溝口沖洪積臺(tái)地和主河道兩岸河灘地，故又具有溝道型、坡地型和臨河型的特征。值得注意的是將水庫(kù)蓄水后，渣場(chǎng)大部分會(huì)被淹沒(méi)在庫(kù)區(qū)內(nèi)，危害性反而有所降低。因此，該棄渣場(chǎng)具有的溝道型、坡地型和臨河型更具有代表性，而庫(kù)區(qū)型反而成為次要類(lèi)型?？蓪⒋祟?lèi)具有多種堆渣地形特征的棄渣場(chǎng)稱(chēng)為堆渣地形復(fù)合型棄渣場(chǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對(duì)其代表性堆渣地形特征進(jìn)行水土流失防治。

根據(jù)地形條件對(duì)棄渣場(chǎng)進(jìn)行單一類(lèi)型的劃分往往不能全面反映棄渣場(chǎng)的特征，例如，在抽水蓄能電站中，由于上下庫(kù)主壩壩后區(qū)域一般不考慮布置廠房等建筑物，為了使施工布置更加緊湊，往往將主壩壩后場(chǎng)地規(guī)劃為棄渣場(chǎng)，這樣做既減少了工程占地，又縮短了棄渣運(yùn)距，降低了工程造價(jià)。在水土保持設(shè)計(jì)中，除了根據(jù)棄渣場(chǎng)所處的地形條件采取常規(guī)防護(hù)措施外，尚需考慮主壩壩后排水、滲流監(jiān)測(cè)、壩區(qū)景觀等需要，采取有針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案。此類(lèi)棄渣場(chǎng)按照目前常見(jiàn)的分類(lèi)方法一般劃分為溝道型或坡地型，這樣勢(shì)必?zé)o法反映因壩后棄渣這個(gè)特殊位置所具有的特征?？蓪⒋祟?lèi)位置特殊的棄渣場(chǎng)稱(chēng)為特殊位置復(fù)合型棄渣場(chǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意針對(duì)所處特殊位置而具有的特征進(jìn)行水土流失防治。

新水土保持法對(duì)棄渣綜合利用提出了更高的要求，僅在不能綜合利用確需廢棄時(shí)才可設(shè)置棄渣場(chǎng)集中堆置并加以防護(hù)。因此，在規(guī)劃水電工程棄渣場(chǎng)時(shí)除了滿(mǎn)足單一堆渣要求外，應(yīng)盡可能地結(jié)合滑坡體、變形體等地質(zhì)災(zāi)害治理、渣頂平臺(tái)施工場(chǎng)地布置、造地等加以綜合利用。可將此類(lèi)具有綜合利用效益的棄渣場(chǎng)稱(chēng)為綜合利用型棄渣場(chǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合綜合利用的要求對(duì)棄渣場(chǎng)進(jìn)行設(shè)防。

綜上所述，目前常見(jiàn)的水電工程棄渣場(chǎng)劃分的單一類(lèi)型存在不全面、不具有代表性、不能反映棄渣場(chǎng)所處特殊位置、棄渣綜合利用特征等缺點(diǎn)，在某些巨型棄渣場(chǎng)、特殊位置棄渣場(chǎng)和具有綜合利用效益棄渣場(chǎng)的水土保持設(shè)計(jì)中可能失去有效的指導(dǎo)作用。因此，為了全面、有針對(duì)性地反映棄渣場(chǎng)特征，有必要在水電工程棄渣場(chǎng)水土保持設(shè)計(jì)中引入復(fù)合型棄渣場(chǎng)。

在目前劃分類(lèi)型的基礎(chǔ)上，結(jié)合水電工程棄渣場(chǎng)的主要特征，初步將水電工程復(fù)合型棄渣場(chǎng)分為堆渣地形復(fù)合型、特殊位置復(fù)合型和綜合利用復(fù)合型等常見(jiàn)的3類(lèi)，主要特征見(jiàn)表1。

表1 水電工程常見(jiàn)的3類(lèi)復(fù)合型棄渣場(chǎng)情況

2 復(fù)合型棄渣場(chǎng)水土流失防治特點(diǎn)

2.1 防治體系更加全面系統(tǒng)

根據(jù)《開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》(GB 50433—2008)、《水電建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5419—2009)等規(guī)定，水電工程棄渣場(chǎng)水土流失防治以工程、植物和施工輔助措施為主，結(jié)合土地開(kāi)發(fā)利用形成綜合防治體系，常規(guī)的工程措施主要包括攔渣、排(蓄)水、護(hù)坡、蓄水灌溉設(shè)施配套和土地整治工程等，植物措施主要包括植被建設(shè)、生態(tài)修復(fù)等，施工輔助措施主要為棄渣場(chǎng)范圍內(nèi)的表土剝離及堆置防護(hù)等。由于復(fù)合型棄渣場(chǎng)具有更多的特征，所以水土流失防治需考慮更多的因素，防治措施體系也需更加全面系統(tǒng)。

2.2 堆渣體穩(wěn)定計(jì)算更加復(fù)雜

水電工程棄渣場(chǎng)堆渣邊坡穩(wěn)定性一般可參照《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5353—2006)計(jì)算，若將棄渣場(chǎng)與場(chǎng)內(nèi)道路、施工場(chǎng)地結(jié)合布置，建議參照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5395—2007)進(jìn)行穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算。穩(wěn)定性按照持久、短暫和偶然3種設(shè)計(jì)工況計(jì)算，荷載分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載，具體工況和荷載組合需根據(jù)棄渣場(chǎng)具有的不同特征確定。由于復(fù)合型棄渣場(chǎng)具有更多的特征，且多種特征往往互相耦合發(fā)生作用，所以計(jì)算中工況和荷載組合的選取也更加復(fù)雜。

2.3 分期堆渣、分期防治

水電工程復(fù)合型棄渣場(chǎng)及其防護(hù)工程一般規(guī)模較大，防護(hù)工程體系也更加復(fù)雜，棄渣場(chǎng)占地也往往涉及居民點(diǎn)或公共設(shè)施。在實(shí)際施工過(guò)程中，常常遇到無(wú)法按照規(guī)范要求，在棄渣場(chǎng)堆渣前全部完成堆渣區(qū)移民征遷和防護(hù)工程建設(shè)等問(wèn)題，為了降低棄渣場(chǎng)施工期遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水或發(fā)生泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，一般需結(jié)合移民征遷工作計(jì)劃、防護(hù)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)方案等，在移民征遷工作分期開(kāi)展、防護(hù)工程分期建設(shè)的基礎(chǔ)上，要分期堆渣、分期防護(hù)。

2.4 具有綜合防治和利用效益

由于綜合利用復(fù)合型棄渣場(chǎng)防護(hù)體系全面系統(tǒng)，防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)一般施工場(chǎng)地、再造土地等要高，不僅滿(mǎn)足綜合利用的防治要求，而且截排水溝、沉沙池、溝水處理建筑物等可結(jié)合蓄水灌溉設(shè)施一并規(guī)劃設(shè)計(jì)，因此棄渣場(chǎng)防護(hù)措施具有綜合防治和利用效益。

3 復(fù)合型棄渣場(chǎng)水土保持設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)思路

在水電工程復(fù)合型棄渣場(chǎng)水土保持設(shè)計(jì)中，應(yīng)強(qiáng)化分期規(guī)劃、分期防治、分期設(shè)計(jì)的思路，同時(shí)要高度重視堆渣施工期的水土保持設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足過(guò)程中設(shè)計(jì)、過(guò)程中防治的要求，切勿一成不變地延續(xù)堆渣前和堆渣后一次性完成水土保持設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)思路。

3.2 排洪工程設(shè)計(jì)

排洪工程一般由上游攔洪工程、排洪溝(渠、洞)和渣場(chǎng)周邊截洪工程三部分組成[4]，排洪工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)渣場(chǎng)規(guī)模及特點(diǎn)，按照《水電建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5419—2009)確定。

由于復(fù)合型棄渣場(chǎng)具有分期堆渣、分期防治的特點(diǎn)，所以對(duì)規(guī)模較大的排洪工程可在滿(mǎn)足《水電建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的前提下，根據(jù)分期堆渣規(guī)模、特征及防護(hù)對(duì)象的重要性等，分期采取不同的防洪標(biāo)準(zhǔn)，一般可考慮分為堆渣施工期和永久運(yùn)行期兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，堆渣施工期標(biāo)準(zhǔn)有可能高于永久運(yùn)行期標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)踐中應(yīng)具體加以論證分析。如在規(guī)劃布置我國(guó)西南地區(qū)的水電工程棄渣場(chǎng)時(shí)，往往無(wú)法規(guī)避泥石流溝，此類(lèi)特殊位置復(fù)合型棄渣場(chǎng)的排洪工程應(yīng)與泥石流防治的攔擋、停淤、排導(dǎo)等工程相結(jié)合，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)則要兼顧泥石流防治和渣場(chǎng)防洪兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 護(hù)坡工程設(shè)計(jì)

在棄渣場(chǎng)堆渣體整體穩(wěn)定的基礎(chǔ)上采取護(hù)坡工程，護(hù)坡措施類(lèi)型的選擇應(yīng)根據(jù)邊坡性質(zhì)、水文特點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)、安全和生態(tài)角度綜合比較后確定，并盡量采用生態(tài)護(hù)坡措施。在進(jìn)行塊石、混凝土等工程護(hù)坡設(shè)計(jì)時(shí)，尚需進(jìn)行護(hù)坡厚度、抗沖粒徑的復(fù)核計(jì)算。

對(duì)具有庫(kù)區(qū)型特征的堆渣地形復(fù)合型棄渣場(chǎng)，設(shè)計(jì)護(hù)坡工程時(shí)，除進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)外，還要綜合考慮庫(kù)區(qū)原河道天然洪水、施工導(dǎo)流洪水、水位變幅等可能對(duì)護(hù)坡工程的影響。設(shè)計(jì)壩址下游特殊位置復(fù)合型棄渣場(chǎng)護(hù)坡工程時(shí)要綜合考慮下游河道天然洪水、發(fā)電尾水、泄洪、霧化暴雨和下一梯級(jí)電站回水等可能對(duì)護(hù)坡工程產(chǎn)生的影響。

3.4 蓄水灌溉工程設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范要求，應(yīng)對(duì)棄渣場(chǎng)配套建設(shè)蓄水灌溉設(shè)施，主要用于棄渣場(chǎng)植被建設(shè)和土地復(fù)耕的后期養(yǎng)護(hù)管理。蓄水灌溉工程應(yīng)結(jié)合渣場(chǎng)周邊截洪工程、排水工程布置，對(duì)具有溝道型特征的堆渣地形復(fù)合型棄渣場(chǎng)還可結(jié)合排洪工程布置引水建筑物，一般采用有壩引水方式，布置水閘、引水渠等。灌溉渠道一般設(shè)計(jì)為灌排兩用，蓄水設(shè)施和渠系建筑物沿灌溉渠道布置，其中蓄水設(shè)施包括蓄水池、水窖等，在蓄積渠道來(lái)水的同時(shí)兼有消力池和沉沙池的功能，渠系建筑物主要包括水閘、跌水、陡坡等。

3.5 堆渣體穩(wěn)定性計(jì)算

復(fù)合型棄渣場(chǎng)堆渣體穩(wěn)定性計(jì)算工況、荷載組合選取更加復(fù)雜，一般需計(jì)算天然、暴雨、穩(wěn)定水位、水位驟降、地震等單一工況或組合工況下的堆渣體穩(wěn)定性，荷載作用考慮自重、地下水壓力、坡外水壓力(正常蓄水位、河道水位等)、剩余孔隙水壓力、平臺(tái)施工場(chǎng)地荷載、道路車(chē)輛荷載、地震等。確定綜合利用復(fù)合型棄渣場(chǎng)堆渣體物理力學(xué)參數(shù)時(shí)要考慮綜合利用對(duì)棄渣碾壓、材質(zhì)等的特殊要求。另外，穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)復(fù)核棄渣場(chǎng)及周邊臨近地層的整體穩(wěn)定性，特別要重視堆渣體下游側(cè)自然邊坡的穩(wěn)定性，通過(guò)計(jì)算確定堆渣體與下游不穩(wěn)定自然邊坡之間的合理距離。

3.6 安全監(jiān)測(cè)及生態(tài)修復(fù)的要求

在水電工程棄渣場(chǎng)常規(guī)設(shè)計(jì)中，往往缺少對(duì)棄渣場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)和生態(tài)修復(fù)的要求。對(duì)堆渣條件更加復(fù)雜的復(fù)合型棄渣場(chǎng)，應(yīng)在開(kāi)展水土保持監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化安全監(jiān)測(cè)，其中對(duì)堆渣體可進(jìn)行表面變形、地下水位等觀測(cè)，對(duì)防護(hù)工程建筑物進(jìn)行表面變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力等觀測(cè)。在植被恢復(fù)后，應(yīng)采取撫育管理和封禁治理相結(jié)合的生態(tài)修復(fù)措施，嚴(yán)禁伐木、砍柴、放牧和取土等人為活動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)、防治及林區(qū)防火工作，人工促進(jìn)形成以喬灌為主體、喬灌草相結(jié)合、結(jié)構(gòu)合理穩(wěn)定和功能高效協(xié)調(diào)的人工生態(tài)林群落。

4 結(jié) 語(yǔ)

加快水電發(fā)展是實(shí)現(xiàn)非化石能源發(fā)展目標(biāo)的必由道路之一，也是有效降低單位國(guó)民生產(chǎn)總值二氧化碳排放量的重要措施，為了促進(jìn)水電持續(xù)健康發(fā)展，必須落實(shí)“在保護(hù)中開(kāi)發(fā)，在開(kāi)發(fā)中保護(hù)”的要求。棄渣場(chǎng)水土保持設(shè)計(jì)應(yīng)得到足夠重視，引入復(fù)合型棄渣場(chǎng)概念能夠更加全面、有針對(duì)性地反映棄渣場(chǎng)特征，從而有效指導(dǎo)水土保持設(shè)計(jì)。

[參考文獻(xiàn)]

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