水利工程水土保持措施方案研究

張子儀，徐華強

(四川省內江水利水電勘察設計院有限公司，四川 內江 641000)

1 項目概況

和平水庫位于四川省涼山州德昌縣茨達鄉和平村境內，是在雅礱江二級支流——安寧河下游右岸茨達河上興建的一座以農業灌溉為主，兼顧鄉鎮、農村供水的中型水利工程。水庫壩址位于磨房溝口上游約0.9km處，和平水庫樞紐工程由擋水壩(鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高89.0m)、右岸溢洪道、右岸放水兼放空洞組成。壩址以上集水面積61.0km2，河長13.9km，河道平均比降46.2‰。水庫距德昌縣城37km，有鄉村公路和S219省道貫通，德昌至西昌相距約65km，縣境內有成昆鐵路、G108國道、西攀—攀雅高速公路縱貫德昌縣，北連成都，南接昆明，交通條件好。

2 樞紐渣場工程前期方案

和平水庫樞紐工程在前期設計中，其水土保持方案得到了四川省水利廳的審查和批復，現將和平水庫樞紐渣場批復的設計成果簡要介紹如下：

水庫樞紐渣場堆渣量約18.77萬m3(松方)，占地面積2.00hm2。樞紐渣場布置在壩址下游0.2km的左岸Ⅰ級階地。

樞紐渣場為臨河型渣場，結合水庫大壩設計洪水標準，渣場洪水標準采用30a一遇設計(p=3.3%)。為保證渣體安全并防止施工期堆渣過程產生的渣料滾出設計堆渣范圍，造成水土流失，擬沿渣體坡腳線位置修筑C15混凝土攔渣堤，攔擋總長度為162m。

因本渣場上部有永久上壩道路通過，道路的排水溝幾乎完全攔截渣場的坡面來水。

前期樞紐渣場平面布置圖如圖1所示。

圖1 前期樞紐渣場平面布置圖

3 樞紐渣場工程施工期方案

由于在前期設計中，樞紐渣場堆渣來源為和平水庫樞紐主體工程，考慮到壩體堆石料料場位于庫內左岸，距離大壩壩軸線不到500m，壩體堆石料場的棄渣規劃在壩體的壩前和壩后壓腳處理后，不再單獨設置渣場堆放。

施工期間，壩體堆石料開挖產生的總棄渣為105.59萬m3(松方)，全部放在大壩壩后壓腳后，和前期審批的樞紐渣場相互重疊，為此，項目業主重新進行了和平水庫樞紐渣場水土保持措施變更審批手續，得到了四川省水利廳的批復。

現將變更后的和平水庫樞紐渣場批復設計成果簡要介紹如下：

樞紐渣場布置在大壩下游坡腳與下游壩坡相接，水庫樞紐渣場堆渣量約124.36萬m3(松方)。因其位置相較前期樞紐渣場位置沒有變化，其地形地質條件與前期樞紐渣場相同。

樞紐渣場為臨河型渣場，結合水庫大壩設計洪水標準，渣場洪水標準采用50a一遇設計(p=2.0%)。為保證渣體安全并防止施工期堆渣過程產生的渣料滾出設計堆渣范圍，造成水土流失，擬沿渣體坡腳線位置修筑C20埋石混凝土攔渣堤，攔渣堤總長度為35m。攔渣堤采用重力式擋墻，基礎置于中密狀第四系沖洪積含漂砂卵礫石層上，埋深為2.5m(含齒墻)。攔渣堤頂高程1742.50m，較渣場校核洪水位1741.30m高1.2m，滿足防洪要求。頂寬為1.0m，背坡1∶0.5，面坡1∶0.2，墻趾寬0.7m，墻踵寬0.8m，底座厚1.5m，墻趾端設置1.0m高的防沖齒墻，齒墻底寬0.8m，坡度1∶1，齒墻前采用大塊石回填。攔渣堤最大高度4.3m(不含齒墻)，底座全部埋入地下，地面以上的最大高度2.8m。

攔渣堤每10m設一條沉降縫，縫寬2cm，縫內設硬質泡沫板，縫后設反濾層。墻身按梅花形設置排水孔，采用Φ50mmPVC管預埋，孔距1.0m，排距1.0m，管后設反濾層。

為保護渣體下游邊坡安全穩定，采用綜合護坡的方式進行防護，綜合護坡為C20混凝土網格+覆土種草，網格框架采用C20混凝土，斷面尺寸為20cm×20cm，單格形狀為1.5m×1.5m的正方形，框架建成后在網格內覆土30cm，然后播撒草種(該部分覆土及播草工程量計入植物措施，工程措施不計列)。

為避免降雨及溝道水流對渣體的沖刷，擬在渣場頂部及兩側坡面設置截排水溝，將地表匯水排出至渣場范圍以外。該渣場左岸坡面5a一遇設計洪峰流量1.37m3/s，右岸坡面5a一遇設計洪峰流量0.38m3/s，排水溝總長度867m。

但本工程樞紐渣場攔渣堤距離溢洪道出口較遠(約120m)，只受汛期水流的回水影響，且溢洪道在汛期的泄洪時間較短，因此攔渣堤基礎基本不受沖刷影響，只需采取簡易的防掏措施即可，考慮在墻趾端設置1.0m高的防沖齒墻，齒墻底寬0.8m，坡度1∶1，齒墻前采用大塊石回填。

施工期樞紐渣場平面布置圖如圖2所示，剖面設計圖如圖3所示。

4 樞紐渣場工程變更的原因分析

和平水庫樞紐渣場工程設計變更后，筆者對其水土保持設計工作整個設計和施工過程進行了梳理，產生水土保持工程重大設計變更有以下原因。

圖2 施工期樞紐渣場平面圖

圖3 施工期樞紐渣場剖面設計圖

(1)在前期勘察工作中，鉆孔取樣缺乏代表性，控制范圍不足，從源頭上沒有控制住開挖棄料的大量增加。

(2)壩前坡壓腳方案中，前期水土保持設計沒有考慮施工程序的合理性。由于本工程為鋼筋混凝土面板堆石壩，其壩型特點，要求齒板開挖和水平趾板澆筑完成后，才能進行固定灌漿和帷幕灌漿，檢查合格驗收后，才能進行趾板以上的鋪蓋回填，最后才落實壩前坡開挖棄渣壓腳，但這個時候開挖工序早已完工，開挖棄渣早已征地堆放就位，如再將堆放好的開挖棄渣運往壩前壓腳，不但產生較大的二次轉運費用，而且征地移民補償工作及其費用也將浪費。

(3)壩后坡壓腳方案中，對壩后坡壓腳形體和消耗的開挖廢料具體數量重視不夠。前期水土保持設計中，對料場開挖棄料只是表述為“運往大壩壩坡壓腳堆放”，沒有具體圖紙和數量分析，導致了棄渣堆放后形成的渣體與原審批渣體的相互位置關系和相互影響問題的產生。

對于大壩壩腳后擁有大片開闊地壩體工程來說，采用壩后壓腳合理的消耗開挖棄料的方案不失為水土保持措施的科學途徑之一，但在前期水體保持設計過程中，一定要仔細研究其施工程序、土石方平衡計算、圖紙設計等主要過程控制手段。設計同行們一定汲取本項目的經驗教訓，使水土保持設計更上一個新的臺階。

5 樞紐渣場工程施工期方案的影響分析

5.1 對大壩的有利影響分析

采取大壩下游壩坡壓腳工程措施處理后，本工程壩坡穩定計算采用《土石壩邊坡穩定分析系統(HH-Slope R1.0)》中涉及條塊間作用力畢肖普法進行計算。經過計算，上游坡安全系數基本無變化，但其下游坡的安全系數明顯提高。

為減少主料場的開挖料數量，將主料場的指標相對較差的料源用于次堆石區進行利用填筑后，在各種計算工況下，其穩定安全系數最小值均滿足規范要求值，上游坡抗滑穩定安全系數與原設計一致，下游坡由于下游渣體起到壓重作用，最小抗滑穩定安全系數略有增大，增加值為0.15～0.19。

由此可見，大壩后坡壓腳方案對大壩安全穩定有利。

5.2 對大壩的不利影響分析

此堆渣方式對后壩坡有固腳作用，有利于整個壩體的穩定，其不利影響主要表現在妨礙壩后排水。針對其不利影響，設計考慮：①增設壩后排水管并在排水管進口處設置截水墻，排水管采用直徑為1.5mC20混凝土承插式預制管，末端設量水三角堰；②為加強渣體與周邊坡面洪水的排出效果，在渣體兩側坡面設置C20排水溝，上接大壩背坡坡面排水溝，下順接擋墻外原河床，將坡面來水排至下游原河床；③為加強渣體內部滲水排出效果，在渣場底部(與壩后涵管相接部分)和與大壩背坡相接部分填筑2.0 m厚砂礫石排水帶，料源來自于壩基開挖的砂礫石，將大壩壩體滲水和渣體滲水盡可能的排出，保證渣體的穩定；④為加強渣體自身坡面洪水的排出效果，在渣體坡面1770、1756m兩級馬道內側各設置1條C20排水溝，排水溝兩端分別與坡面排水溝相接。

5.3 對渣場外環境影響分析

渣場周邊相關的外環境主要有施工營地、下游居民以及沿河的省級公路。

施工營地布置在渣場下游右岸臺地上，位于導流洞、溢洪道出口上游，沿河側設置有攔擋措施，營地地面高程滿足20a一遇防洪標準，能夠滿足防洪要求；因此渣場不會對施工營地造成影響。

渣場下游距離較近的居民主要分布在茨達河磨房溝口臺地上，距離渣場最近距離約400m，經分析樞紐渣場與大壩為一體，受上游大壩保護，渣體本身及擋墻滿足穩定要求，渣體及周邊排水滿足要求，渣場設置不會對下游居民點造成影響。

受水庫樞紐施工影響，沿茨達河分布的省道在工程河段主體設計考慮抬高重建，渣場設置不會對沿岸公路造成影響。

在發生超標洪水和壩體失事等非正常工況下，渣體會發生危險，阻塞下游河道，對施工營地、下游居民以及沿河的省級公路危害較大。因此施工期應做好防洪度汛方案，施工及運行期間，在發生超標洪水和壩體失事時通過應急預案響應采取相應的應急搶險措施，并結合水庫水情預報系統提前預報，提前撤離。

5.4 對工程的投資影響分析

現將樞紐渣場前期方案和施工期方案的工程措施工程量進行匯總比較，詳見表1。

表1 前期和施工期方案工程措施工程量比較表

從以上工程量匯總比較表中可看出，施工期方案水土保持工程措施直接投資要略高于前期方案，但由于大壩下游壩腳采用棄渣壓腳后，壩體安全系數有所提高，壩體堆石料料場的料源設計指標可以略微降低采用，這樣一來，壩體堆石料料場的開挖棄料可以大量減少，并且施工期方案可以大量消耗棄渣數量而減少了征占地等其他間接費用，通過分析計算，施工期方案總投資約節約400多萬元，經濟效果顯著。

由此可見，樞紐渣場施工期方案是經濟可行的。

6 結語

土石壩作為水利水電工程中的一種常見成熟壩型，在施工期間，往往會伴隨大量的土石方開挖棄料的產生，給施工期間工程區周邊的水土保持和環境保護帶來嚴峻的挑戰，特別是大壩工程位于高山峽谷地帶，工程區范圍內棄渣場位置極為難覓，這個問題就顯得尤為突出。對于土石壩類型的項目，應該充分分析和研究大壩壩前和壩后的結構特點，在地形地質條件滿足的情況下，大壩壩體前期設計和施工期間均應重點研究大壩壓腳的水土保持工程措施方案，必將會帶來較大的經濟效益和社會效益。