南水北調中線一期工程河南段水土保持設計研究

張 帆，張立強，黃 斌

(1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450003；3.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢430014)

南水北調中線一期工程河南段建設規模大，線路長，擾動范圍廣，土石方開挖填筑量大，棄土(渣)量大，涉及的取土場和棄渣場數量多，工程沿線涉及膨脹土地區，部分線路穿越城市區域，如果沒有采取精準有效的水土保持措施，勢必對工程周邊區域環境造成極大危害。為落實“三同時”制度，南水北調中線一期工程河南段在開展主體工程設計的同時開展了水土保持措施設計。在全面研究工程水土流失特點，分析工程水土保持措施設計難點的基礎上，提出了切實有效、科學合理的水土保持設計要點，以期為我國同類工程水土保持設計提供借鑒。

1 項目概況

南水北調中線一期工程是緩解華北地區資源性缺水問題的特大型、跨流域調水工程，其中河南段包括陶岔至沙河南段、沙河南至黃河南段、穿黃工程和黃河北至漳河南段，線路全長約730.33 km，設計流量為235～350 m3/s，屬Ⅰ等大(1)型工程。工程區地貌類型以丘崗和傾斜平原為主，土壤類型以褐土、棕壤、黃棕壤為主，林草覆蓋率為23.62%，水土保持區劃屬北方土石山區和南方紅壤區，水土流失以面蝕和溝蝕為主，土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主。

2 水土保持設計難點

2.1 棄渣場防護措施設計難度高

棄渣場所在區域和渣體的土質較差，具有遇水膨脹、失水收縮的特點，在降水、退水的循環過程中，反復的脹縮變形導致土體的膨脹力超過或接近承載能力，造成邊坡局部隆起、坍塌、滑動等，影響棄渣場穩定，導致棄渣場水土流失嚴重，水土流失防治難度較大。鑒于膨脹土的特性，如何有效開展棄渣場防護工作，以保障棄渣安全堆存，是水土保持設計的一個難點。

2.2 工程建設產生的棄渣量大，棄渣場選址難度高

工程建設共產生棄渣37 538.57萬m3，渠道兩側多為農田、村莊、城鎮、工礦企業等，敏感建筑物較多，可以作為棄渣場的空間有限。棄渣場選址如何做到最大程度利用開挖土石方，實現土石方高效利用的同時盡可能減少對地表植被的擾動，保證區域經濟健康可持續發展，是水土保持設計的又一難點。

2.3 綠化空間有限，植物措施配置難度高

工程始于陶岔渠首，止于漳河南端，工程沿線征地紅線寬度受限，永久占地絕大部分被主體工程占用，可綠化空間受限，以往同類水利工程僅從水土保持角度出發，設計了渠道沿線的坡面植被護坡和管理范圍防護林，植物措施配置單一，與沿線環境的協調性差，生態景觀效果不佳。然而南水北調工程作為國家“四橫三縱”水網空間布局的重要組成部分，其配套植物綠化措施應采用高標準設計，如何運用有限的空間配置高標準植物綠化措施，保護干渠水質，改善區域環境，實現沿線空間生態經濟社會協同發展是水土保持設計的一個技術難點。

3 水土保持設計要點

針對水土保持設計難點，在全面分析工程施工工藝、工程區地質條件、土石方開挖利用情況等基礎上，提出水土保持設計要點，形成科學合理的棄渣綜合利用方案，建立完善的棄渣場防護措施體系，打造高標準綠化景觀設計。

3.1 采用新技術提升棄渣場勘測工作

針對膨脹土棄渣場勘測工作，采用多旋翼無人機搭載五鏡頭高分辨率相機及三維激光掃描儀，運用多角度傾斜攝影，在航線規劃上增加重疊度，獲取棄渣場的三維實景模型。并通過激光掃描獲取DEM數據，通過無接觸方式得到棄渣場的實際影像及空間數據。棄渣場三維實景模型可清晰分辨出棄渣場邊坡的失穩形態、失穩范圍、失穩所產生的貫通性長裂縫，并且可以在模型中直接測量失穩體尺寸以及裂縫的延伸長度和寬度。通過高精度的地表模型，方便、準確、快捷地獲取失穩邊坡的相關參數，降低測繪人員的安全風險，提高勘測工作的效率和準確性，為棄渣場邊坡穩定性分析、邊坡加固方案設計、棄渣場防護措施設計等奠定了精準可靠的數據基礎。

3.2 構建棄渣場綜合防護措施體系

基于膨脹土棄渣場邊坡具有遇水膨脹、失水收縮、極易坍塌失穩的特點，通過對降雨入滲條件下棄渣場邊坡穩定驗算，在保障邊坡穩定的基礎上，設計建立“上截-中排-中固-下攔”的膨脹土棄渣場綜合防護措施體系。

“上截”是指簡易環保型上側坡面排水設施設計，主要包括擋水結構、錨固設施和頂面種植槽。其中擋水結構布置于坡面；錨固設施布置于擋水結構底部，利用錨固設施將擋水結構固定在坡面，錨固設施的頂面有保護蓋；頂面種植槽布置在擋水結構的頂面，種植槽內栽植灌草和攀緣植物。這種設計具有施工速度快且費用較低的特點，不影響下部堆渣區域的棄渣活動，適用于棄渣場和松散堆積體上側坡面的截排水設施設計。

“中排-中固”是指棄渣場邊坡坡面排水與加固的生態防護結構設計，包括“人”字形鋼筋混凝土格構和錨桿群。其中“人”字形格構布設于邊坡上，表面有擋水匯流設施和排水系統，用于及時排出坡頂和坡面匯水，格構內進行覆土綠化；錨桿布設于“人”字形格構節點上，與格構采用剛性連接整澆為一體，基于格構形態布設擋水截水設施。“人”字形格構可以有效控制邊坡局部變形和垮塌，表面排水系統可以減少降水對坡面的沖淋作用，減少坡面侵蝕；錨桿可以提高邊坡抗滑抗剪能力。這種設計既滿足邊坡坡面排水和加固的要求，又有生態護坡的作用，有效防治膨脹土棄渣場的水土流失。

“下攔”是指具有棄渣場坡腳攔擋作用的鎖鏈式生態擋墻，主要包括鏈塊和砌塊，其中鏈塊材料為鋼筋混凝土，砌塊材料為無砂混凝土。鏈塊中間有傾斜孔洞，可以插入土釘或錨桿以增加墻體穩定性；砌塊中間布設種植槽，用于覆土綠化。鎖鏈式生態擋墻同時具備自主排水和生態景觀功能，此外對地形和地質的適應能力也較強。

“上截-中排-中固-下攔”的膨脹土棄渣場綜合防護措施體系可有效提高棄渣場邊坡穩定性，切實保障膨脹土棄渣場堆渣穩固，全面防治棄渣場水土流失，可為同類工程提供技術參考。

3.3 實現棄土棄渣高效綜合利用

工程土石方開挖填筑量大，產生了大量的棄土棄渣。為實現棄土棄渣的高效綜合利用，首先考慮將棄土棄渣用于工程填筑、取料場回填、城市基礎設施建設、建筑材料制造等方面，而后依據棄渣場周邊環境特點，考慮用于土地復墾(復耕、經果林栽植)、農業開發、景觀公園建造等方面。棄土回填造地、棄渣堆高造景是減少地表擾動、實現棄土棄渣綜合利用的有效方式。工程穿越城市區域時，將產生的棄土用于回填復耕，保障農業生產能力；將產生的大量棄渣就近堆置在渠道兩側，在保證渣體穩定安全且對總干渠不產生風險的前提下，打造“城市陽臺”“網紅打卡地”等旅游景觀，供市民登高望遠，近距離感受南水北調工程的宏偉，增加城市的亮點和吸引力，從而帶動生態旅游產業發展。例如，焦作段利用表層土和棄土回填沿線的磚窯坑、低洼地、廢棄溝壑，為臨時用地復耕創造條件，為農業大省河南補充了大量耕地；東邙山棄渣場與穿黃工程遙相呼應，是遠眺穿黃工程和觀賞櫻花的絕佳平臺，利用棄渣打造的觀景臺現已成為著名的旅游打卡地。

基于工程特點，提出棄土棄渣綜合利用方式中加入微地形改造和城市景觀建設的新舉措，在實現棄土棄渣資源化利用的同時推動農業產業和生態旅游產業發展，可為同類工程棄土棄渣綜合利用提供參考。

3.4 植物措施設計與歷史文化、風景園林設計緊密結合

工程區現有林木資源質量較低，絕大部分是人工林，且樹種比較單一。打造工程沿線生態走廊，推動生態防護林建設，實施園林綠化，對工程區生態保護具有重要意義。植物措施設計依照園林景觀設計標準，在工程區永久管理區建造園林景觀式生活區，在總干渠兩側建設生態防護林帶，景觀樹(草)種和水土防護林的樹(草)種合理搭配。依據工程不同區段的土質類型、渠道開挖形式等，在總干渠內外邊坡、三角地、進場道路兩側、管理區等永久占地范圍內實施菱形框格、拱形框格、六角框格植草護坡和草皮護坡等植物措施，采取喬灌草花立體搭配，保證生態景觀效果，既實現水土保持目標，又改善區域景觀環境，提升工程生態品質。

此外，工程區多處景觀節點設計與河南商朝文化結合，將代表河南的商朝文化運用到景觀綠化工程中，景觀綠化造型與商代甲骨文、鼎形態結合，打造具有文化底蘊和內涵的景觀綠化節點，將南水北調中線工程的水文化與歷史文化融合，全面提升工程生態品質和人文品位。

4 結 語

基于復雜的工程地質條件和高標準的生態保護需求提出的南水北調中線一期工程河南段水土保持措施體系順利解決了工程水土流失治理難點，實施后水土流失防治效果顯著，可為同類大型引調水工程水土保持設計提供借鑒和參考。