水利樞紐工程壩后棄渣綜合利用方案研究
——以南瓜坪水庫工程為例

馬 力，王志剛，程 龍

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

水利樞紐工程在推動社會發展和進步方面具有重要的作用，但由于其本身規模較大，產生的棄土、棄石等固體物(以下簡稱棄渣)較多，易導致嚴重的水土流失，對周邊生態環境造成不同程度的破壞，影響著水利工程與自然環境的和諧發展[1- 2]。水利樞紐工程開發過程中產生的大量棄渣受地形地貌、水文地質、敏感因子、運輸條件、工程投資等多方面因素的制約，往往很難找到合適的位置集中堆放[3- 4]。工程建設產生的棄渣是主要的水土流失源[5]，也是水土流失防治的重點[5- 6]，棄渣的合理利用和堆置成為水土保持工作中的重點和難點[7- 8]。目前棄渣的綜合利用方式主要側重在制備砂石骨料、造景造地、其他生產建設項目利用等方面[9- 11]，對如何利用工程自身特點從源頭上盡量減少棄渣的相關研究較少。文章以南瓜坪水庫工程為例，通過多方案比選的方式研究壩后棄渣綜合利用方案的可行性，為其他水利樞紐工程棄渣綜合利用提供新的思路和借鑒經驗。

1 工程及工程區概況

1.1 工程概況

南瓜坪水庫工程位于云南省麗江市寧蒗彝族自治縣西布河鄉，壩址位于五郎河上游的西岔河河段，下距西布河鄉約18km。工程開發任務為灌溉、城鄉供水和綜合利用。水庫總庫容為11762萬m3，正常蓄水位為2299m，死水位為2246m，年供水量為5742萬m3。水庫工程等別為Ⅱ等，工程規模為大(2)型。樞紐建筑物主要由瀝青混凝土心墻堆石壩、泄水建筑物、取水建筑物、生態電站等組成，最大壩高為126.6m。樞紐工程土石方開挖總量為482.33萬m3，填筑總量為378.36萬m3，產生棄渣總量為103.97萬m3(含料場剝離料51.51萬m3)，折合松散方為135.16萬m3。

1.2 工程區概況

工程區屬橫斷山脈高山峽谷向滇中高原過渡地帶，地震基本烈度為Ⅷ度，地貌類型屬于中山峽谷地貌，地勢總體呈西北高、東南低。水庫地形封閉條件較好，不存在水庫滲漏問題。工程所在流域屬低緯度高原季風氣候區，多年平均年降水量為1022mm，多年平均氣溫為13.7℃，多年平均相對濕度為69%，多年平均風速為2.9m/s，多年平均年蒸發量為1971mm，年無霜期在269d以上。土壤類型以燥紅土、水稻土、紅壤、黃棕壤、棕壤、紫色土等為主。樞紐工程植被以常綠闊葉林為主，局部山頂或陽坡上分布云南松純林。工程區屬滇中北省級水土流失重點治理區，容許土壤流失量為500t/(km2·a)。工程占地區水土流失以水力侵蝕為主，兼有崩塌、滑坡等重力侵蝕現象，背景土壤侵蝕模數為1260t/(km2·a)，大于工程區容許土壤流失量。

2 壩區棄渣場規劃(原方案)

根據工程區周邊地形地貌條件，結合樞紐工程土石方平衡的要求，原方案將樞紐工程棄渣場布置在壩址右岸上游1.5km處的岸坡上，如圖1所示，占地面積為10.0hm2，占地類主要為耕地、林地和住宅用地，規劃堆渣高程為2203～2246m，最大堆高為43m，渣場容量為140萬m3，擬堆渣量為103.97萬m3，折合成松方為135.16萬m3，渣場類型為庫區型棄渣場。

3 壩后棄渣綜合利用方案

南瓜坪水庫工程擋水建筑物為瀝青混凝土心墻壩，壩頂高程為2302.2m，最大壩高為126.6m，壩頂總長為390.0m，壩頂寬12m。大壩上下游均采用上緩下陡的型式，上游在高程2250.0m以上邊坡為1∶2.0，以下邊坡為1∶1.9，并在高程2275.0m和2250.0m處設置寬2m的馬道。大壩下游在高程2250.0m以上邊坡為1∶1.19，以下邊坡為1∶1.8，并在高程2275.0、2250.0、2225.0m和2200.0m設置2m寬的馬道。為減少樞紐工程棄渣場占地，盡可能降低棄渣對周邊環境的影響，將棄渣場布置在瀝青混凝土心墻壩壩后，采用棄渣與壩體相結合的設計方式，并將魚類增殖站布置在渣頂平臺上，對棄渣進行綜合利用。文章共提出三種壩后棄渣綜合利用方案。

3.1 方案1：在不改移泄洪放空洞和溢洪道出口的前提下，將樞紐工程棄渣堆置在壩后

根據工程區周邊地形條件和水庫兩岸泄水建筑物的出口位置布置情況，將樞紐工程36萬m3的棄渣堆置在壩后，占地面積為2.60hm2，規劃堆渣高程為2217m，最大堆高為33m，堆渣坡比為1∶2，渣頂平臺面積為1.40hm2，剩余67.97萬m3仍堆置在原庫區棄渣場，如圖2所示。

圖2 壩后堆渣方案平面布置圖(方案1)

3.2 方案2：將泄洪放空洞和溢洪道出口位置下移，樞紐工程所有棄渣堆置在壩后

若將樞紐工程所有棄渣全部堆置在壩后，必須將泄洪放空洞和溢洪道的出口位置下移，騰出更大的空間容渣。考慮到泄水建筑物下泄的高速水流對流態的要求較高，為避免氣蝕帶來的破壞，泄洪放空洞和溢洪道在布置上應盡量順直。因此將泄洪放空洞和溢洪道出口下移200m，樞紐工程所有棄渣103.97萬m3全部堆置在壩后，占地面積為5.4hm2，規劃堆渣高程為2227m，最大堆高為43m，堆渣坡比為1∶2，渣頂平臺面積為3.6hm2，如圖3所示。

圖3 壩后堆渣方案平面布置圖(方案2)

3.3 方案3：將泄洪放空洞出口位置下移，樞紐工程棄渣堆置在壩后

為盡量多地對樞紐工程棄渣進行綜合利用，維持溢洪道出口位置不變，將泄洪放空洞出口位置下移90m，將樞紐工程50萬m3棄渣堆置在壩后，占地面積為3.70hm2，規劃堆渣高程為2227m，最大堆高為43m，堆渣坡比為1∶2，渣頂平臺面積為1.70hm2，剩余53.97萬m3仍堆置在原庫區棄渣場，如圖4所示。

圖4 壩后堆渣方案平面布置圖(方案3)

3.4 方案比選

分析圖2～圖4和表1可以看出，方案1由于受泄洪放空洞和溢洪道出口位置的制約，壩后僅可綜合利用樞紐工程棄渣36萬m3，剩余67.97萬m3棄渣仍需堆置在原庫區棄渣場內，棄渣利用率不高；壩后堆渣后，壩后空間進一步被壓縮，無法布置生態電站，工程生態、經濟效益降低。方案2將泄洪放空洞和溢洪道出口下移200m后，可將樞紐工程所有棄渣進行綜合利用，但由于泄洪放空洞和溢洪道長度的增加，棄渣增多，考慮到工程約一半棄渣來自料場剝離料，因其施工時序問題優先產生的棄渣必須經過二次倒運才能轉運至壩后，不僅增加了工程投資，也會造成大量的水土流失，不利于水土保持。方案3僅將泄洪放空洞出口下移90m，維持溢洪道出口位置不變，該方案可對壩軸線以下部分產生的50萬m3棄渣全部進行綜合利用，渣料平均運輸距離短，施工便利，剩余的53.97萬m3的棄渣(主要為料場剝離料)也無需進行二次倒運，仍直接堆置在原庫區棄渣場內。因此推薦方案3作為本工程的壩后棄渣綜合利用方案。

表1 各壩后堆渣方案特性表

4 壩后棄渣安全、效益分析

4.1 壩后棄渣場安全穩定分析

4.1.1棄渣物質組成及物理力學特性

樞紐工程棄渣物質由土方和石方組成，其中土方占比為60%，主要來自料場剝離料開挖和場地清表等；石方占比為40%，主要來自大壩基礎、溢洪道和泄洪放空洞的開挖。壩后棄渣物質組成詳見表2。根據地質查勘資料，各方案渣體、擋渣墻及地基巖(土)物理力學參數建議值見表3。

表2 棄渣物質組成

表3 渣體、擋渣墻及地基巖(土)物理力學參數

4.1.2渣場穩定性計算

根據渣場堆渣量和堆高確定各渣場級別，方案1和方案3渣場等級為4級，方案2渣場等級為3級。根據上述地勘資料，擬對方案1、方案2和方案3渣場布置進行渣場整體穩定性計算。

渣場整體穩定計算采用理正巖土計算軟件5.5版，計算工況按正常運用工況和非常運用工況(即連續降雨和遭遇地震工況)兩種工況計算。根據渣場等級相應的穩定標準，3級渣場正常運用工況安全系數滿足1.25，4級渣場正常運用工況安全系數滿足1.20；3級渣場非常運用工況安全系數滿足1.10，4級渣場非常運用工況安全系數滿足1.05，渣場抗滑穩定安全穩定系數標準見表4。計算方法采取畢肖普圓弧滑動法計算。

表4 渣場抗滑穩定安全穩定系數標準

畢肖普圓弧滑動法計算公式：

(1)

式中，K—穩定安全系數；Wi—土條重量；Ci、φ—土條的黏聚力和內摩擦角；α—條塊重力線與通過條塊底面中點的半徑之間的夾角；b—土條寬度；MC—水平地震慣性力對圓心的力矩；R—圓弧半徑。

渣場整體穩定性計算結果詳見表5。

表5 渣場穩定性計算結果

計算結果表明：方案2渣場等級為3級，在正常運用工況下，抗滑穩定系數小于規范值1.25；非常運用工況Ⅱ抗滑穩定系數小于規范值1.10，均不滿足規范要求。方案1和方案3渣場等級均為4級，在正常運用工況下，方案1和方案3抗滑穩定系數分別為1.33和1.28，均大于規范值1.20；在非常運用工況I和非常運用工況Ⅱ下，方案1抗滑穩定系數分別為1.23和1.14，方案2抗滑穩定系數分別為1.18和1.10，均大于規范值1.05。從渣場安全穩定分析，方案1和方案3渣場穩定性均滿足規范要求。

4.2 壩后棄渣效益分析

將樞紐工程棄渣堆置在瀝青混凝土心墻壩壩后，可減少棄渣場臨時占地，降低棄渣對水庫周邊環境的影響，同時還可利用壩后堆渣形成的渣頂平臺布置魚類增殖站、業主營地等設施，節約工程占地，并可對其進行綠化，形成良好的生態景觀效果。從工程投資方面來看，方案1主體工程總投資為15099萬元，水土保持總投資為1204萬元；方案2主體工程總投資為21898萬元，水土保持總投資為1750萬元；方案3主體工程總投資為15537萬元，水土保持總投資為1094萬元，從節省工程投資角度考慮，方案3較經濟合理。

5 結語

隨著全民環境保護意識的增強和水利行業強監管執行力度的提高，將生態文明理念與實踐融入水利工程設計和實施過程已成為新形勢下的必然趨勢[12- 14]。南瓜坪水庫工程通過充分協調主體工程設計各專業優化工程布置，從源頭上盡量減少棄渣，合理利用主體空間，將樞紐工程棄渣結合大壩設計，對棄渣進行綜合利用，也為其他水利工程棄渣利用和治理提供新的思路和借鑒經驗。