西江干流治理工程水土流失預(yù)測分析與建議

王瑋娟

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510000)

1 工程概況

西江干流治理工程范圍西起廣西梧州廣東封開邊界，東至廣東三水思賢滘，經(jīng)過廣東省云浮、肇慶2個地級市共7個縣(區(qū))。沿線兩岸地形地貌主要為低山丘陵及山間盆地、洪積扇、沖積階地和沖積平原。項目區(qū)屬南方紅壤丘陵區(qū)，土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，現(xiàn)狀水土流失較輕微，土壤侵蝕模數(shù)小于南方紅壤的容許值500t/km2·a，項目建設(shè)區(qū)土壤侵蝕背景值取500t/km2·a。本工程堤防等建筑物開挖填筑、棄渣等其它相關(guān)施工活動等，都將對地表造成擾動，改變原有地形地貌及土壤的物理結(jié)構(gòu)，損壞地表植被，使地表裸露。若施工過程中的水土流失得不到有效控制，故必須采取嚴(yán)格的防護措施，控制工程建設(shè)形成的水土流失。

2 水土流失預(yù)測

2.1 水土流失預(yù)測范圍和時段

1)預(yù)測范圍：

預(yù)測范圍指在方案服務(wù)期內(nèi)工程施工擾動產(chǎn)生水土流失的所有區(qū)域。水保措施布設(shè)需依據(jù)水土流失預(yù)測情況，顯然，對項目進行合理的分區(qū)劃分是直接影響水土流失預(yù)測精度的重要因素。由于工程不同區(qū)域的施工方法不同，損壞、擾動后的土壤侵蝕強度和水土流失量存在較大差別，因此，進行水土流失預(yù)測應(yīng)該有所區(qū)別。

本方案根據(jù)工程的項目組成、施工布置、施工時段和施工工藝，對工程建設(shè)過程中形成的水土流失區(qū)域進行劃分，按照項目實際情況，本工程預(yù)測分區(qū)與防治分區(qū)一致，即把整個項目預(yù)測分區(qū)劃分成主體工程區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)、施工道路區(qū)、臨時堆場區(qū)、土料場區(qū)及棄渣場區(qū)。該項目施工期水土流失預(yù)測范圍與項目總占地面積相同，均為500.79hm2；自然恢復(fù)期水土流失預(yù)測不同于施工期，預(yù)測范圍相對有所減小，減幅較大的是堤岸防護區(qū)和涵閘工程區(qū)，這兩處區(qū)域施工后均明顯能起到水土保持作用，因此后期不必大范圍預(yù)測。各區(qū)預(yù)測范圍見表1。

2)水土流失預(yù)測時段：

西江干流治理工程屬于建設(shè)類項目，水土流失主要集中在施工期，西江干流區(qū)間內(nèi)原水土流失情況比較樂觀，因此可適當(dāng)弱化施工準(zhǔn)備期水土流失預(yù)測。項目施工完成后的運行期是檢測工程成果的最好階段，雖然該階段水保措施已經(jīng)發(fā)揮作用，生態(tài)環(huán)境得到回復(fù)，但是對期間水土流失情況再次進行預(yù)測是很有必要的[1-3]。施工期間水土流失預(yù)測依然根據(jù)分區(qū)不同再次細(xì)分各分區(qū)預(yù)測時段，例如主體工程區(qū)和生產(chǎn)生活區(qū)由于使用屬性不同，必須設(shè)置不同預(yù)測時段，自然恢復(fù)期按照1a計列。

表1 各區(qū)水土流失預(yù)測范圍情況

2.2 預(yù)測內(nèi)容與方法

根據(jù)《開發(fā)建設(shè)項目水土保持技術(shù)規(guī)范》(GB50433-2008)規(guī)定，結(jié)合本工程建設(shè)特點，預(yù)測內(nèi)容包括擾動原地貌、土地及植被損壞面積，損壞水土保持設(shè)施的面積，棄土、棄渣量，可能造成的水土流失量及其危害等[4]。

對于擾動原地貌、毀壞土地、毀壞水保設(shè)施、破壞植被的面積和數(shù)量的預(yù)測，本工程先根據(jù)圖紙所表述的工程量得出初步數(shù)據(jù)，后對現(xiàn)場進行勘察，根據(jù)勘察結(jié)果微調(diào)；工程棄渣和棄土可以根據(jù)設(shè)計圖紙土石方平衡計算得出；對于可能造成水土流失總量，采用類比法，選擇與本工程施工工藝相似、工程破壞形式相近且工程項目所在地相距較近的工程類比分析[5]。針對新增水土流失量，本次根據(jù)項目設(shè)計圖紙及前期實地查勘確定的地類面積、原地貌及原地貌擾動后侵蝕模數(shù)，采用下式計算：

(1)

式中：W為擾動地表土壤流失量，t；△W為擾動地表新增土壤流失量，t；i為預(yù)測單元(1，2，3，……n)；k為預(yù)測時段，1，2，3，指施工準(zhǔn)備期、施工期和自然恢復(fù)期；Fi為第i個預(yù)測單元的面積，km2；Mik為擾動后不同預(yù)測單元不同時段的土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a；△Mik為不同單元各時段新增土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a；Mi0為擾動前不同預(yù)測單元土壤侵蝕模數(shù)，t/km2·a；Tik為預(yù)測時段，擾動時段·a。

3 水土流失預(yù)測結(jié)果

3.1 擾動原地貌、設(shè)施損壞面積預(yù)測

項目擾動原地貌水土流失情況需結(jié)合勘察報告統(tǒng)計并評估，該工程沿線地貌規(guī)劃圖較為詳細(xì)，根據(jù)資料測算出施工可能占用和破壞的林地、植被面積作為初始值。由于本工程屬于堤防工程的綜合整治，堤岸與涵閘占用了河道的部分水域作為工程用地，雖然河道工程的水域面積屬于已征用的國有土地，但堤岸工程的建設(shè)與涵閘工程的除險加固，施工結(jié)束后，占用的水域面積已形成水工建筑物，因此，本工程堤岸防護區(qū)及涵閘工程區(qū)的擾動原地貌面積應(yīng)包括占用河道的水域及水利設(shè)施用地范圍[6]。統(tǒng)計結(jié)果顯示，本工程擾動原地貌土地面積與項目占地面積具備一致性，均為500.79hm2。根據(jù)施工圖紙信息和前期勘測報告可知本工程損壞的水土保持設(shè)施面積為112.06hm2。

3.2 工程棄渣量預(yù)測

通過對設(shè)計圖紙計算得出主體工程土石方開挖總量為320.96萬m3(自然方，下同)；土石方回填總量為443.88萬m3，

對工程設(shè)計圖紙進行土石方計量，得到主體工程土石方開挖總量、回填量分別為320.96萬m3、443.88萬m3。不足回填方量為125.07萬m3，不足部分的土料采用土料場自采來滿足填筑料的施工要求，共需自采土料318.81萬m3，剩余的195.89萬m3(合計松方約261.70萬m3，合計堆方約247.77萬m3)因質(zhì)量無法滿足填筑要求而外運棄渣，擬全部堆放于本工程布設(shè)的22個棄渣場。

3.3 可能造成的水土流失量預(yù)測

1)背景值的確定：

本工程堤防沿線所在區(qū)域地貌類型為低山丘陵區(qū)，通過對工程建設(shè)區(qū)水土流失的現(xiàn)狀調(diào)查，林草植被覆蓋良好，結(jié)合《廣東省土壤侵蝕現(xiàn)狀圖(1:100000)》分析，確定項目區(qū)現(xiàn)狀水土流失背景值為500 t/km2.a。

本工作采用開閉裂紋模型,考慮裂紋縫隙效應(yīng),將裂紋等效為非線性旋轉(zhuǎn)彈簧,給出了FRP布加固裂紋梁的裂紋等效旋轉(zhuǎn)彈簧剛度.將FRP布加固黏彈性梁在裂紋處分段,利用梁彎曲的邊界條件和裂紋處的連接條件,借助Laplace變換及逆變換,給出均布突加載荷作用下FRP布加固簡支裂紋黏彈性梁彎曲變形的解析解.數(shù)值分析了CFRP布加固上/下表面裂紋黏彈性DF梁的彎曲變形,考察了CFRP布含量、梁跨高比、裂紋位置及其開閉狀態(tài)等對CFRP布加固裂紋DF梁彎曲蠕變的影響,得到如下結(jié)論.

2)施工期及自然恢復(fù)期侵蝕模數(shù)的確定：

工程地面原生地貌侵蝕模數(shù)的確定：①通過當(dāng)?shù)厮麑＜业呐袛?；②考慮河流的輸沙模數(shù)；③通過類比分析法，依據(jù)工程相似性確定。通過篩選，本次選擇與“北江大堤達標(biāo)加固工程”做類比，廣東粵源水利水電咨詢有限公司對北江大堤達標(biāo)加固工程做了典型樣本點調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表2。

表2 廣東省北江大堤達標(biāo)加固工程土壤侵蝕強度調(diào)查成果表

本工程擾動后侵蝕模數(shù)的確定，是在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上借鑒上述廣東粵源水利水電咨詢有限公司的監(jiān)測數(shù)據(jù)。類比分析后結(jié)合項目區(qū)降水情況、植被覆蓋程度和水?，F(xiàn)狀得出各分區(qū)的原生侵蝕模數(shù)及特點見表3。綜上所述，修正后確定本工程渣場侵蝕模數(shù)為3.1萬t/km2·a，項目區(qū)主體工程區(qū)域的侵蝕模數(shù)為2.2萬t/km2·a。

表3 類比工程及本工程土壤侵蝕模數(shù)選取表

3.4 新增水土流失量及重點防治區(qū)域

根據(jù)《開發(fā)建設(shè)項目水土保持技術(shù)規(guī)范》(GB50433-2008)的規(guī)定，工程水土流失預(yù)測是項目區(qū)水土流失量預(yù)測應(yīng)注意其前提是不改變現(xiàn)狀情況，即不采取任何水保措施的情況下進行預(yù)測[7-9]，利用前文所述公式，計算得到新增水土流失量見表4。

表4 各預(yù)測分區(qū)可能產(chǎn)生的水土流失量匯總表

從表4知，本項目施工期(含施工準(zhǔn)備期)及自然恢復(fù)期內(nèi)預(yù)測水土流失總量為151270t，其中新增水土流失總量為146397t，主體工程區(qū)新增水土流失量為80603t，占新增總量的55.06%，主要原因是工程線路長，擾動地表面積較大，是工程新增水土流失的主要流失區(qū)域；其次土壤流失占比較高的區(qū)域為棄渣場區(qū)域，占比為21.61%，棄渣場是工程廢棄物和生產(chǎn)生活廢物的排放地，不僅水土流失程度較高，該范圍內(nèi)環(huán)境也比較糟糕；主體工程區(qū)和棄渣場區(qū)總水土流失量占比可接近80%，可見這兩個防治分區(qū)是本工程的重點防治和監(jiān)測區(qū)域流失區(qū)域依次為道路區(qū)、料場區(qū)、臨時堆場區(qū)和生產(chǎn)生活區(qū)，這些區(qū)域水土流失情況相對較樂觀[10-12]。施工期是水土流失最主要的時段，占總流失量的97%，自然恢復(fù)期水土流失量相對減小，主要原因是各項水土保持措施已逐步發(fā)揮作用。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)本項目擾動原地貌的土地面積共500.79hm2，其中施工損壞的水土保持設(shè)施面積為112.06hm2。

3)新增水土流失量主要來源于主體工程區(qū)，占新增總量的55.06%，主要是由于工程擾動地表面積及侵蝕模數(shù)較大，應(yīng)作為工程水土流失重點防治和監(jiān)測對象，其次是棄渣場區(qū)、施工道路區(qū)、土料場區(qū)、臨時堆場區(qū)及施工生產(chǎn)生活區(qū)，也應(yīng)進行重點監(jiān)測。

4.2 建議

結(jié)合主體工程施工進度安排，從預(yù)防水土流失、保護生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā)，提出以下3點建議：

1)云浮市的郁南縣、云安區(qū)及肇慶市的德慶縣屬于廣東省水土流失重點治理區(qū)，工程施工要做到“文明施工”，加強對施工人員的管理教育，減輕對項目區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞。

2)工程土石方轉(zhuǎn)運工程量大，建議進一步優(yōu)化施工工序，做好各施工工序的搭接，避免無序施工，造成二次水土流失；加強土石方工程施工期水土保持工作，確保項目建設(shè)與水土保持協(xié)調(diào)進行；加強棄渣場區(qū)的水土流失防治力度，控制關(guān)鍵區(qū)域的水土流失。

3)工程施工期間，臨時措施是主要防治手段，這些措施需和主體工程建設(shè)同步進行；防護強度周期性變化，以雨季為重點加強時段，預(yù)防實施時段與施工周期相同；工程實施后期應(yīng)該加入植物防治措施；對于主體施工時間，應(yīng)該注重氣象預(yù)報，及時調(diào)整施工進度，盡量減少雨季和大風(fēng)季節(jié)施工的次數(shù)。