南水北調(diào)中線一期工程河南段水土保持設(shè)計(jì)研究

張 帆，張立強(qiáng)，黃 斌

(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450003；3.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢430014)

南水北調(diào)中線一期工程河南段建設(shè)規(guī)模大，線路長(zhǎng)，擾動(dòng)范圍廣，土石方開挖填筑量大，棄土(渣)量大，涉及的取土場(chǎng)和棄渣場(chǎng)數(shù)量多，工程沿線涉及膨脹土地區(qū)，部分線路穿越城市區(qū)域，如果沒有采取精準(zhǔn)有效的水土保持措施，勢(shì)必對(duì)工程周邊區(qū)域環(huán)境造成極大危害。為落實(shí)“三同時(shí)”制度，南水北調(diào)中線一期工程河南段在開展主體工程設(shè)計(jì)的同時(shí)開展了水土保持措施設(shè)計(jì)。在全面研究工程水土流失特點(diǎn)，分析工程水土保持措施設(shè)計(jì)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了切實(shí)有效、科學(xué)合理的水土保持設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以期為我國(guó)同類工程水土保持設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

南水北調(diào)中線一期工程是緩解華北地區(qū)資源性缺水問(wèn)題的特大型、跨流域調(diào)水工程，其中河南段包括陶岔至沙河南段、沙河南至黃河南段、穿黃工程和黃河北至漳河南段，線路全長(zhǎng)約730.33 km，設(shè)計(jì)流量為235～350 m3/s，屬Ⅰ等大(1)型工程。工程區(qū)地貌類型以丘崗和傾斜平原為主，土壤類型以褐土、棕壤、黃棕壤為主，林草覆蓋率為23.62%，水土保持區(qū)劃屬北方土石山區(qū)和南方紅壤區(qū)，水土流失以面蝕和溝蝕為主，土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主。

2 水土保持設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 棄渣場(chǎng)防護(hù)措施設(shè)計(jì)難度高

棄渣場(chǎng)所在區(qū)域和渣體的土質(zhì)較差，具有遇水膨脹、失水收縮的特點(diǎn)，在降水、退水的循環(huán)過(guò)程中，反復(fù)的脹縮變形導(dǎo)致土體的膨脹力超過(guò)或接近承載能力，造成邊坡局部隆起、坍塌、滑動(dòng)等，影響棄渣場(chǎng)穩(wěn)定，導(dǎo)致棄渣場(chǎng)水土流失嚴(yán)重，水土流失防治難度較大。鑒于膨脹土的特性，如何有效開展棄渣場(chǎng)防護(hù)工作，以保障棄渣安全堆存，是水土保持設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。

2.2 工程建設(shè)產(chǎn)生的棄渣量大，棄渣場(chǎng)選址難度高

工程建設(shè)共產(chǎn)生棄渣37 538.57萬(wàn)m3，渠道兩側(cè)多為農(nóng)田、村莊、城鎮(zhèn)、工礦企業(yè)等，敏感建筑物較多，可以作為棄渣場(chǎng)的空間有限。棄渣場(chǎng)選址如何做到最大程度利用開挖土石方，實(shí)現(xiàn)土石方高效利用的同時(shí)盡可能減少對(duì)地表植被的擾動(dòng)，保證區(qū)域經(jīng)濟(jì)健康可持續(xù)發(fā)展，是水土保持設(shè)計(jì)的又一難點(diǎn)。

2.3 綠化空間有限，植物措施配置難度高

工程始于陶岔渠首，止于漳河南端，工程沿線征地紅線寬度受限，永久占地絕大部分被主體工程占用，可綠化空間受限，以往同類水利工程僅從水土保持角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了渠道沿線的坡面植被護(hù)坡和管理范圍防護(hù)林，植物措施配置單一，與沿線環(huán)境的協(xié)調(diào)性差，生態(tài)景觀效果不佳。然而南水北調(diào)工程作為國(guó)家“四橫三縱”水網(wǎng)空間布局的重要組成部分，其配套植物綠化措施應(yīng)采用高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，如何運(yùn)用有限的空間配置高標(biāo)準(zhǔn)植物綠化措施，保護(hù)干渠水質(zhì)，改善區(qū)域環(huán)境，實(shí)現(xiàn)沿線空間生態(tài)經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)同發(fā)展是水土保持設(shè)計(jì)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

3 水土保持設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對(duì)水土保持設(shè)計(jì)難點(diǎn)，在全面分析工程施工工藝、工程區(qū)地質(zhì)條件、土石方開挖利用情況等基礎(chǔ)上，提出水土保持設(shè)計(jì)要點(diǎn)，形成科學(xué)合理的棄渣綜合利用方案，建立完善的棄渣場(chǎng)防護(hù)措施體系，打造高標(biāo)準(zhǔn)綠化景觀設(shè)計(jì)。

3.1 采用新技術(shù)提升棄渣場(chǎng)勘測(cè)工作

針對(duì)膨脹土棄渣場(chǎng)勘測(cè)工作，采用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭高分辨率相機(jī)及三維激光掃描儀，運(yùn)用多角度傾斜攝影，在航線規(guī)劃上增加重疊度，獲取棄渣場(chǎng)的三維實(shí)景模型。并通過(guò)激光掃描獲取DEM數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)接觸方式得到棄渣場(chǎng)的實(shí)際影像及空間數(shù)據(jù)。棄渣場(chǎng)三維實(shí)景模型可清晰分辨出棄渣場(chǎng)邊坡的失穩(wěn)形態(tài)、失穩(wěn)范圍、失穩(wěn)所產(chǎn)生的貫通性長(zhǎng)裂縫，并且可以在模型中直接測(cè)量失穩(wěn)體尺寸以及裂縫的延伸長(zhǎng)度和寬度。通過(guò)高精度的地表模型，方便、準(zhǔn)確、快捷地獲取失穩(wěn)邊坡的相關(guān)參數(shù)，降低測(cè)繪人員的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高勘測(cè)工作的效率和準(zhǔn)確性，為棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析、邊坡加固方案設(shè)計(jì)、棄渣場(chǎng)防護(hù)措施設(shè)計(jì)等奠定了精準(zhǔn)可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 構(gòu)建棄渣場(chǎng)綜合防護(hù)措施體系

基于膨脹土棄渣場(chǎng)邊坡具有遇水膨脹、失水收縮、極易坍塌失穩(wěn)的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)降雨入滲條件下棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算，在保障邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)建立“上截-中排-中固-下攔”的膨脹土棄渣場(chǎng)綜合防護(hù)措施體系。

“上截”是指簡(jiǎn)易環(huán)保型上側(cè)坡面排水設(shè)施設(shè)計(jì)，主要包括擋水結(jié)構(gòu)、錨固設(shè)施和頂面種植槽。其中擋水結(jié)構(gòu)布置于坡面；錨固設(shè)施布置于擋水結(jié)構(gòu)底部，利用錨固設(shè)施將擋水結(jié)構(gòu)固定在坡面，錨固設(shè)施的頂面有保護(hù)蓋；頂面種植槽布置在擋水結(jié)構(gòu)的頂面，種植槽內(nèi)栽植灌草和攀緣植物。這種設(shè)計(jì)具有施工速度快且費(fèi)用較低的特點(diǎn)，不影響下部堆渣區(qū)域的棄渣活動(dòng)，適用于棄渣場(chǎng)和松散堆積體上側(cè)坡面的截排水設(shè)施設(shè)計(jì)。

“中排-中固”是指棄渣場(chǎng)邊坡坡面排水與加固的生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括“人”字形鋼筋混凝土格構(gòu)和錨桿群。其中“人”字形格構(gòu)布設(shè)于邊坡上，表面有擋水匯流設(shè)施和排水系統(tǒng)，用于及時(shí)排出坡頂和坡面匯水，格構(gòu)內(nèi)進(jìn)行覆土綠化；錨桿布設(shè)于“人”字形格構(gòu)節(jié)點(diǎn)上，與格構(gòu)采用剛性連接整澆為一體，基于格構(gòu)形態(tài)布設(shè)擋水截水設(shè)施?！叭恕弊中胃駱?gòu)可以有效控制邊坡局部變形和垮塌，表面排水系統(tǒng)可以減少降水對(duì)坡面的沖淋作用，減少坡面侵蝕；錨桿可以提高邊坡抗滑抗剪能力。這種設(shè)計(jì)既滿足邊坡坡面排水和加固的要求，又有生態(tài)護(hù)坡的作用，有效防治膨脹土棄渣場(chǎng)的水土流失。

“下攔”是指具有棄渣場(chǎng)坡腳攔擋作用的鎖鏈?zhǔn)缴鷳B(tài)擋墻，主要包括鏈塊和砌塊，其中鏈塊材料為鋼筋混凝土，砌塊材料為無(wú)砂混凝土。鏈塊中間有傾斜孔洞，可以插入土釘或錨桿以增加墻體穩(wěn)定性；砌塊中間布設(shè)種植槽，用于覆土綠化。鎖鏈?zhǔn)缴鷳B(tài)擋墻同時(shí)具備自主排水和生態(tài)景觀功能，此外對(duì)地形和地質(zhì)的適應(yīng)能力也較強(qiáng)。

“上截-中排-中固-下攔”的膨脹土棄渣場(chǎng)綜合防護(hù)措施體系可有效提高棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性，切實(shí)保障膨脹土棄渣場(chǎng)堆渣穩(wěn)固，全面防治棄渣場(chǎng)水土流失，可為同類工程提供技術(shù)參考。

3.3 實(shí)現(xiàn)棄土棄渣高效綜合利用

工程土石方開挖填筑量大，產(chǎn)生了大量的棄土棄渣。為實(shí)現(xiàn)棄土棄渣的高效綜合利用，首先考慮將棄土棄渣用于工程填筑、取料場(chǎng)回填、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、建筑材料制造等方面，而后依據(jù)棄渣場(chǎng)周邊環(huán)境特點(diǎn)，考慮用于土地復(fù)墾(復(fù)耕、經(jīng)果林栽植)、農(nóng)業(yè)開發(fā)、景觀公園建造等方面。棄土回填造地、棄渣堆高造景是減少地表擾動(dòng)、實(shí)現(xiàn)棄土棄渣綜合利用的有效方式。工程穿越城市區(qū)域時(shí)，將產(chǎn)生的棄土用于回填復(fù)耕，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力；將產(chǎn)生的大量棄渣就近堆置在渠道兩側(cè)，在保證渣體穩(wěn)定安全且對(duì)總干渠不產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的前提下，打造“城市陽(yáng)臺(tái)”“網(wǎng)紅打卡地”等旅游景觀，供市民登高望遠(yuǎn)，近距離感受南水北調(diào)工程的宏偉，增加城市的亮點(diǎn)和吸引力，從而帶動(dòng)生態(tài)旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展。例如，焦作段利用表層土和棄土回填沿線的磚窯坑、低洼地、廢棄溝壑，為臨時(shí)用地復(fù)耕創(chuàng)造條件，為農(nóng)業(yè)大省河南補(bǔ)充了大量耕地；東邙山棄渣場(chǎng)與穿黃工程遙相呼應(yīng)，是遠(yuǎn)眺穿黃工程和觀賞櫻花的絕佳平臺(tái)，利用棄渣打造的觀景臺(tái)現(xiàn)已成為著名的旅游打卡地。

基于工程特點(diǎn)，提出棄土棄渣綜合利用方式中加入微地形改造和城市景觀建設(shè)的新舉措，在實(shí)現(xiàn)棄土棄渣資源化利用的同時(shí)推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和生態(tài)旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，可為同類工程棄土棄渣綜合利用提供參考。

3.4 植物措施設(shè)計(jì)與歷史文化、風(fēng)景園林設(shè)計(jì)緊密結(jié)合

工程區(qū)現(xiàn)有林木資源質(zhì)量較低，絕大部分是人工林，且樹種比較單一。打造工程沿線生態(tài)走廊，推動(dòng)生態(tài)防護(hù)林建設(shè)，實(shí)施園林綠化，對(duì)工程區(qū)生態(tài)保護(hù)具有重要意義。植物措施設(shè)計(jì)依照?qǐng)@林景觀設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在工程區(qū)永久管理區(qū)建造園林景觀式生活區(qū)，在總干渠兩側(cè)建設(shè)生態(tài)防護(hù)林帶，景觀樹(草)種和水土防護(hù)林的樹(草)種合理搭配。依據(jù)工程不同區(qū)段的土質(zhì)類型、渠道開挖形式等，在總干渠內(nèi)外邊坡、三角地、進(jìn)場(chǎng)道路兩側(cè)、管理區(qū)等永久占地范圍內(nèi)實(shí)施菱形框格、拱形框格、六角框格植草護(hù)坡和草皮護(hù)坡等植物措施，采取喬灌草花立體搭配，保證生態(tài)景觀效果，既實(shí)現(xiàn)水土保持目標(biāo)，又改善區(qū)域景觀環(huán)境，提升工程生態(tài)品質(zhì)。

此外，工程區(qū)多處景觀節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與河南商朝文化結(jié)合，將代表河南的商朝文化運(yùn)用到景觀綠化工程中，景觀綠化造型與商代甲骨文、鼎形態(tài)結(jié)合，打造具有文化底蘊(yùn)和內(nèi)涵的景觀綠化節(jié)點(diǎn)，將南水北調(diào)中線工程的水文化與歷史文化融合，全面提升工程生態(tài)品質(zhì)和人文品位。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于復(fù)雜的工程地質(zhì)條件和高標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)保護(hù)需求提出的南水北調(diào)中線一期工程河南段水土保持措施體系順利解決了工程水土流失治理難點(diǎn)，實(shí)施后水土流失防治效果顯著，可為同類大型引調(diào)水工程水土保持設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。