论述水利枢纽工程水土保持方案设计中的水土流失防治策略

水利枢纽工程建设是人类改造自然界的一种手段,通过开发利用水资源,实现水资源在时间上和空间上的重新分配,达到为国民经济服务的目的。工程建成以后,可获得较大的社会经济效益和环境效益,如防洪、发电、灌溉、航运、水库养殖、旅游等。但在工程开发建设过程中,必然会扰动原地貌、损坏土地及植被、产生大量弃土石渣,造成新增水土流失,如不及时采取防治措施,将危害区域环境和威胁下游安全,从而在一定程度上制约国民经济的可持续发展。因此,必须结合当地的实际情况,进行切实可行的水土保持方案设计,防治水土流失,为保护生态环境和工程安全服务。下面以廖坊水利枢纽工程水土保持方案设计作为实例进行分析。

1　基本情况
1.1　项目区自然和社会环境概况廖坊水利枢纽工程位于江西省抚州市抚河干流中游,水库坝址下游约45 km处为抚州市临川区,上游约32 km处为南城县县城,坝址以上汇水面积7 060 km2。抚河流域属亚热带湿润季风气候区,多年平均降水量在1 600~2 000 mm之间,其中约60%的降水量集中在3~6月。多年平均气温在17.3℃~18.3℃之间。坝址多年平均流量223 m3/s,多年平均径流深1 041 mm,多年平均径流总量73.5×108m3。工程涉及区的土壤种类主要有水稻土、潮土、红壤、紫色土等。工程区的森林覆盖率在20%左右,主要植被类型有常绿阔叶林、亚热带针叶林、灌丛草坡、竹木、落叶阔叶林、河漫滩植被及经济林等。工程区现有水土流失是以地表径流冲刷引起的水力侵蚀为主,主要形式为面蚀,其次为沟蚀。水土流失强度为1 286 t/km2·a,属轻度流失区。
1.2　工程概况廖坊水利枢纽是以防洪、灌溉为主,兼顾发电、供水和航运等综合利用的水利工程。水库正常蓄水位为65.00 m,防洪限制水位61.00 m,防洪高水位67.94 m,相应防洪库容3.10×108m3,调节库容1.14×108m3,灌溉农田面积33 533.3 hm2,电站总装机容量49.5 MW;提供工业和生活用水量1.0 m3/s;通航过坝设施按100 t级斜面升船机考虑。另外,为减少淹没损失,对库区南城县的河西、新桥、八堡和万年等4个片区采取工程防护措施。廖坊水库为大(二)型水库,属Ⅱ等工程。主要枢纽建筑物有:主坝、副坝、泄水建筑物、电站厂房、灌溉进水闸等。工程总工期42个月。工程静态总投资98 835.78万元,总投资101 605.36万元。

2　水土流失预测工程建设中产生的水土流失量主要由两部分组成:一是由于工程扰动原地貌、破坏或占用土地及植被,使该范围内土壤侵蚀加剧所造成的水土流失量;二是由于工程建设产生的大量弃渣不合理堆放而增加的水土流失量。廖坊工程扰动原地貌、损坏土地及植被面积达2 310.14 hm2,工程施工期总弃渣量为55.06×104m3(松方)。经采用类比法和数学模型法相结合的预测方法进行分析计算,廖坊工程施工区将由原有的轻度水土流失区变为强度水土流失区,水土流失强度将由原来的1 286 t/km2·a增加到7 000/km2·a,工程建设可能造成的水土流失量达8.91×104t~9.41×104t。

3　水土保持方案设计
3.1　水土流失防治分区廖坊水利枢纽工程占地面积共81.1 hm2,其中包括大坝、厂房等枢纽建筑物占地(17.5 hm2),弃渣场(29.4 hm2)、土料场(8.7hm2)、石料场(2.4hm2)、永久公路(4. 8 hm2)、施工临时占地(18.3hm2)。根据工程建设的特点、主体工程的布局、可能造成的水土流失情况以及工程建设用地范围等,将工程水土流失防治划分为6个防治类型区,即弃渣场、土料场、石料场、枢纽工程基础开挖区、永久公路、施工临时占地。
3.2　水土保持措施总体布局根据各水土流失防治类型区的水土流失特点,遵循治理与防护相结合、植物措施与工程措施相结合、防治水土流失与改善生态环境相结合的原则,统筹布局各项水土保持措施,形成完整的水土流失防治体系:以工程措施为先导,在弃渣场建立拦渣工程,对各永久建筑物周边、块石料场及公路沿线等开挖边坡采取边坡防护工程;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拦蓄和控制,在此基础上,对料场、渣场利用工程弃土进行表土回填和覆土,经土地整治工程后采取植树造林种草等植物措施进行绿化;对临时施工区、厂区、公路沿线及库区周围等进行绿化,通过植物措施和土地整治工程,保护新生地表和改善生态环境,弃分发挥绿化工程的观赏性和后效性,实现水土流失由被动控制到开发治理的转变。
3.3　分区水土保持措施设计
3.3.1　弃渣场地水土保持措施枢纽工程永久弃渣量为55.06×104m3(松方),在右岸上下游和左岸下游共设布置有3个弃渣场。(1)右岸上游弃渣场:位于坝址右岸上游1.5~2.0 km的一级阶地,地面高程54~60 m(黄海高程),场地开阔,由于此弃渣场位于水库淹没区,其弃渣主要为石渣(堆渣量为22.96×104m3),因此在水库蓄水前将弃渣推平即可,水库蓄水后其被淹没,对水库防洪不产生影响,也不会造成水土流失危害。(2)右岸下游弃渣场:位于坝址右岸下游1.5km处的一级阶地,地面高程57 m(黄海高程)左右,堆渣量为5.0×104m3,因为该弃渣场位于河道边,为防止弃渣造成水土流失危害,需在弃渣场临河一侧修筑拦渣工程,对弃渣进行拦挡。根据渣场的地形、地貌、地质、建材来源及施工条件,经过对拦渣堤和挡渣墙进行方案比选分析认为,采用衡重式浆砌石挡渣墙拦渣。挡渣墙为4级建筑物,全长426 m,墙高5.5 m,底宽3.3 m,顶宽0.5m,基础底部修筑一底板,厚0.5 m。墙体沿纵向每隔10~15 m设一道伸缩沉降缝,缝宽2 cm,缝内用沥青麻布或沥青木丝填塞,墙体纵向每隔2~3 m设置75 mm的PVC排水管,墙内管口设置反滤。挡渣墙经稳定应力分析,符合规范规定的稳定要求。
此外,弃渣场地所在地区集雨面积0.145 km2,24 h设计最大清水流量0.296 m3/s,为避免渣场上游汇水对渣场的冲刷影响,需在弃渣堆积平台的内侧修筑浆砌石排水沟,排水沟长468 m,断面型式为梯形,边坡系数m=1,粗糙系数n=0.014,底坡i=1/500,排水沟深h=0.6 m,下底宽b=0.5 m,上底宽B=1.7 m,在排水沟出水口设置浆砌块石水簸箕,坡比为1∶2,采用M7.5水泥砂浆块石砌筑,块石厚度在20 cm以上,露明 面用1∶3水泥砂浆勾缝,底部卧浆,单层铺砌,土基应夯实,必要时按基底宽铺设人工基础。弃渣表面平整覆土后营造水土保持林,造林树草种为湿地松、木荷、胡枝子、混合草种(百喜草、结缕草、狗牙根草等两种或两种以上混合),混交方式为乔灌草行间混交、湿地松与木荷星状混交,即隔行每隔4株湿地松种植1株木荷,整地方式采用穴状整地,湿地松和木荷穴40cm×40cm×40cm,胡枝子穴大20cm×20cm×20cm,混合草种采用条播,播间距为30 cm。(3)左岸下游弃渣场:位于坝址左岸下游1.5km处的河漫滩地(砂料场旁),地面高程53 m(黄海高程)左右,场地开阔,堆渣量为27.7×104m3。
由于其地理位置的特殊性,在水土流失防治措施设计中采用了两种方案进行比选,一种是在弃渣场临河一侧修筑浆砌石挡渣墙进行拦渣,但由于其地形、地质等因素,使工程造价较高,施工较为复杂,而且视觉上容易有突兀感,影响景观,因此经分析比较后,选用第二种方案,即堆渣时将弃渣先临时堆放于砂料场旁的滩地上,四周修筑临时挡土墙进行拦挡,临时挡土墙墙高1 m,由装土草袋堆砌而成,取砂结束后将临时挡土墙拆除,并将15×104m3弃渣填于砂料场凹坑中(工程取砂量为15×104m3),其余12.1×104m3弃渣依就地势堆垫于砂料场表面,平均堆高约0.63 m,坡度约1∶200。经分析,此处弃渣不影响河道行洪,弃渣经压实后表面平整覆土并营造水土保持林,水土保持林的栽植行方向要顺着规整流路所要求的导线方向,林带与水流方向构成30°~45°角度,呈雁翅形造林。造林树种为垂柳、黄栀子,混交方式采用行间混交,每隔2行黄栀子种植1行垂柳,垂柳株行距为4m×6m,黄栀子株行距1.5m×2m,整地方式为穴状整地,垂柳穴大40cm×40cm×40cm,黄栀子穴大20cm×20cm×20cm。


3.3.2　土料场水土保持措施土料场包括枢纽工程围堰用土料场和副坝用土料场以及防护工程用土料场,其中围堰用土料场有2个,副坝用土料场有1个,均位于库区,水库蓄水后将被淹没;防护工程用土料场有10个,均分布于相应堤防附近。土料开采时剥离的表层弃土,先集中堆放在各土料场取料形成的工作台面,土堆堆置高度不超过3 m,堆置边坡坡比控制在1∶2.0以内,在土堆边坡坡脚修筑装土草袋成临时挡土墙进行挡土,土料开采结束后进行表土回填,回填厚度0.3~0.5 m。对防护工程用土料场还应根据土料场的地形及料场来水情况,在料场采挖面内设置土质排水沟,并与料场周边排水系统相衔接,形成完善的排水系统。排水沟边坡系数m取值1.25,糙率n取值0.0275,底坡i取值1/600。土料场经土地整治后复耕还农。


3.3.3　石料场水土保持措施石料场包括枢纽工程用石料场和防护工程用石料场,其中枢纽工程用石料场有2个,分别位于坝址左岸上游0.3~0.6 km处和坝址右岸上游0.8 km处;防护工程用石料场也有2个,均分布于堤防附近。石料开采时剥离的无用层弃土,集中堆放在各石料场取料形成的工作台面,四周用装土草袋建临时挡土墙进行拦挡,石料开采结束后进行表土回填,回填厚度2 m,营造水土保持林草,造林树草种采用湿地松、木荷、胡枝子、百喜草和狗牙根草等混合草种,混交方式为乔灌草行间混交,湿地松与木荷星状混交,穴状整地,规格为湿地松和木荷穴大40 cm×40 cm×40 cm,胡枝子穴大20 cm×20 cm×20 cm,混合草种采用播间距为30 cm的条播方式。


3.3.4　枢纽工程基础开挖面防护措施枢纽工程基础开挖面在工程完工后大部分被大坝、消力池、护坦等永久建筑物覆盖,在主坝与山体的连接处有部分开挖面在工程完建后仍会裸露,需作好开挖面防护。枢纽工程土方开挖后的边坡裸露面积约150 m2,坡比小于1∶1.5,根据其立地条件,这部分边坡裸露面撒播百喜草、狗牙根、马尼拉草、结缕草、高羊茅、草地早熟禾、多年生黑麦草等混合草籽进行种草护坡,混合草种采用撒播,用耙或耱等方法覆土镇压,覆土厚度0.5~1 cm,播种量为15 kg/hm2;枢纽工程石方开挖后的岩石边坡面积约400 m2,这部分边坡裸露面因表面为基岩,无法直接恢复植被,可采取种植爬山虎或常青藤等攀岩植物进行绿化,爬山虎或常青藤为单行种植,每穴1株,株距1 m,穴状整地规格为20 cm×20 cm×20 cm。


3.3.5　永久公路绿化措施永久公路包括上坝公路0.2 km、进厂公路0.18 km、至副坝公路4.5 km及时对外公路4.7km。在公路的内侧,开挖后的裸露面因表面多为基岩无法直接恢复植被,因此采取种植爬山虎或常有藤等攀岩植物进行绿化;在公路的外侧,裸露面多为回填的土石方,可在碾压平整后,在路边种植行道树,采用树种为杉树,单行种植,株距3 m,穴状整地规格为40cm×40cm×40cm;对于填方边坡,采用撒播生长快的百喜草、狗牙根等草籽进行绿化。3.3.6　施工临时占地区水土保持措施施工临时用地主要分布于沿河道两岸。对终止使用的施工场地,进行土地平整,营造水土保持林,造林树种为垂柳、黄栀子,采用行间混交方式,每隔2行黄栀子种植1行垂柳,垂柳株行距4 m×6 m,黄栀子株行距1.5 m×2 m,穴状整地规格为垂柳穴大40 cm×40 cm×40 cm,黄栀子穴大20cm×20 cm×20 cm。

4　结　论
江西省廖坊水利枢纽工程水土保持总投资为1 039.94万元,各项费用包括水土保持设施补偿费346.12万元、工程措施449.91万元、植物措施83.85万元、临时工程93.13万元、独立费用46.72万元、预备费20.21万元。水保方案实施后,工程建设损坏的植被面积除淹没和建筑物占地外,大部分可以有效恢复,工程开挖、填筑及弃渣等形成的裸露面将基本上由植被覆盖,预计植被覆盖率在工程完工后可达到90%;挡渣墙等工程措施可防止弃渣崩塌、滑坡等危害发生,防止泥沙进入河道产生淤积,减轻洪涝灾害等不利影响。工程区土壤侵蚀模数由7 000 t/km2·a减少至500t/km2·a,水土流失治理度达到95%,生态环境效益和社会效益十分显著。总之,水利枢纽工程建设虽然涉及范围广,开挖动土面多,对当地的水土保持会带来一定影响,但只要根据工程建设的特点,切实做好水土保持设计工作,通过水土流失防治点、线、面相结合的总体布局,因地制宜地采取拦渣、护坡、土地整治及绿化等各项水土流失防治措施,就能有效控制人为新增水土流失,并治理工程区原有水土流失,使泄入下游河道泥沙显著减少,保障工程安全,改善当地生态环境,形成工程建设和生态环境治理协调发展的良性循环。