輸變電工程建設(shè)低擾動水土保持技術(shù)研究
——以山西省輸變電工程為例

孫中峰, 楊文姬,2, 宋 康

(1.水利部水土保持植物開發(fā)管理中心, 北京 100038;2.山合林(北京)水土保持技術(shù)有限公司, 北京 100038; 3.山西省電力公司, 太原030001)

輸變電工程建設(shè)低擾動水土保持技術(shù)研究
——以山西省輸變電工程為例

孫中峰1, 楊文姬1,2, 宋 康3

(1.水利部水土保持植物開發(fā)管理中心, 北京 100038;2.山合林(北京)水土保持技術(shù)有限公司, 北京 100038; 3.山西省電力公司, 太原030001)

以山西省220 kV及以上輸變電工程為研究對象，從基礎(chǔ)型式、架線安裝、運(yùn)輸方式及防治措施等方面進(jìn)行分析與評價，得出一整套輸變電工程低擾動水土保持技術(shù)。結(jié)果表明：錨桿式、巖石嵌固式及掏挖式等原狀土基礎(chǔ)在擾動地表面積和土石方量方面小于大開挖基礎(chǔ)；長短腿配高低基礎(chǔ)在擾動面積和土石方數(shù)量方面是最優(yōu)組合；不落地放線技術(shù)比常規(guī)放線技術(shù)減少擾動面積50%～70%；索道運(yùn)輸方式減少占地73%～92%；土工布覆蓋技術(shù)節(jié)約水土保持投資8%；植被恢復(fù)措施節(jié)約水土保持投資6.54%；低擾動水土保持技術(shù)與傳統(tǒng)施工工藝相比減少占地面積4.55%～34.42%，減少土石方量7.81%～25.86%，減少土建投資0.59%～22.49%，減少總投資1.83%～17.50%。

輸變電工程; 水土保持; 低擾動技術(shù)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入逐年加大，基本建設(shè)項目數(shù)量急劇增加，建設(shè)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，對我國經(jīng)濟(jì)以較高速度發(fā)展起到一定的支撐作用。但是，在項目建設(shè)過程中，存在著地表擾動、植被破壞以及大量的土石方開挖和堆棄問題，若不采取相應(yīng)措施，勢必會造成較為嚴(yán)重的水土流失，直接危害項目區(qū)及周邊的生態(tài)與環(huán)境，并對項目的生產(chǎn)運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅[1]。開發(fā)建設(shè)項目水土流失規(guī)律及防治技術(shù)目前成為水土保持學(xué)科研究的一個重點(diǎn)。

輸變電工程建設(shè)受工程沿線地形地貌及“線性”活動方式的影響，主體、配套工程涉及破壞范圍少則幾公頃，多則達(dá)數(shù)百公頃。由于項目組成、施工工藝和運(yùn)行方式多樣，且地表裸露、土方堆置松散、人類機(jī)械活動頻繁，輸變電工程建設(shè)造成的水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、重力侵蝕呈時空交錯分布、突發(fā)、歷時短、強(qiáng)度大等特點(diǎn)[2]。由于輸變電工程在施工中進(jìn)行挖、填、棄、平等活動，使得地表土壤原有覆著物遭受嚴(yán)重破壞，改變了土壤的理化性質(zhì)，使得土壤顆粒的緊密結(jié)構(gòu)遭到破壞，不能很好地抵抗外來營力的侵蝕，水土流失急劇增加，所產(chǎn)生的水土流失強(qiáng)度往往高出自然侵蝕強(qiáng)度的3～8倍[3]。

研究通過對山西省數(shù)十個220 kV及以上輸變電工程建設(shè)過程進(jìn)行全面調(diào)查、觀測、分析，從塔基型式、放線技術(shù)、運(yùn)輸方式、措施布設(shè)等方面總結(jié)出一系列輸變電工程建設(shè)過程中的低擾動水土保持技術(shù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)來源于實(shí)地觀測、記錄和統(tǒng)計分析。

1 低擾動塔基型式研究

1.1 基礎(chǔ)型式對比研究

輸電線路桿塔地下部分的總體統(tǒng)稱為基礎(chǔ)。它的作用是用來支撐輸電線路的桿塔?；A(chǔ)型式按開挖方式可分為原狀土基礎(chǔ)和大開挖基礎(chǔ)。原狀土基礎(chǔ)包括插入式基礎(chǔ)、掏挖式基礎(chǔ)、巖石嵌入式基礎(chǔ)；大開挖基礎(chǔ)包括臺階式基礎(chǔ)、板式基礎(chǔ)、灌注樁類基礎(chǔ)。研究選取臺階式基礎(chǔ)、板式基礎(chǔ)、插入式基礎(chǔ)、掏挖式基礎(chǔ)、巖石嵌入式基礎(chǔ)、錨桿式基礎(chǔ)和灌柱樁基礎(chǔ)，從開挖基面、土石方量及施工臨時占地等方面進(jìn)行分析比較。

1.1.1 基坑開挖范圍(降基面)及施工臨時占地分析 基坑開挖范圍(坡地稱降基面)又稱施工基面。平地上施工時，施工基面為四個基坑的開挖面積，在斜坡上施工時，四個基礎(chǔ)腿要在一個平面上，需要把斜坡鏟成一個平面，這個平面的占地面積就為降基面。降基面產(chǎn)生的主要原因是基礎(chǔ)邊坡保護(hù)范圍不夠，如果不降基則需修砌擋土墻，增加成本?；娱_挖范圍占地為永久性占地。塔基施工臨時用地是指在塔基開挖進(jìn)程中用于堆放臨時堆土、建筑材料及施工人員活動的區(qū)域，為臨時性占地。

通過對山西省不同立地條件下不同基礎(chǔ)類型的塔基定位觀測，得出山西省220 kV及以上輸變電工程塔基降基面范圍及施工臨時占地數(shù)量(見表1)。從表中可以看出掏挖式基礎(chǔ)、巖石嵌固式基礎(chǔ)、斜插基礎(chǔ)及錨桿基礎(chǔ)開挖面積是傳統(tǒng)大開挖基礎(chǔ)的1/5～1/6。與傳統(tǒng)大開挖基礎(chǔ)型式相比，原狀土基礎(chǔ)臨時占地面積略大，其原因主要是由于所用材料及施工方法所致。

表1 不同地形條件下塔基開挖范圍及臨時占地面積 m2

1.1.2 不同基礎(chǔ)型式土石方及棄渣量分析 由于不同基礎(chǔ)型式對保護(hù)范圍、施工操作范圍及基礎(chǔ)體積要求不同，造成塔基降基及基礎(chǔ)開挖土石方數(shù)量不同。研究以山西省多個500 kV輸電線工程不同基礎(chǔ)型式為樣本，研究土石方開挖數(shù)量、混凝土量及塔基范圍內(nèi)堆土數(shù)量及高度，并進(jìn)行比較，得出不同基礎(chǔ)的土石方量情況，見表2。

從表2可以看出，四種基礎(chǔ)開挖產(chǎn)生的臨時堆土量比較關(guān)系為：巖石錨桿<巖石嵌固<基礎(chǔ)掏挖式<大開挖臺階。大板式和臺階式等大開挖基礎(chǔ)由于是非原狀土，為保證基礎(chǔ)穩(wěn)定性往往需要較大的底板面積，底板尺寸一般為原狀土基礎(chǔ)的2～4倍，在基礎(chǔ)深度相同的情況下土石方開挖量約為掏挖式基礎(chǔ)的5倍，為巖石嵌固基礎(chǔ)的10倍，為巖石錨桿基礎(chǔ)的50倍。因此，大開挖基礎(chǔ)施工時將產(chǎn)生大量的土石方量，從水土保持角度分析，在滿足設(shè)計要求的情況下不建議選擇大開挖基礎(chǔ)。

這種工具也被認(rèn)為是實(shí)用性強(qiáng)的詞匯測試工具。不僅信度很高，而且除了能檢測出測試者詞匯量的多寡，同時也能夠?qū)y試者的產(chǎn)出性詞匯量進(jìn)行一個客觀的描述。

基礎(chǔ)施工結(jié)束后，開挖土方大部分用于回填，由于基礎(chǔ)本身占用一定空間，開挖土石方不能完全回填，剩余部分為棄渣。根據(jù)施工資料統(tǒng)計分析得出，大板式或臺階式等大開挖基礎(chǔ)體積為80～100 m3，掏挖式基礎(chǔ)體積為5～10 m3，巖石嵌固基礎(chǔ)體積為2～3 m3，巖石錨桿基礎(chǔ)體積為1～2 m3。由此得出板式或臺階式等大開挖基礎(chǔ)產(chǎn)生的棄渣高出巖石嵌固等原狀土基礎(chǔ)50～80倍。

表2 各基礎(chǔ)型式臨時堆土量 m3

不同基礎(chǔ)產(chǎn)生的棄渣量滿足以下關(guān)系：巖石錨桿基<礎(chǔ)巖石嵌固<基礎(chǔ)掏挖式<大開挖臺階。根據(jù)此結(jié)果，結(jié)合塔位土壤及基巖的力學(xué)性質(zhì)，得出山西省輸電線路塔基型式確定的原則：若塔位處中風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖石時，優(yōu)先選擇巖石錨桿基礎(chǔ)；若薄層土壤下為強(qiáng)風(fēng)化巖石時，優(yōu)先選擇巖石嵌固基礎(chǔ)；若地表為土質(zhì)好的非巖石地基或者上覆蓋土層很厚的巖石地基，且地基土特性滿足掏挖基礎(chǔ)，優(yōu)先采用掏挖基礎(chǔ)；若地表為粘結(jié)力較弱土層，不易掏挖成型時，建議采用大開挖基礎(chǔ)形式。因此，綜合考慮水土保持要求和設(shè)計要求得出塔基型式優(yōu)先選擇的順序為錨桿類、巖石嵌固類及掏挖類。而且，錨桿類基礎(chǔ)開挖面積小，施工面積小，相應(yīng)的施工技術(shù)也比較成熟，能夠在滿足水土保持要求的同時節(jié)約建設(shè)成本。

1.2 不同塔基組合模式對比研究

在較早的輸電線路工程設(shè)計中，山區(qū)塔基基礎(chǔ)設(shè)計中普遍采用等長腿配合等高基礎(chǔ)，這種方式需在坡地上修建一處平臺，再進(jìn)行基礎(chǔ)修建，會產(chǎn)生較大的降基面及挖方量，破壞了植被和原土體的穩(wěn)定性。在近期的設(shè)計中出現(xiàn)了等長腿配高低基礎(chǔ)、長短腿配等高基礎(chǔ)及長短腿配高低基礎(chǔ)等多種塔基組合方式。通過對山西省多個輸變電工程不同塔基基礎(chǔ)組合模式的研究，分析不同塔基組合模式的水土保持效果。不同塔基基礎(chǔ)組合模式見圖1。

圖1 塔腿與基礎(chǔ)組合形式

1.2.1 不同塔基組合模式降基范圍分析 為了解決等長腿配等高基礎(chǔ)(圖1a)擾動地表面積和土石方量過大的問題，在塔基設(shè)計中逐步采用等長腿配合高低基礎(chǔ)(圖1b)，基本解決了在山脊山頭施工要將山體削平的問題；采用長短腿配等高基礎(chǔ)方案(圖1c)，與圖1b種方案相比相差無幾，容易導(dǎo)致塔位低于原地表，破壞了原有土體的穩(wěn)定性，平臺上坡面容易產(chǎn)生水土流失與塌方，不但造成大量開挖，同時也會給塔基安全帶來問題[4]。

通過對山西省多條500 kV輸變電工程塔基組合模式擾動面積進(jìn)行統(tǒng)計分析和計算，得出四種不同組合方式在山西省山區(qū)運(yùn)用過程中擾動地表面積情況，并進(jìn)行對比分析，研究結(jié)果表明長短腿配高低基礎(chǔ)僅是等長腿配等高基礎(chǔ)擾動地表面積的一半，可以很好地解決輸變電項目建設(shè)與水土保持要求的關(guān)系。

1.2.2 不同塔基組合模式土石方量分析 在山地丘陵區(qū)塔基施工中，基面土石方的大量開挖，不但破壞了塔位原有土體的穩(wěn)定性，而且使基面及周圍天然植被受到破壞和占壓。開挖造成大量的棄土堆積在邊坡上，土體松散，降雨時產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失。另外，堆土增加了邊坡附加壓力，在水力和重力雙重侵蝕下，會產(chǎn)生塌方[5]?；娴拇罅客诜剑粌H產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失，而且也給塔基帶來了安全隱患。四種塔腿分別降基能有效解決這一問題，這種小基面的設(shè)計方法使原始地貌的破壞程度降到最小，保證了點(diǎn)位地質(zhì)狀況的穩(wěn)定，同時土方開挖量也大大減少。研究通過對山西省多個500 kV輸變電工程四種不同塔基組合設(shè)計所產(chǎn)生的土石方量進(jìn)行分析統(tǒng)計，得出不同組合模式的土石方量情況，見表3。

表3 不同塔基組合模式土石方量統(tǒng)計 m3

從表中可明顯看出長短腿配高低基礎(chǔ)組合模式下產(chǎn)生棄渣最少，分別為等長腿配等高基礎(chǔ)、等長腿配高低基礎(chǔ)和長短腿配等高基礎(chǔ)的6.0%，9.6%，11.9%。長短腿高低基礎(chǔ)因其開挖量少對應(yīng)的土方工程投資也較其余幾種類型低。

2 不落地放線技術(shù)研究

通過對山西省8個500 kV輸變電工程中應(yīng)用的不落地放線與常規(guī)放線擾動面積的計算和對比，得出的結(jié)論列入表4中。

表4 不落地放線與常規(guī)放線比較

從表中可看出不落地放線技術(shù)的運(yùn)用比常規(guī)放線技術(shù)減少擾動面積50%～70%。不落地放線技術(shù)的實(shí)施，大大減少了輸電線路施工中青苗、果樹、暖棚、植被等地面附著物的損壞，緩解了線路施工中錯綜復(fù)雜的施工環(huán)境和地形因素的困繞，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)引繩分散運(yùn)輸量的減少、導(dǎo)引繩人力展放工作量的減少、放線通道內(nèi)生態(tài)環(huán)境地表附著物損壞的減少和次要跨越架搭設(shè)工作量的減少。從經(jīng)濟(jì)效益方面分析可知，不落地放線技術(shù)由于擾動地表面積少，減少了青苗補(bǔ)償、土地補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用，減少了人力、畜力、機(jī)械 運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用。

3 低擾動運(yùn)輸方式研究

在高大山丘區(qū)施工時，由于交通不便，車輛無法把施工基礎(chǔ)材料運(yùn)送到施工場地，一般做法是利用人行便道或砍去荊棘形成通道，方便施工人員和畜力運(yùn)送材料與設(shè)備。2002年以前，高大山丘區(qū)施工的絕大多數(shù)輸變電工程是通過人背肩扛完成的，后來發(fā)展成專業(yè)的騾馬運(yùn)輸隊伍，提高了施工效率，降低了施工成本。在運(yùn)輸過程中施工人員和畜力頻繁來回走動，難免擾動地表，破壞地表植被，損壞水土保持設(shè)施。

隨著各行業(yè)環(huán)境保護(hù)意識的不斷增強(qiáng)，在山區(qū)運(yùn)輸材料與物資時，部分工程采用低擾動運(yùn)輸方法如索道運(yùn)輸，避免了施工人員和畜力因運(yùn)輸材料而頻繁上下山體，減輕對地表的擾動，減少對水土保持設(shè)施的破壞，進(jìn)一步提高了施工效率，縮短了對生態(tài)環(huán)境的擾動時間。通過對山西省多個輸變電工程運(yùn)輸方式相關(guān)指標(biāo)的對比研究得出，利用索道運(yùn)輸方式產(chǎn)生的施工臨時道路占地較傳統(tǒng)方式減少73%～92%(表5)。

4 低擾動水土保持措施布設(shè)研究

輸變電項目施工區(qū)域所占范圍在整個工程中所占比例較大。輸變電工程建設(shè)過程中，由于安裝設(shè)備、汽車運(yùn)輸、土地平整等需要，對臨時占地進(jìn)行地表擾動，施工結(jié)束后又要進(jìn)行土地整治，兩次動土對地表的破壞較為嚴(yán)重，同時為了防止動土過程中的水土流失，需要對其進(jìn)行防護(hù)，布設(shè)防治措施，這樣的施工方式不但造成水土流失，也增加了水土保持投資。通過實(shí)地調(diào)查和監(jiān)測，采取土工布覆蓋和植被恢復(fù)措施代替表土剝離和人工種植喬灌木后可有效降低水土流失量，節(jié)約水土保持投資，取得了良好的效果。研究結(jié)果表明，采用土工布覆蓋技術(shù)可減少施工期間項目區(qū)水土流失總量的21.59%；采取植被恢復(fù)措施可減少項目區(qū)水土流失總量的15.65%；采取低擾動運(yùn)輸方式可減少項目區(qū)水土流失總量的29.56%，采用低擾動塔基可減少項目區(qū)水土流失總量的9.71%。

采用土工布覆蓋技術(shù)可節(jié)約水土保持投資8%；采取植被恢復(fù)措施節(jié)約水土保持投資6.54%；采用低擾動運(yùn)輸方式可節(jié)約水土保持投資10.27%；采用低擾動塔基可節(jié)約水土保持投資4.8%。根據(jù)山西省輸變電項目目前每年的建設(shè)規(guī)模和進(jìn)度，可節(jié)約水土保持投資約4 500萬元。具體計算見表6。

表5 輸電線路施工道路數(shù)量對比

表6 水土保持關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用效果

5 低擾動水土保持技術(shù)效果分析

通過對山西省輸變電工程低擾動塔基設(shè)計、不落地放線技術(shù)、低擾動運(yùn)輸方式及低擾動水土保持防治措施的觀測與分析，經(jīng)過計算得出低擾動水土保持技術(shù)與傳統(tǒng)施工工藝相比可以減少占地面積4.55%～34.42%，土石方量減少7.81%～25.86%，土建投資減少0.59%～22.49%，總投資減少1.83%～17.50%。減少的數(shù)量與地形相關(guān)，山地及丘陵所占比例越大，效果越明顯，見表7。

表7 低擾動技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)比較

6 結(jié) 論

(1) 掏挖式基礎(chǔ)、巖石嵌固式基礎(chǔ)、斜插基礎(chǔ)及錨桿基礎(chǔ)開挖面積較傳統(tǒng)大開挖基礎(chǔ)占地面積有效減少。不同基礎(chǔ)型式施工所產(chǎn)生的臨時堆土量和棄渣量表現(xiàn)為巖石錨桿式最少，巖石嵌固式和基礎(chǔ)掏挖式次之，大開挖臺階式最多，因此在滿足設(shè)計要求的情況下建議選擇錨桿類基礎(chǔ)型式。

(2) 采用長短腿配高低基礎(chǔ)的組合型式施工中的擾動面積及棄渣量明顯低于等長腿配等高基礎(chǔ)、等長腿配高低基礎(chǔ)、長短腿配等高基礎(chǔ)等組合型式，采取長短退配高低基礎(chǔ)可以有效降低施工中的水土流失。

(3) 不落地放線技術(shù)和索道運(yùn)輸方式的應(yīng)用可有效減少施工中擾動地表面積，具有明顯的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

(4) 采取土工布覆蓋和植被恢復(fù)措施代替表土剝離和人工種植喬灌木后可有效降低水土流失量，節(jié)約水土保持投資。

[1] 水利部,中國科學(xué)院,中國工程院.中國水土流失防治與生態(tài)安全:水土流失數(shù)據(jù)卷[M].北京:科學(xué)出版社,2010:38-52.

[2] 郭索彥,趙永軍.“十五”期間我國開發(fā)建設(shè)項目水土保持工作概況[J].中國水利,2009(7):12-14.

[3] 劉憲春.淺論開發(fā)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測指標(biāo)[J].水土保持通報,2007,27(4):67-70.

[4] 王衛(wèi).輸電線路桿塔及基礎(chǔ)設(shè)計中的環(huán)境保護(hù)措施[J].西北水力發(fā)電,2005,21(6):25-26.

[5] 楊家旺.輸變電工程水土流失規(guī)律研究及防治對策[D].武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2010:39-40.

ResearchonLowDisturbanceSoilandWaterConservationTechnologyIntegrationofPowerTransmissionEngineering-PowerTransmissionEngineeringinShanxiProvinceasExamples

SUN Zhong-feng1, YANG Wen-ji1,2, SONG Kang3

(1.PlantDevelopmentCenterforSoilandWaterConservation,Beijing100038,China; 2.Shanhelin(Beijing)SoilandWaterTechnologyLimitedCompany,Beijing100038,China; 3.StateGridShanxiElectricPowerCompany,Taiyuan030001,China)

Based on samples of 220 kV and above power transmission engineering in Shanxi Province, low disturbance soil and water conservation technology integration is obtained by analyzing and evaluating foundation types, wiring installations, modes of transportation and prevention measures. The conclusions are as follow: the undisturbed soil foundation types, such as anchor arm, rock embedding and digging, bring less disturbing areas and cubic meters of earth and stone than heavy excavation foundation; the mode of unequal legs with unequal depth is the best combination in reducing disturbing areas and cubic meters of earth and stone; the technology of wire release without landing can reduce 50%～70% of disturb areas than convention wire release; by using cableway transportation, about 73%～92% of the disturbing areas can be reduced; the technologies of geotextile lying and revegetation can save 8% and 6.54% of soil and water conservation investment; low disturbance soil and water conservation technology integration can reduce 4.55%～34.42% of disturbing areas, 7.81%～25.86% of cubic meters of earth and stone, 0.59%～22.49% of construction investment and 1.83%～17.50% of total investment than traditional construction process.

power transmission engineering； soil and water conservation； low disturbance technology; integration

2013-08-29

：2013-10-30

國家電網(wǎng)公司科學(xué)技術(shù)項目山西省220千伏及以上輸變電工程水土保持重大防治措施研究(SXL201205)

孫中峰(1972—),男,吉林伊通人,博士,副高,研究方向:水土保持與荒漠化防治開發(fā)建設(shè)項目水土保持。E-mail:szf001@vip.sina.com

S157

：A

：1005-3409(2014)03-0062-06