水利樞紐工程壩后棄渣綜合利用方案研究
——以南瓜坪水庫工程為例

馬 力，王志剛，程 龍

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

水利樞紐工程在推動社會發(fā)展和進步方面具有重要的作用，但由于其本身規(guī)模較大，產(chǎn)生的棄土、棄石等固體物(以下簡稱棄渣)較多，易導(dǎo)致嚴重的水土流失，對周邊生態(tài)環(huán)境造成不同程度的破壞，影響著水利工程與自然環(huán)境的和諧發(fā)展[1- 2]。水利樞紐工程開發(fā)過程中產(chǎn)生的大量棄渣受地形地貌、水文地質(zhì)、敏感因子、運輸條件、工程投資等多方面因素的制約，往往很難找到合適的位置集中堆放[3- 4]。工程建設(shè)產(chǎn)生的棄渣是主要的水土流失源[5]，也是水土流失防治的重點[5- 6]，棄渣的合理利用和堆置成為水土保持工作中的重點和難點[7- 8]。目前棄渣的綜合利用方式主要側(cè)重在制備砂石骨料、造景造地、其他生產(chǎn)建設(shè)項目利用等方面[9- 11]，對如何利用工程自身特點從源頭上盡量減少棄渣的相關(guān)研究較少。文章以南瓜坪水庫工程為例，通過多方案比選的方式研究壩后棄渣綜合利用方案的可行性，為其他水利樞紐工程棄渣綜合利用提供新的思路和借鑒經(jīng)驗。

1 工程及工程區(qū)概況

1.1 工程概況

南瓜坪水庫工程位于云南省麗江市寧蒗彝族自治縣西布河鄉(xiāng)，壩址位于五郎河上游的西岔河河段，下距西布河鄉(xiāng)約18km。工程開發(fā)任務(wù)為灌溉、城鄉(xiāng)供水和綜合利用。水庫總庫容為11762萬m3，正常蓄水位為2299m，死水位為2246m，年供水量為5742萬m3。水庫工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型。樞紐建筑物主要由瀝青混凝土心墻堆石壩、泄水建筑物、取水建筑物、生態(tài)電站等組成，最大壩高為126.6m。樞紐工程土石方開挖總量為482.33萬m3，填筑總量為378.36萬m3，產(chǎn)生棄渣總量為103.97萬m3(含料場剝離料51.51萬m3)，折合松散方為135.16萬m3。

1.2 工程區(qū)概況

工程區(qū)屬橫斷山脈高山峽谷向滇中高原過渡地帶，地震基本烈度為Ⅷ度，地貌類型屬于中山峽谷地貌，地勢總體呈西北高、東南低。水庫地形封閉條件較好，不存在水庫滲漏問題。工程所在流域?qū)俚途暥雀咴撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均年降水量為1022mm，多年平均氣溫為13.7℃，多年平均相對濕度為69%，多年平均風(fēng)速為2.9m/s，多年平均年蒸發(fā)量為1971mm，年無霜期在269d以上。土壤類型以燥紅土、水稻土、紅壤、黃棕壤、棕壤、紫色土等為主。樞紐工程植被以常綠闊葉林為主，局部山頂或陽坡上分布云南松純林。工程區(qū)屬滇中北省級水土流失重點治理區(qū)，容許土壤流失量為500t/(km2·a)。工程占地區(qū)水土流失以水力侵蝕為主，兼有崩塌、滑坡等重力侵蝕現(xiàn)象，背景土壤侵蝕模數(shù)為1260t/(km2·a)，大于工程區(qū)容許土壤流失量。

2 壩區(qū)棄渣場規(guī)劃(原方案)

根據(jù)工程區(qū)周邊地形地貌條件，結(jié)合樞紐工程土石方平衡的要求，原方案將樞紐工程棄渣場布置在壩址右岸上游1.5km處的岸坡上，如圖1所示，占地面積為10.0hm2，占地類主要為耕地、林地和住宅用地，規(guī)劃堆渣高程為2203～2246m，最大堆高為43m，渣場容量為140萬m3，擬堆渣量為103.97萬m3，折合成松方為135.16萬m3，渣場類型為庫區(qū)型棄渣場。

3 壩后棄渣綜合利用方案

南瓜坪水庫工程擋水建筑物為瀝青混凝土心墻壩，壩頂高程為2302.2m，最大壩高為126.6m，壩頂總長為390.0m，壩頂寬12m。大壩上下游均采用上緩下陡的型式，上游在高程2250.0m以上邊坡為1∶2.0，以下邊坡為1∶1.9，并在高程2275.0m和2250.0m處設(shè)置寬2m的馬道。大壩下游在高程2250.0m以上邊坡為1∶1.19，以下邊坡為1∶1.8，并在高程2275.0、2250.0、2225.0m和2200.0m設(shè)置2m寬的馬道。為減少樞紐工程棄渣場占地，盡可能降低棄渣對周邊環(huán)境的影響，將棄渣場布置在瀝青混凝土心墻壩壩后，采用棄渣與壩體相結(jié)合的設(shè)計方式，并將魚類增殖站布置在渣頂平臺上，對棄渣進行綜合利用。文章共提出三種壩后棄渣綜合利用方案。

3.1 方案1：在不改移泄洪放空洞和溢洪道出口的前提下，將樞紐工程棄渣堆置在壩后

根據(jù)工程區(qū)周邊地形條件和水庫兩岸泄水建筑物的出口位置布置情況，將樞紐工程36萬m3的棄渣堆置在壩后，占地面積為2.60hm2，規(guī)劃堆渣高程為2217m，最大堆高為33m，堆渣坡比為1∶2，渣頂平臺面積為1.40hm2，剩余67.97萬m3仍堆置在原庫區(qū)棄渣場，如圖2所示。

圖2 壩后堆渣方案平面布置圖(方案1)

3.2 方案2：將泄洪放空洞和溢洪道出口位置下移，樞紐工程所有棄渣堆置在壩后

若將樞紐工程所有棄渣全部堆置在壩后，必須將泄洪放空洞和溢洪道的出口位置下移，騰出更大的空間容渣?？紤]到泄水建筑物下泄的高速水流對流態(tài)的要求較高，為避免氣蝕帶來的破壞，泄洪放空洞和溢洪道在布置上應(yīng)盡量順直。因此將泄洪放空洞和溢洪道出口下移200m，樞紐工程所有棄渣103.97萬m3全部堆置在壩后，占地面積為5.4hm2，規(guī)劃堆渣高程為2227m，最大堆高為43m，堆渣坡比為1∶2，渣頂平臺面積為3.6hm2，如圖3所示。

圖3 壩后堆渣方案平面布置圖(方案2)

3.3 方案3：將泄洪放空洞出口位置下移，樞紐工程棄渣堆置在壩后

為盡量多地對樞紐工程棄渣進行綜合利用，維持溢洪道出口位置不變，將泄洪放空洞出口位置下移90m，將樞紐工程50萬m3棄渣堆置在壩后，占地面積為3.70hm2，規(guī)劃堆渣高程為2227m，最大堆高為43m，堆渣坡比為1∶2，渣頂平臺面積為1.70hm2，剩余53.97萬m3仍堆置在原庫區(qū)棄渣場，如圖4所示。

圖4 壩后堆渣方案平面布置圖(方案3)

3.4 方案比選

分析圖2～圖4和表1可以看出，方案1由于受泄洪放空洞和溢洪道出口位置的制約，壩后僅可綜合利用樞紐工程棄渣36萬m3，剩余67.97萬m3棄渣仍需堆置在原庫區(qū)棄渣場內(nèi)，棄渣利用率不高；壩后堆渣后，壩后空間進一步被壓縮，無法布置生態(tài)電站，工程生態(tài)、經(jīng)濟效益降低。方案2將泄洪放空洞和溢洪道出口下移200m后，可將樞紐工程所有棄渣進行綜合利用，但由于泄洪放空洞和溢洪道長度的增加，棄渣增多，考慮到工程約一半棄渣來自料場剝離料，因其施工時序問題優(yōu)先產(chǎn)生的棄渣必須經(jīng)過二次倒運才能轉(zhuǎn)運至壩后，不僅增加了工程投資，也會造成大量的水土流失，不利于水土保持。方案3僅將泄洪放空洞出口下移90m，維持溢洪道出口位置不變，該方案可對壩軸線以下部分產(chǎn)生的50萬m3棄渣全部進行綜合利用，渣料平均運輸距離短，施工便利，剩余的53.97萬m3的棄渣(主要為料場剝離料)也無需進行二次倒運，仍直接堆置在原庫區(qū)棄渣場內(nèi)。因此推薦方案3作為本工程的壩后棄渣綜合利用方案。

表1 各壩后堆渣方案特性表

4 壩后棄渣安全、效益分析

4.1 壩后棄渣場安全穩(wěn)定分析

4.1.1棄渣物質(zhì)組成及物理力學(xué)特性

樞紐工程棄渣物質(zhì)由土方和石方組成，其中土方占比為60%，主要來自料場剝離料開挖和場地清表等；石方占比為40%，主要來自大壩基礎(chǔ)、溢洪道和泄洪放空洞的開挖。壩后棄渣物質(zhì)組成詳見表2。根據(jù)地質(zhì)查勘資料，各方案渣體、擋渣墻及地基巖(土)物理力學(xué)參數(shù)建議值見表3。

表2 棄渣物質(zhì)組成

表3 渣體、擋渣墻及地基巖(土)物理力學(xué)參數(shù)

4.1.2渣場穩(wěn)定性計算

根據(jù)渣場堆渣量和堆高確定各渣場級別，方案1和方案3渣場等級為4級，方案2渣場等級為3級。根據(jù)上述地勘資料，擬對方案1、方案2和方案3渣場布置進行渣場整體穩(wěn)定性計算。

渣場整體穩(wěn)定計算采用理正巖土計算軟件5.5版，計算工況按正常運用工況和非常運用工況(即連續(xù)降雨和遭遇地震工況)兩種工況計算。根據(jù)渣場等級相應(yīng)的穩(wěn)定標準，3級渣場正常運用工況安全系數(shù)滿足1.25，4級渣場正常運用工況安全系數(shù)滿足1.20；3級渣場非常運用工況安全系數(shù)滿足1.10，4級渣場非常運用工況安全系數(shù)滿足1.05，渣場抗滑穩(wěn)定安全穩(wěn)定系數(shù)標準見表4。計算方法采取畢肖普圓弧滑動法計算。

表4 渣場抗滑穩(wěn)定安全穩(wěn)定系數(shù)標準

畢肖普圓弧滑動法計算公式：

(1)

式中，K—穩(wěn)定安全系數(shù)；Wi—土條重量；Ci、φ—土條的黏聚力和內(nèi)摩擦角；α—條塊重力線與通過條塊底面中點的半徑之間的夾角；b—土條寬度；MC—水平地震慣性力對圓心的力矩；R—圓弧半徑。

渣場整體穩(wěn)定性計算結(jié)果詳見表5。

表5 渣場穩(wěn)定性計算結(jié)果

計算結(jié)果表明：方案2渣場等級為3級，在正常運用工況下，抗滑穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范值1.25；非常運用工況Ⅱ抗滑穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范值1.10，均不滿足規(guī)范要求。方案1和方案3渣場等級均為4級，在正常運用工況下，方案1和方案3抗滑穩(wěn)定系數(shù)分別為1.33和1.28，均大于規(guī)范值1.20；在非常運用工況I和非常運用工況Ⅱ下，方案1抗滑穩(wěn)定系數(shù)分別為1.23和1.14，方案2抗滑穩(wěn)定系數(shù)分別為1.18和1.10，均大于規(guī)范值1.05。從渣場安全穩(wěn)定分析，方案1和方案3渣場穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

4.2 壩后棄渣效益分析

將樞紐工程棄渣堆置在瀝青混凝土心墻壩壩后，可減少棄渣場臨時占地，降低棄渣對水庫周邊環(huán)境的影響，同時還可利用壩后堆渣形成的渣頂平臺布置魚類增殖站、業(yè)主營地等設(shè)施，節(jié)約工程占地，并可對其進行綠化，形成良好的生態(tài)景觀效果。從工程投資方面來看，方案1主體工程總投資為15099萬元，水土保持總投資為1204萬元；方案2主體工程總投資為21898萬元，水土保持總投資為1750萬元；方案3主體工程總投資為15537萬元，水土保持總投資為1094萬元，從節(jié)省工程投資角度考慮，方案3較經(jīng)濟合理。

5 結(jié)語

隨著全民環(huán)境保護意識的增強和水利行業(yè)強監(jiān)管執(zhí)行力度的提高，將生態(tài)文明理念與實踐融入水利工程設(shè)計和實施過程已成為新形勢下的必然趨勢[12- 14]。南瓜坪水庫工程通過充分協(xié)調(diào)主體工程設(shè)計各專業(yè)優(yōu)化工程布置，從源頭上盡量減少棄渣，合理利用主體空間，將樞紐工程棄渣結(jié)合大壩設(shè)計，對棄渣進行綜合利用，也為其他水利工程棄渣利用和治理提供新的思路和借鑒經(jīng)驗。