表土?xí)捍鎴?chǎng)布置及防護(hù)措施設(shè)計(jì)研究
——以垣曲抽水蓄能電站工程建設(shè)為例

叢日亮 王文瑞

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司）

表土是指在土壤剖面中最靠近地表、有機(jī)質(zhì)和微生物含量最多、對(duì)地力快速恢復(fù)和植物生長(zhǎng)最有利的表層土壤，它是一種稀缺的、短期難以再生的、具有重要生態(tài)價(jià)值的基礎(chǔ)性資源[1]。抽水蓄能電站工程建設(shè)工期相對(duì)較長(zhǎng)，建設(shè)地點(diǎn)多為山丘區(qū)，交通不便，施工中修建大壩、輸水、導(dǎo)流等水工建筑物，建設(shè)施工道路和布設(shè)施工生產(chǎn)生活區(qū)，征占地面積和動(dòng)土石方量均較大，對(duì)地表擾動(dòng)和植被破壞嚴(yán)重[2]。工程后期植被恢復(fù)所需覆土量較大，加之工程工期較長(zhǎng)，如表土防護(hù)措施不當(dāng)則極易造成表土養(yǎng)分和表土中的大量植物種子庫(kù)流失[3]。因此，表土?xí)捍鎴?chǎng)的布置和防護(hù)措施在水電工程建設(shè)過程中顯得尤為重要?，F(xiàn)以山西垣曲抽水蓄能電站建設(shè)為例，就此問題進(jìn)行探討。

1 工程及項(xiàng)目區(qū)概況

1.1 工程概況

山西垣曲抽水蓄能電站位于運(yùn)城市垣曲縣境內(nèi)，上水庫(kù)位于東坪村所在的沖溝—關(guān)家溝內(nèi)，下水庫(kù)位于院后村下游0.5 km處的清水河主河道上，上、下水庫(kù)的水平距離約3.3 km。電站初擬安裝4 臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的立軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)，總裝機(jī)容量1 200 MW。工程新建場(chǎng)內(nèi)道路29.17 km，其中永久道路18.24 km，臨時(shí)道路10.93 km。工程總征占地面積387.71 hm2，其中永久占地229.88 hm2，臨時(shí)占地157.83 hm2。工程土石方總量1 858.44萬m3，總工期75個(gè)月，其中工程準(zhǔn)備期6個(gè)月，主體工程施工期57個(gè)月，完建期12個(gè)月。

1.2 項(xiàng)目區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)地處西北黃土高原土石山區(qū)，氣候類型屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年均氣溫13.3℃，極端最高氣溫40.5℃，極端最低氣溫-13.7℃；年均降水量628.2 mm，7-9月降雨量占年降水量的56.5%；年均風(fēng)速2.6 m/s，瞬時(shí)最大風(fēng)速23.0 m/s；無霜期220 d，最大凍土深度37 cm。項(xiàng)目區(qū)土壤類型，主要為褐土。植被屬暖溫帶落葉闊葉林區(qū)，喬木以栓皮櫟、側(cè)柏、刺槐為主，灌木以荊條、黃櫨、黃刺玫、連翹為主，草本植物主要有白羊草、虎尾草、莎草、狗尾草及蒿類等，植被覆蓋率高達(dá)85%。

2 項(xiàng)目建設(shè)表土剝離總量確定

在工程建設(shè)過程中，對(duì)表土本著“用多少剝多少”的原則進(jìn)行剝離。當(dāng)表土不夠時(shí)，適當(dāng)加大剝離厚度，少量剝離非表層土補(bǔ)充表土量，并通過種植豆科牧草、增施有機(jī)肥等方法對(duì)非表層土進(jìn)行改良。

根據(jù)工程占地性質(zhì)、占地地類和水土保持防治分區(qū)，確定表土利用方向（如復(fù)耕、恢復(fù)林地或草地等），進(jìn)而確定工程區(qū)表土剝離總量。依據(jù)上述原則及方法，確定本工程建設(shè)表土剝離總量為35.13萬m3（自然方）。

本工程用覆土量來確定表土剝離量，表土剝離量和覆土量均采用自然方計(jì)算，而實(shí)際覆土?xí)r表土為松方，且覆土?xí)r還會(huì)增施農(nóng)家肥或有機(jī)肥，這些因素都會(huì)使實(shí)際表土量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)表土和覆土量。因此，采用自然方計(jì)算表土剝離量時(shí)不再乘以損耗系數(shù)，亦能滿足后期覆土需求量。

3 表土?xí)捍鎴?chǎng)布置情況

3.1 布置原則

表土?xí)捍鎴?chǎng)布置結(jié)合表土平衡分析進(jìn)行，并遵循以下原則：①表土場(chǎng)布置不得影響工程建設(shè)、居民生活以及交通干線或其他重要基礎(chǔ)設(shè)施安全；②優(yōu)先選擇項(xiàng)目占地的內(nèi)部預(yù)留用地或建設(shè)期間擾動(dòng)少的空地布置[4]；③表土場(chǎng)依場(chǎng)內(nèi)交通道路布置及表土來源和后期利用方向就近布置，避免或減少新建施工便道，減少運(yùn)距；④表土剝離后妥善堆放，耕作層、犁底層和心土層土壤分層堆放，避免熟土和半熟土混在一起[5]，更不得與其他一般土方混合堆放；⑤表土場(chǎng)采取必要的攔擋、苫蓋、種草、排水等臨時(shí)防護(hù)措施，避免新增水土流失，切實(shí)保護(hù)表土資源。

3.2 規(guī)劃布置情況

根據(jù)表土?xí)捍鎴?chǎng)的布置原則和本工程施工組織設(shè)計(jì)，結(jié)合交通道路、表土剝離、回覆區(qū)域等綜合因素，按上、下庫(kù)兩大區(qū)域選定緊鄰上下庫(kù)聯(lián)系公路的嶺溝支溝和11#施工臨時(shí)道路的沖溝布置上、下庫(kù)表土?xí)捍鎴?chǎng)。表土?xí)捍鎴?chǎng)規(guī)劃布置情況詳見表1。

表1 上、下水庫(kù)表土?xí)捍鎴?chǎng)規(guī)劃表

4 表土?xí)捍鎴?chǎng)穩(wěn)定性分析

本工程表土?xí)捍鎴?chǎng)堆存表土量較大，在籌建期即投入使用，直至工程結(jié)束，表土堆存時(shí)間較長(zhǎng)，堆積較高，因此，需對(duì)表土?xí)捍鎴?chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。參考《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》（SL 575-2012）表10.3.6，種植土自然安息角取27°，容重取16 kN/m3。本工程表土堆存坡比為1∶3，每堆高10 m設(shè)一2 m 寬?cǎi)R道。根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51018-2014），采用簡(jiǎn)化畢肖普法對(duì)正常運(yùn)用工況和連續(xù)降雨期的非常工況進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算采用理正邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算軟件，計(jì)算結(jié)果見表2。

由計(jì)算結(jié)果可知，表土?xí)捍鎴?chǎng)按設(shè)計(jì)邊坡堆存后，在正常工況和非常工況下，滿足穩(wěn)定要求。

表2 表土?xí)捍鎴?chǎng)穩(wěn)定安全計(jì)算結(jié)果表

5 表土?xí)捍鎴?chǎng)防護(hù)措施設(shè)計(jì)

5.1 攔擋工程設(shè)計(jì)

由于本表土?xí)捍鎴?chǎng)堆存表土量較大且堆存時(shí)間長(zhǎng)，根據(jù)暫存場(chǎng)地形、建材、施工、經(jīng)濟(jì)及其對(duì)周圍環(huán)境的影響，在暫存場(chǎng)下游坡腳布置鋼筋石籠擋墻進(jìn)行攔擋防護(hù)。擋墻采用“品”字型布置，頂寬1.0m，底寬2.0 m。鋼筋石籠相對(duì)漿砌石或混凝土擋墻，具有施工簡(jiǎn)單快捷、地基適應(yīng)性強(qiáng)、可就地取材（撿集開挖廢棄石料填筑鋼筋籠）、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

5.2 截排水工程設(shè)計(jì)

為保證堆存表土穩(wěn)定及防治水土流失，在表土?xí)捍鎴?chǎng)周邊設(shè)置漿砌石梯形截水溝，將坡面徑流引至下游。截水溝陡坡段布設(shè)階梯式跌水，末端布置消力池。為排除表土?xí)捍鎴?chǎng)頂面和坡面匯水，在表土?xí)捍鎴?chǎng)頂面前沿和馬道內(nèi)側(cè)設(shè)置排水溝，將堆土頂面和坡面上的來水引至周邊截水溝內(nèi)，一同導(dǎo)入暫存場(chǎng)下游，以防止對(duì)表土堆存穩(wěn)定產(chǎn)生影響。為防止表土?xí)捍鎴?chǎng)沉降對(duì)排水溝形成破壞，排水溝采用混凝土結(jié)構(gòu)。

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，從棄渣場(chǎng)角度考慮，依據(jù)堆存量、最大堆存高度考慮，上、下庫(kù)表土?xí)捍鎴?chǎng)分別為3 級(jí)和4 級(jí)棄渣場(chǎng)。由于表土?xí)捍鎴?chǎng)為臨時(shí)性堆棄，上庫(kù)表土?xí)捍鎴?chǎng)防洪標(biāo)準(zhǔn)按10 a 一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，下庫(kù)表土?xí)捍鎴?chǎng)防洪標(biāo)準(zhǔn)按5 a 一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。依據(jù)水文專業(yè)提供的洪峰流量計(jì)算成果，上庫(kù)表土?xí)捍鎴?chǎng)10 a 一遇洪峰流量為3.31 m3/s，下庫(kù)表土?xí)捍鎴?chǎng)5 a 一遇洪峰流量為1.35 m3/s。按據(jù)明渠均勻流水力計(jì)算，結(jié)果見表3。

截水溝設(shè)計(jì)考慮30 cm 安全超高，即截水溝設(shè)計(jì)水深+30 cm 為各截水溝的斷面高度。同時(shí)，根據(jù)截水溝地形坡度，在截水溝末端布置階梯式跌水，并在出口設(shè)置消力池。

5.3 植物措施設(shè)計(jì)

為防止表土功能退化和造成新的水土流失，表土堆存過程中，及時(shí)采用土工布、密目網(wǎng)等材料進(jìn)行苫蓋。表土場(chǎng)達(dá)到設(shè)計(jì)堆存高度后，對(duì)其坡面及頂面分別按5∶3∶2 混播白三葉、白羊草、早熟禾進(jìn)行防護(hù)，播種量20 g/m2。施工結(jié)束后，對(duì)上庫(kù)、下庫(kù)表土?xí)捍鎴?chǎng)進(jìn)行穴狀整地，栽植側(cè)柏和刺槐，株行距3.0 m×3.0 m。

表3 截水溝水力計(jì)算成果表

6 結(jié)語

（1）生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中執(zhí)行“表土剝離、保存和利用”，是貫徹落實(shí)《水土保持法》的需要，更是工程植被恢復(fù)、最大程度減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞、實(shí)現(xiàn)表土資源最大價(jià)值的需要。

（2）對(duì)于水電工程等大型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，工程永久占地開挖裸露面綠化、臨時(shí)用地植被恢復(fù)所需要的表土量較大，加之表土堆存時(shí)間較長(zhǎng)，因此，在水電項(xiàng)目建設(shè)過程中，表土剝離后的堆存、防護(hù)尤為重要。

（3）在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，水土保持專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)棄渣場(chǎng)、料場(chǎng)、施工臨建區(qū)等區(qū)域綠化、復(fù)墾等覆土需求量，經(jīng)平衡分析后，確定表土剝離量；并根據(jù)需要堆存的表土量，與施工組織設(shè)計(jì)、地質(zhì)、移民等專業(yè)溝通、協(xié)調(diào)，在綜合考慮表土運(yùn)輸、堆存地質(zhì)、占地面積、表土堆存防護(hù)條件以及后期利用方向等因素下，合理選定表土?xí)捍鎴?chǎng)。

（4）表土堆存期間，選種臨時(shí)綠化植物時(shí)，應(yīng)選擇有利于改善土壤肥力和理化性質(zhì)的草種，防止表土退化，同時(shí)因地制宜地做好表土堆存的管護(hù)，最大程度的保護(hù)和利用表土資源。