水庫淺淹區(qū)防護及墊地工程設計要點

楊繼超，高強強，晏帥豪

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西？西安？710065)

0 引 言

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國水電開發(fā)取得了顯著的進展，目前傳統(tǒng)水電尚未開發(fā)的區(qū)域主要集中在高山峽谷區(qū)較多的西南及西藏地區(qū)。受制于地形及生態(tài)紅線等原因，庫區(qū)淹沒線上可以利用緩坡地作為移民集中安置的地塊較少，因此經(jīng)常需要利用水庫淺淹區(qū)作為集中移民安置點建設用地。

利用水庫淺淹區(qū)既可以減少整個項目的工程征占地費用，也可以避免群眾遠遷，對于生活習慣及文化延續(xù)有積極的作用；同時安置區(qū)距離庫區(qū)較近，可以提高移民群眾居住環(huán)境及促進后期發(fā)展旅游產(chǎn)業(yè)。

目前，國內(nèi)水電站庫區(qū)修建了部分水庫淺淹區(qū)的防護及墊地工程，大部分工程已經(jīng)達到了設計目的，如蜀河水電站棕溪集鎮(zhèn)、苗家壩水電站河口安置點以及積石峽水電站尕莊安置點等。這些工程在經(jīng)過多年的運行后，未出現(xiàn)場地基礎(chǔ)或浸沒問題。然而，還有一些項目的安置點或耕地在后續(xù)的運行過程中出現(xiàn)了一些問題，例如，公伯峽水電站石乃亥防護區(qū)范圍內(nèi)的部分房屋和耕地受到浸沒的影響，這給移民群眾的生活帶來了不便。

本文通過對NQJD水電站JQ集鎮(zhèn)防護墊地工程的設計過程進行論證，分析和總結(jié)水庫淺淹區(qū)防護及墊地工程設計過程中需要注意的問題，供同行參與后續(xù)類似項目中參考。

表1 管網(wǎng)免受影響的超高計算表

1 工程概況

JQ集鎮(zhèn)移民安置點位于NQJD水電站庫區(qū)支流熱瑪曲河右岸階地平臺上。集鎮(zhèn)安置區(qū)位于JQ鄉(xiāng)雪村，根據(jù)移民安置規(guī)劃，共需安置移民170戶1 352人；順河向長度約1 200 m，階地形態(tài)呈“茄”狀，寬度150～500 m，占地面積約0.16 km2。區(qū)內(nèi)地形相對平緩，高程3 880～3 891 m，天然坡度3°～8°，沿河有寬約2 m河堤路。NQJD 水電站庫區(qū)正常蓄水位為3 892 m，因此淹沒高度為1～12 m。

2 防護及墊地工程設計

2.1 方案比選

雪村居住區(qū)規(guī)劃利用淹沒區(qū)作為居住區(qū)場地，根據(jù)以往工程經(jīng)驗，一般采取以下兩種防護方案：

方案一：外防內(nèi)排方案。外部設置堤防(設置截滲墻)，場地基礎(chǔ)設施工程按現(xiàn)狀地坪規(guī)劃設計，通過設置排澇泵站解決地表水排水及降低地下水位。

方案二：外防內(nèi)墊方案。外部設置堤防(不考慮防滲)，內(nèi)部場地采用墊地填高的方案。

根據(jù)JQ居住區(qū)地勘成果，場地覆蓋層為強透水的砂卵礫石層，厚度約為15～27 m，若采取方案一，防滲墻需要圍著場地閉合設置，長度約為2.1 km，防滲墻深度約為25 m，防滲效果受地質(zhì)條件、施工質(zhì)量影響較大。為解決內(nèi)部雨水排水的需要設置排澇泵站，工程投資較大，而且排澇泵站需要常年運行，運行管理費用也較高，一旦運行環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題將對移民房屋財產(chǎn)造成不可逆的損失；如公伯峽水電站石乃亥防護區(qū)范圍就是采用方案一，前期運行多年也正常，2020年7月因項目管理不善，排水設備老舊，同時疊加汛期庫區(qū)高水位運行等問題，出現(xiàn)了地下水抬高溢出地面，部分房屋出現(xiàn)泛堿、房屋木梁發(fā)霉甚至地基下沉等現(xiàn)象。

從投資、管理及安全性方面，方案一與方案二相比均不占優(yōu)勢，因此本次設計方案比選經(jīng)過定性比較采用方案二，即外防內(nèi)墊方案。

2.2 墊地高程的確定

墊地高程的確定需要綜合考慮防浸要求、防洪要求及場地排水要求，墊地的高程需高于正常蓄水位疊加這三者中的最大值。

2.2.1 防浸要求

場地的浸沒要求主要考慮建筑防浸及植物生長防浸要求，同時場平的坡度需要考慮地下水壅高坡度的影響。

(1)植物防浸要求

水庫浸沒對片區(qū)主體樹種的危害表現(xiàn)主要是指水庫蓄水后引起庫周地下水位雍高(接近地面)而使土壤鹽漬化、沼澤化等不良后果的現(xiàn)象，植物受澇害影響而造成根系缺氧、爛根等癥狀。

地下水位的雍高受控于水文地質(zhì)條件，臨界浸沒深度由地下水位以上土層的毛細水上升高度和農(nóng)作物根系深度組成。農(nóng)作物及喬灌木根系深度是不可能改變的，因此處理水庫浸沒影響問題應從減少毛細水上升高度或墊高地面高程等方面進行考慮。

為保證當?shù)貥浞N在水庫蓄水后能夠有良好的生長環(huán)境，提升居住區(qū)居住環(huán)境，需要對淺水淹沒區(qū)及浸沒區(qū)進行墊高；同時應在填料方面進行分析研究，選擇經(jīng)濟可行的填筑料源，從而減小毛細水上升高度。

墊地高程根據(jù)防浸標準確定，即由正常蓄水位、墊地料毛細上升高度、作物根系長度共同確定。

當?shù)刂饕r(nóng)作物為青稞，根須層厚度一般為0.2～0.3 m，最深達0.5 m。綠化樹種主要是圓柏、杉樹等，均為淺根喬木，根深1.0～1.5 m。確定考慮植物根系深度為1.5 m，安全超高取0.5 m，最終確定臨界高度不小于2.0 m；因此考慮植物防浸要求，墊地高程應大于設計洪水位+2.0 m。

(2)建筑防浸要求

防護墊地工程主要采用JQ砂石料場料源。根據(jù)地勘報告成果，JQ料場料源主要為砂卵礫石，顆粒以卵石為主，其次為礫石和砂粒。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，該土料毛細水上升量較少，取30 cm。

當?shù)貥藴蕛鐾辽疃燃s為1.5 m，因此建議基礎(chǔ)埋深大于1.5 m。JQ砂石料為弱凍脹土，為保證房屋基礎(chǔ)質(zhì)量安全，房屋基礎(chǔ)底面建議設置在毛細水高度之上，房屋基礎(chǔ)混凝土采用抗?jié)B混凝土。因此，若考慮建筑防浸要求，墊地高程應大于設計洪水位+1.8 m。

(3)地下水壅高

庫區(qū)蓄水后，場地前沿地下水高程為正常蓄水位高程+毛細水上升高度。場地后緣高臺地及山坡高程較高，因降雨融雪水滲入土壤后也將通過地下排入場地前沿，形成一個地下水水力坡度，造成地下水壅高的問題。

地下水壅高與場地后緣地形、地層巖性及地表水分布有關(guān)，實際確定過程中，需要根據(jù)臨近鉆孔推測。該類地層現(xiàn)狀地下水位近水平，類比工程區(qū)同類地層水文地質(zhì)剖面，用圖解法確定地下水壅高。

地下水壅高的問題不影響場地墊地最小高度的確定，而是影響場平坡度。場平坡向河道的坡度不應小于地下水壅高的坡度線。

2.2.2 防洪要求

防止洪水對居住區(qū)內(nèi)部房屋及財產(chǎn)造成影響，場地高程應滿足堤防工程設計規(guī)范要求。根據(jù)《防洪標準》(GB 50201—2014)及《水電工程建設征地移民安置專業(yè)項目規(guī)劃設計規(guī)范》(NB/T 10801—2021)，小型集鎮(zhèn)居住區(qū)防洪標準為20年一遇洪水。

防洪高程為設計洪水位加安全超高，根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》(GB 50286—2013)，安全超高計算公式如下：

Y=R+e+A

式中：Y為堤防超高；R為波浪爬高；e為風雍水面高度；A為安全加高，根據(jù)規(guī)范，本工程堤防等級為4級，取0.6 m。

根據(jù)計算，安全超高Y為0.92 m，取1.0 m，因此若需滿足防洪要求，場平高程不應低于20年一遇設計洪水位+1.0 m。

2.2.3 排水要求

根據(jù)《水電工程農(nóng)村移民安置規(guī)劃設計規(guī)范》(NB/T 10804—2021)，排水口宜超過正常蓄水位，主要是為了防止河水倒灌影響排水系統(tǒng)的正常運行。一般情況下，污水處理站處理后的中水不能直接排入河道或庫區(qū)內(nèi)，因此排水口主要指雨水排放口。

JQ集鎮(zhèn)排水系統(tǒng)主要通過埋設雨水管結(jié)合道路系統(tǒng)進行排水。為使管網(wǎng)后期能良好地運行，給排水管網(wǎng)應設置于設計洪水位以上，凍土深度以下。給水管直徑為0.15 m，排水管直徑為0.40 m。凍土深度根據(jù)收集的相關(guān)資料為1.50 m，考慮管網(wǎng)免受地下水及凍土影響的超高計算如表1所示。

2.2.4 墊地高程的最終確定

綜合考慮防侵、防洪及排水的要求，居民區(qū)墊地控制高程=20年一遇設計洪水位+ 2.35 m安全超高。

2.3 防護工程設計

規(guī)劃建設區(qū)設置墊地工程后，場地靠近河道側(cè)整體填高高度范圍為3～12 m。為減少庫區(qū)流水及波浪的淘刷，外側(cè)需要設置防護工程。

JQ集鎮(zhèn)位于支流上游回水處，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，現(xiàn)狀河道左岸已實施有堤防工程，堤頂寬度為3.0 m，迎水面為漿砌石護坡，護坡迎水面坡比為1∶1.2。

常見防護工程主要為垂直式、緩坡式及復合式?？紤]最大場地墊地高度最大為 12 m，防護工程采用防洪墻投資較大，而且垂直式防護安全性、可維護性較差。新建居住區(qū)臨河防護基本沿現(xiàn)狀堤線，考慮工程投資、施工難度及后續(xù)運行安全等問題，防護工程采用緩坡式。根據(jù)穩(wěn)定計算，邊坡確定為1∶2，現(xiàn)狀堤防及護坡工程作為護腳工程。

本次防洪標準選定為20年一遇，堤防安全超高要求為1.0 m，而場地高程安全超高為2.35 m?？紤]施工方便及工程美觀等因素，護坡工程頂部高程與場地工程一致。

2.4 填筑設計

(1)填料選擇

高填土地基容易出現(xiàn)沉降問題。在高填地基上方，會給下面的原有地基增加額外的荷載，如果原有地基承載能力不足，就會導致沉降問題。此外，高填地基在不同位置的沉降速度可能不一致，導致地面不平整，這也是很多居民住宅墻體出現(xiàn)裂痕、縫隙的原因之一。因此，在高填地基的設計和施工過程中，需要考慮這些問題，并采取相應的技術(shù)措施，以確保地基的穩(wěn)定性和安全性。

JQ鄉(xiāng)集鎮(zhèn)居住區(qū)的主要地層為表層的含碎石粘土質(zhì)砂和含漂石砂卵礫石，覆蓋層的厚度在1.20～28.80 m之間。工程區(qū)場地地基土類型為中硬土，其承載力和地基均勻性較好。

填料中含量較多的碎石或卵石能夠起到骨架作用，碎石含量越多，壓縮變形就越快。碎石填土的變形一般在施工期間大部分完成。因此，選擇下游淹沒區(qū)淺灘區(qū)河床作為居住區(qū)填筑料場，料源主要為砂卵礫石層。

(2)壓實系數(shù)選擇

場地主要規(guī)劃內(nèi)容為居住區(qū)、內(nèi)部道路及景觀綠地等。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設計規(guī)范》(GB 50007—2011)中關(guān)于地坪以下壓實度(即壓實系數(shù))要求不小于0.94；砌體承重及框架結(jié)構(gòu)在地基主要受力層范圍內(nèi)的壓實系數(shù)不小于0.97，在地基主要受力層范圍以下的壓實系數(shù)不小于0.95。

另根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30—2015)和《城市道路路基設計規(guī)范》(CJJ 194—2013)及對于填方路基壓實度不小于0.94，考慮安置區(qū)戶型及路網(wǎng)交織在一起，施工過程中無法按不同部位分別提壓實度要求等因素，本次填筑設計中統(tǒng)一采用壓實系數(shù)0.97。

3 結(jié)語及建議

3.1 結(jié)語

一般而言，通過實施防護墊地工程來設置移民安置區(qū)，人均基礎(chǔ)設施工程投資較一般的緩坡地偏大；但相較于陡坡處地塊場地適宜性更好，人均環(huán)境更佳，節(jié)約了土地等。

為了節(jié)約土地資源并提高環(huán)境容量，黃河公伯峽水電站、積石峽水電站、炳靈水電站以及羊曲水電站等水電站的移民規(guī)劃均采用了防護墊地工程。在實際項目實施過程中，經(jīng)過合理高程的確定和施工工藝的適應，防護墊地的移民安置區(qū)在后續(xù)的運行中出現(xiàn)的問題相對較少。此外，墊高區(qū)的人均環(huán)境條件較好，而一些移民通過開辦農(nóng)家樂等方式成功提高了自己的收入水平。

3.2 建議

(1)場地高程的確定、料場的選擇及施工工藝是防護墊地設計過程中最重要的兩項工作，其中場地高程的確定過程中涉及較多的因素，本文僅從本項目的特點進行分析，其他項目則需要根據(jù)場地現(xiàn)狀及周邊情況詳細的調(diào)研和分析來確定。

(2)場地高程中的設計洪水位應考慮庫區(qū)回水的影響，尤其是水庫末端。防護墊地占用河道較多的話，還應對水位流量關(guān)系曲線重新計算。

(3)料場的填料優(yōu)先選擇附近其他移民專項工程的開挖棄渣料、取土場砂礫石料等，如土料為黃土、壤土等，則有必要根據(jù)地勘成果資料制定相應的壓實方案。場地現(xiàn)狀地基存在承載力較差或者不均勻等性質(zhì)，則需要對現(xiàn)狀地基進行處理；如積石峽水電站尕莊居民點現(xiàn)狀為濕陷性黃土地基，填高前采用強夯技術(shù)對現(xiàn)狀地基的濕陷性問題進行處理，之后采用土料進行分層碾壓，工程運行多年，場地安全性較好。