水庫淹沒區(qū)復建公路總體設計技術思考

湯秀英

(招商局重慶交通科研設計院有限公司, 重慶 400067)

0 引言

隨著我國經濟飛速增長，對能源的需求越來越大，而水電是世界公認的目前最具備規(guī)模發(fā)展的清潔可再生能源，具有受外界自然環(huán)境影響小、可持續(xù)利用年限時間長、對環(huán)境基本無影響、可調峰等諸多優(yōu)點，成為促進經濟發(fā)展和節(jié)能減排的主力軍。大型水電站工程主要由主體(樞紐)工程、庫區(qū)配套工程、輸變電工程等組成。庫區(qū)配套工程又包括庫區(qū)淹沒復建公路、移民安置點、碼頭、景觀綠化等。庫區(qū)復建公路是由于水庫蓄水后淹沒了現有公路，為了保證庫區(qū)交通的暢通而進行的復建[1]。庫區(qū)復建公路實施的好壞關系到沿線群眾的出行、地方經濟的發(fā)展以及電站的整體經濟效益。鑒于庫區(qū)公路為線性工程，線路較長，規(guī)模較大，沿線不良地質問題眾多，形成機制復雜，環(huán)境保護要求高。因此，環(huán)境保護設計思路應貫穿于整個項目總體設計中。本研究以正在建設中的某水庫為例，對復建公路設計中遇到的關鍵技術問題做深入思考。

1 路線設計關鍵技術

1.1 合理確定復建公路標準

公路復建工程項目的修建標準以“原場址、原寬度、原標準”的三原原則為基礎[2]，綜合考慮當地交通需求與經濟發(fā)展規(guī)劃，按照“先公路后水庫”的技術路線，將后期修建水庫對原有公路的影響提前籌劃到公路設計建設中一并考慮[1]，綜合考慮庫區(qū)公路路線走廊帶的資源稀缺性，因地制宜，兼顧水庫區(qū)環(huán)境保護、旅游開發(fā)的需要，適度提高公路等級標準。

1.2 論證選取適宜技術指標

根據水庫設計資料，把原有道路設計標高提高了70～80 m，路線走廊帶由原來的“山腳線”變成了“山腰線”，水庫庫區(qū)地面橫坡陡峭，工程地質災害風險高，環(huán)境保護提出更高要求，應綜合考慮水庫淹沒線和庫岸坍塌寬度后確定復建公路平面線位和標高。平縱面指標宜貼合地形，選取規(guī)范低限指標，采用螺旋展線方式克服高差，盡量減少大挖大填現象。

路線長度和平面位置主要受縱坡控制，在平面設計過程中，頻繁在路基段落設置回頭曲線迂回展線達到降坡目的，在能夠保證車輛安全行駛的基礎上，犧牲部分行車舒適性?？v斷面設計原則為坡腳線平面宜盡量遠離淹沒線，對于部分指標受限路段，可適當降低高度，但不低于水庫淹沒線控制水位高程。

由于庫區(qū)地形復雜，線形多采用小半徑圓曲線與大縱坡的靈活組合，路基形式以挖方路塹或半挖半填結合擋墻為主，對取棄土場選擇應最大限度減少對庫區(qū)環(huán)境的破壞；非橫跨水庫區(qū)減少橋梁結構物設置，需進行多方案論證，確保施工方便易行，工程造價合理可控[3]。

2 預測評估地質風險

2.1 工程地質勘察概況

庫區(qū)地勢自西北向東南傾斜，地貌單元以中低山丘陵地貌為主，谷坡陡峻，河谷深切，一般切割深度大于200 m，河谷、沖溝多呈“V”字型，發(fā)育有山間沉積盆地。工程區(qū)地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期為0.45 s(中硬場地)，其對應的地震基本烈度為Ⅶ 度。區(qū)內出露的主要地層巖性有：(1)侏羅系上統(tǒng)南園組流紋巖、凝灰?guī)r、流紋質晶屑凝灰熔巖。(2)侏羅系上統(tǒng)兜嶺群下亞群砂巖、頁巖、凝灰?guī)r、塊集巖；上亞群流紋巖、晶屑凝灰熔巖。(3)古生界沉積巖：二迭系棲霞組含燧石灰?guī)r，文筆山組泥巖、粉砂巖夾硅質巖；加福組粉砂巖、細砂巖夾煤層；翠屏山組粉砂巖、細砂巖；龍?zhí)督M炭質粉砂巖、砂頁巖、石英砂巖夾煤層。(4)少部分前震旦系建甌群變質巖：龍北溪組白云母片巖、鈉長陽起石片、云母石英片巖。(5)侵入巖主要為燕山早、晚期侵入的中酸性侵入巖體。主要巖性有黑云母花崗巖、細?；◣r、花崗閃長巖、花崗斑巖、次花崗斑巖等。(6)第四系地層有坡殘積層和沖洪積層：坡殘積層為含碎石黏土，一般厚1～3 m，局部達數10 m，分布在低緩山坡地帶；沖洪積層由分選較差的砂礫卵石組成，分布在盆地、沖溝口、河床及岸坡階地上。主要不良地質現象有：崩塌、滑坡、不均勻風化、球狀風化、軟弱夾層，不穩(wěn)定邊坡、坡面沖刷、落石、巖堆及石灰礦、煤礦及煤礦群采空區(qū)等，整體地質環(huán)境復雜程度較高。

2.2 庫區(qū)坍岸風險預測和評估

研究區(qū)域內主要地質風險為當水庫蓄水后，局部庫岸第四系松散堆積層和破碎風化巖受水流浸泡侵蝕、風浪及波浪沖擊、水位變化及干濕交替影響，抗剪強度降低及地下水動水壓力變化造成庫岸變形后移，即水庫坍岸。

在坍岸預測時，采用常用的卡丘金法[5]，其計算簡圖見圖1，公式如下：

S=N[(A+hp+hb)cscα+(H-hb)cscβ-

(B+hp)cscγ]，

(1)

式中，S為坍岸帶最終寬度；A為庫水位變化幅度，取正常蓄水位與死水位的差值；N為與土的顆粒大小有關的系數；hp為波浪沖刷深度；hb為波浪侵襲高度，hb=3.2khtgα，h為浪高，本研究取1.5 m；H為正常蓄水位以上岸坡高度；α為水下穩(wěn)定坡角；β為水上岸坡穩(wěn)定坡角；γ為原始岸坡坡角。

圖1 坍岸預測斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of predicted bank collapse section

式中的水下穩(wěn)定坡角α可根據各典型剖面圖，量測到庫水位上升后，然后按0.8系數折減求出岸坡水下穩(wěn)定坡角；水上岸坡穩(wěn)定坡角β可根據本地區(qū)地層參數經驗值，將內摩擦角和黏聚力折合成等效內摩擦角，就是自然邊坡永久穩(wěn)定的坡角；原始岸坡坡角γ可根據斷面實地測量繪制剖面圖得到。根據以上參數從而可以預測到最終坍岸寬度。

從衛(wèi)星影像圖初步了解庫區(qū)蓄水前的地形地貌特征以及初始庫岸形態(tài)初步判斷是原有不良地質問題復活還是工程誘發(fā)的新問題，借助無人機數據采集、三維實景模擬重點研究蓄水后工點發(fā)生變化后的微地形地貌變化特征，可以從不同角度、空間高度等研究工點具體特征；并為前期擬定工點勘察方案和應急預案提供依據。結合工程地質調繪手段，從宏觀角度對可能坍岸的工點做出預判，再采用輔助調查和現場調查驗證分析方法，由陸到水，由遠及近，對初步認識進行核實、修正、綜合分析后形成基本結論[6]。

庫區(qū)沿岸公路走廊帶現狀局部有滑坡、崩塌、地面塌陷、地裂縫等，但多分布于水庫正常蓄水位(290 m)以下，工程建設過程中和建設后局部安全可能誘發(fā)一定程度的崩塌、滑坡、巖溶塌陷、采空區(qū)塌陷等地質災害發(fā)生。水庫采空區(qū)有可能誘發(fā)低震級的采空區(qū)氣爆型和抽吸型地震的可能性。地質災害危險性小，對公路工程的總體影響小，庫水位波動可能使房屋等建筑地基變形及邊坡失穩(wěn)，其危險性與危害性中等，采取適當的防護措施后，危害程度小。部分坍塌體路段做些工程支擋防護，盡量減少大挖大填，使環(huán)境破壞最小。

3 總體布局統(tǒng)籌兼顧環(huán)境影響

3.1 水土保持環(huán)境生態(tài)修復要求高

研究區(qū)域內水土流失防治責任范圍為525.12 hm2，其中建設區(qū)面積257.64 hm2，直接影響區(qū)面積267.48 hm2。工程建設開挖擾動地表面積為 257.64 hm2，損壞水土保持設施面積為255.38 hm2?？偼诜搅繛?86.76萬m3(其中表土剝離量為14.32萬m3，拆遷建筑垃圾0.90萬m3，開挖土石方量為772.26萬m3)，總填方量為589.68萬m3(其中表土覆土方量為14.32萬m3，回填土石方量為575.36萬m3)，棄方196.18萬m3，運至棄渣場堆置。工程預測時段內因開挖擾動而可能產生的水土流失量為110 765.96 t，其中施工期109 712.87 t，自然恢復期1 412.00 t，工程原地貌水土流失量3 136.70 t，工程新增水土流失量107 629.26 t。棄土接納點屬于水土保持防護范圍，工程棄土不允許占用庫容，水土保持防護和生態(tài)修復要求高。

3.2 山區(qū)棄土場環(huán)保專項設計

為防止發(fā)生水土流失、滑坡、泥石流等次生災害，總體布局特別對山區(qū)棄土場進行了綜合考慮，對風險較大的棄土場進行了穩(wěn)定性分析和生態(tài)修復專項設計。結合GIS系統(tǒng)強大的采集、存儲、管理數據的功能，選用ArcGIS軟件平臺，完成初步選址工作[7]。再采用Geo-Slope/W軟件模擬棄土邊坡在滲流條件下的位移變形如圖2～7所示，結合路基規(guī)范中采用的Bishop法驗證，保證安全系數符合要求[8]。

圖2 正常工況穩(wěn)定性Fig.2 Stability under normal condition

圖3 非正常工況穩(wěn)定性Fig.3 Stability under abnormal condition

圖4 正常工況橫向位移(單位:m)Fig.4 Lateral displacement under normal condition(unit:m)

圖5 非正常工況橫向位移(單位:m)Fig.5 Lateral displacement under abnormal condition(unit:m)

圖6 觀測點橫向位移變化Fig.6 Lateral displacement changes of observation points

圖7 觀測點總位移變化Fig.7 Total displacement changes of observation points

全線棄土場的生態(tài)修復主要是通過修建攔渣壩、柔性擋土墻及對下部邊坡進行加固，采用工程措施與植物措施相結合，不但可以提高安全穩(wěn)定性，還可以有效提高項目區(qū)植被覆蓋率，防止水土流失，改善區(qū)域環(huán)境生態(tài)[9]。具體修復方案為：

(1)漿砌石攔渣壩+植物措施：對溝道型棄土場，在溝道狹窄處設置攔渣壩，壩高控制在3.0～5.0 m，壩體設泄水口，后側棄土分級堆放，棄土平臺采用植物防護，香根草生長快速，扎根生，水土流失防治效果顯著，值得大力推薦。

(2)柔性擋土墻+攀爬植物方案：根據棄渣情況需要修建擋土結構時，在坡腳2.0～4.0 m設置柔性石籠擋墻，沿擋墻外腳趾栽植爬山虎、中華藤等攀爬植物，提高植被覆蓋率，改善生態(tài)景觀[10]。

(3)格子梁+植草(灌木)護坡方案：對于緊鄰公路主干道的棄渣場，景觀要求相對較高，采用格子梁或骨架護坡，在框格內植草灌防護。

(4)加強棄土場區(qū)綜合排水設計[11]。

3.3 總體設計強調道路功能與環(huán)境互適性

針對研究水土保持和環(huán)境保護要求高的特點，總體設計思路特別強調道路的使用功能與環(huán)境相互適應，相互融合，按照山區(qū)綠色公路的設計理念[12]，遵循因地制宜、就地取材、以防為主、防治結合、安全經濟、造型美觀、順應自然、與環(huán)境景觀相協(xié)調的原則，結合路基填挖及填料情況以及施工、養(yǎng)護、運營等因素[13]，統(tǒng)籌考慮路基、路面以及防護和排水措施。路基設計中避免大填大挖，爭取土石方平衡，最大化的利用棄方，上部邊坡多以植物防護替代圬工防護，下部邊坡防護多采用護腳替代擋土墻，盡量降低擋墻高度[14]。

對于橫跨水庫的橋梁，宜減少水中墩柱數量，上部結構適當采用大跨度現澆結構，橋下凈空控制宜綜合考慮庫區(qū)管理和文旅開發(fā)需求，橋梁整體景觀與環(huán)境融為一體，提升文化與藝術品位，滿足水庫高質量發(fā)展的要求[15]。應嚴格遵守水環(huán)境保護和應急管理要求，在橋頭路段設置專業(yè)油水分離設施[16]。

4 結論

水庫淹沒區(qū)復建公路是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及的工程、地質、人文、環(huán)保等因素錯綜復雜，總體設計思路應在確保安全穩(wěn)定的前提下[17]，準確合理預測和評估坍岸地質風險，靈活采用路線指標，合理進行工程布局，保障施工安全便利及應急搶險的需要，使工程與周邊環(huán)境協(xié)調，滿足庫區(qū)整體建設和開發(fā)需要，選擇經濟適用、全面統(tǒng)籌的優(yōu)化方案是設計人員需要深入思考和解決的首要問題[18]。