丘陵區(qū)風電項目水土保持措施設計研究

鄒小陽，周 旺，劉 濤，楊以翠，肖克飚，申云康

(1.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530000；2.中科院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

能源是國家經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的動力源泉，也是支撐人類文明快速發(fā)展和生活品質(zhì)提升的基礎[1]。20世紀至21世紀初期，煤炭、石油等不可再生資源是能源消費結構的主要組成部分[2]，但不可再生資源存在不可持續(xù)性、污染環(huán)境和安全性等問題，嚴重阻礙了經(jīng)濟和社會發(fā)展[3]。這促使各國開始發(fā)展清潔、可再生的新能源，根據(jù)《2013全球可再生能源現(xiàn)狀報告》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球已有140余個國家制定了可再生能源發(fā)展規(guī)劃和國家政策[4]。預計到2020年，新能源應用率將達到15.50%，風能在新能源結構中占據(jù)了重要地位[5]。

興建風電項目是有效利用風能的方式，預計2020年我國陸地風電項目裝機總容量達到1.70億kW[6]。風電項目推進綠色新能源發(fā)展的同時，也對周邊生態(tài)環(huán)境造成很大威脅，易引發(fā)嚴重的水土流失危害[7- 8]。前人的研究主要集中于山地風電項目水土流失的防治[7，9- 12]，而我國風能資源最豐富的地區(qū)位于海南、廣西、廣東等沿海地區(qū)，這些地區(qū)地形地貌以丘陵地貌為主。因此，本文以華潤電力梧州蒼梧六堡一期50MW風電場工程為研究對象，總結適宜我國沿海省市丘陵地貌區(qū)風電項目的水土保持措施體系，為我國丘陵區(qū)風電項目水土保持措施和生態(tài)景觀設計提供參考。

1 工程概況

華潤電力梧州蒼梧六堡一期50MW風電場工程位于梧州市蒼梧縣六堡鎮(zhèn)、獅寨鎮(zhèn)一帶的山脊上，距離蒼梧縣約30km。場區(qū)總面積為298.20km2。該項目屬建設類新建項目。按FD002—2007《風電場工程等級劃分及設計安全標準》(試行)，本工程等別為III等，工程規(guī)模為中型。工程動態(tài)投資41982.00萬元，其中土建投資7088.36萬元，工程計劃于2019年1月開工，2019年12月建設完成，項目組成及其特性詳見表1。

2 項目區(qū)概況

項目場址區(qū)屬丘陵地貌，高程400.00～900.00m；項目區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候區(qū)，蒼梧縣多年平均氣溫21.2℃，多年平均降雨量1506.90mm，十年一遇1h降雨量55.60mm，多年平均風速1.80m/s，多年平均蒸發(fā)量1503.10mm，項目區(qū)內(nèi)土壤侵蝕背景值為465.00t/(km2·a)；區(qū)域土壤類型以紅壤為主，地帶性植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，項目區(qū)林草覆蓋率達88.00%。項目區(qū)水系屬于珠江流域西江水系。項目區(qū)在全國土壤侵蝕類型區(qū)劃中屬水力侵蝕類型區(qū)的南方紅壤丘陵區(qū)，水土流失以輕度水力侵蝕為主，容許土壤流失量為500.00t/(km2·a)。本工程所在地蒼梧縣不屬于國家級水土流失重點預防區(qū)和重點治理區(qū)，屬桂東山地丘陵自治區(qū)級水土流失重點治理區(qū)。

表1 工程特性表

3 水土保持措施設計原則

3.1 布設原則

為有效治理工程建設新增水土流失及原有水土流失，本工程水土流失防治措施布設遵循“預防為主、保護優(yōu)先、全面規(guī)劃、綜合治理、因地制宜、突出重點、科學管理、注重效益”的原則。

3.2 總體布局

本工程水土流失防治措施布局主要是將具體措施細化到各項目功能區(qū)上。對于各水土流失防治分區(qū)，主要是在主體工程采取的邊坡防護等措施的基礎上，加強施工管理和臨時防護措施，同時對各區(qū)進行植物綠化措施，使整個工程形成一個較為完善的水土流失防治體系。

本工程各分區(qū)采取的水土保持措施主要有：施工前對發(fā)電場區(qū)、升壓站建設區(qū)、道路建設區(qū)、集電線路區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)和棄渣場進行表土剝離，同時對臨時堆土場周邊布置臨時排水、沉沙措施。

4 各工程區(qū)水土保持措施典型設計

4.1 風力發(fā)電場區(qū)

風力發(fā)電場區(qū)典型設計圖如圖1所示。

圖1 風力發(fā)電場區(qū)水土保持措施設計圖

4.2 升壓站建設區(qū)

升壓站建設區(qū)典型設計圖如圖2所示。

圖2 升壓站建設區(qū)水土保持措施設計圖

主體工程設計時，已對升壓站周邊部分區(qū)域設置了漿砌石排水溝，但在施工期間，為了疏導站內(nèi)排水，需在升壓站建設區(qū)區(qū)域四周內(nèi)布設臨時排水溝，排水溝內(nèi)鋪土工膜防沖，排水溝長約300.00m，鋪土工膜345.00m2。為防止泥沙流入周邊水體，在排水溝末端各設置沉沙池1座。

4.3 道路建設區(qū)

4.3.1挖方路段

根據(jù)挖方路段沿線情況，對匯水面較大且主體設計中沒有考慮道路排水的路段，在其道路兩側設置漿砌石排水溝，排水溝長500.00m。

主體設計中沒考慮與自然溝道的順接。為防護邊坡穩(wěn)定，使場內(nèi)道路排水順暢，本方案根據(jù)道路沿線情況，在排水溝與自然沖溝順接處增設漿砌石排水溝，排水溝長300.00m。

4.3.2半挖半填路段

根據(jù)道路沿線情況，對匯水面較大且主體設計中沒有考慮道路排水的路段，在其挖方邊坡坡頂設置漿砌石截水溝、坡腳設置漿砌石排水溝，截(排)水溝長3500.00m。根據(jù)道路沿線情況，在排水溝與自然沖溝順接處增設漿砌石排水溝，排水溝長1100.00m。

4.3.3填方路段

根據(jù)道路沿線情況，對匯水面較大且主體設計中沒有考慮道路排水的路段，在道路兩側設置漿砌石排水溝，排水溝長200.00m。根據(jù)道路沿線情況，在排水溝與自然沖溝順接處增設漿砌石排水溝，排水溝長100m。

4.3.4消力沉沙措施

在沿線排水溝末端設置消力井，兼有沉沙作用。共設消力井10座。消力井為本方案新增工程措施，在此進行井深校核計算。

(1)縮水深hc計算

(1)

式中，hc—收縮斷面水深，m；T0—消力井底部以上的總水頭，m；α—水流動能校正系數(shù)，可采用1.0～1.05，φ流速系數(shù)，一般可取0.95。

(2)后水深hc′計算

(2)

式中，hc′—躍后水深，m；b1—消力井首端寬度，m；b2—消力井末端寬度，m。

(3)出井落差Δz計算

(3)

式中，ht—下游水深，m。

(4)水躍淹沒系數(shù)計算

(4)

代入設計參數(shù)σ0=1.07，在合理區(qū)間范圍內(nèi)，消力井尺寸設計合理。

4.4 集電線路區(qū)

集電線路區(qū)典型設計圖如圖3所示。

圖3 集電線路區(qū)水土保持措施設計圖

工程措施主要有覆土、臨時排水、沉沙、臨時苫蓋和植物措施等。

4.5 施工生產(chǎn)生活區(qū)

施工生產(chǎn)生活區(qū)典型設計圖如圖4所示。

工程措施主要有覆土、臨時攔擋、苫蓋、臨時排水、沉沙、和植物措施等。

表2 棄渣場區(qū)防治措施等級及安全系數(shù)表

圖4 施工生產(chǎn)生活區(qū)水土保持措施設計圖

4.6 臨時堆土場區(qū)

臨時堆土場區(qū)典型設計圖如圖5所示。

圖5 臨時堆土場區(qū)水土保持措施設計圖

工程措施主要有臨時攔擋、苫蓋、排水、沉沙和植物措施等。

4.7 棄渣場區(qū)

根據(jù)本工程的棄渣特點和交通運輸條件，共規(guī)劃布置3個棄渣場，均為坡地型棄渣場。其工程措施主要有表土剝離、覆土、攔擋措施、截(排)水措施、臨時措施及植物措施等。

棄渣場共修筑擋渣墻38.00m，截水溝1135.00m，平臺排水溝590.00m，消力井6個。擋土墻為本方案新增工程措施，在此進行擋土墻及渣體邊坡穩(wěn)定分析。根據(jù)GB 51018—2014《水土保持工程設計規(guī)范》，本工程棄渣場區(qū)防治措施等級及安全系數(shù)見表2。

2#棄渣場占地面積、堆渣量和最大堆高均最大，其擋土墻穩(wěn)定性驗算及渣體穩(wěn)定分析具有典型性及代表性。2#棄渣場擋土墻設計為重力式，墻頂寬度為0.60m，面坡傾斜坡率為1∶0，背坡傾斜坡率為1∶0.5，墻高3.10m。計算簡圖如圖6所示，擋土墻設計尺寸見表3，擋土墻的設計條件見表4。

表3 擋土墻尺寸表

表4 擋土墻設計條件表

擋土墻穩(wěn)定性驗算包括抗滑、抗傾覆和地基承載力的穩(wěn)定性驗算。通過驗算可以得出，設計的擋土墻Kc≥1.2、Ko≥1.4、σmax/σmin<2，能夠滿足抗滑、抗傾覆和地基承載力的穩(wěn)定要求，穩(wěn)定性較好，詳見表5。

表5 擋土墻穩(wěn)定性驗算表

渣體邊坡穩(wěn)定分析，使用瑞典圓弧法對堆渣體邊坡的穩(wěn)定性進行分析驗算可以得出，設計的渣體邊坡K≥1.15，能夠滿足邊坡抗滑的要求，穩(wěn)定性較好。計算結果詳見表5。

對棄渣場坡面截水溝過水斷面進行校核，通過水文計算，截水溝洪峰流量計算結果詳見表6。截水溝采用矩形斷面，尺寸為0.50m×0.50m，對其過流能力進行復核，截水溝設計流量及匯水流量計算結果詳見表7。通過計算，Q設>Qm，截水溝設計流量滿足十年一遇防洪標準的要求。

圖6 擋土墻計算簡圖

項目洪峰徑流系數(shù)K1h設計雨量I/mm集水面積F/km2單位換算系數(shù)洪峰流量Qm/(m3/s)1#棄渣場0.655.60.0100.2780.092#棄渣場0.655.60.0250.2780.233#棄渣場0.655.60.0200.2780.19

表7 截水溝設計過水量計算表

棄渣場植物措施配置見表8。

表8 棄渣場植物措施配置表

5 結論

在我國沿海省市(如浙江、廣東、廣西、海南、福建等)“十三五”規(guī)劃中均提到了促進風能資源等新能源發(fā)展，在風電項目逐年增多的背景下，如何實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與風電項目共同協(xié)調(diào)發(fā)展，是目前水土保持行業(yè)的熱點。本文以華潤電力梧州蒼梧六堡一期50MW風電場工程為研究對象，總結適宜我國丘陵區(qū)風電項目的水土保持措施體系，為丘陵區(qū)風電項目水土保持措施設計和生態(tài)景觀設計提供參考。