北方土石山區(qū)抽水蓄能電站水土保持設(shè)計(jì)

［關(guān)鍵詞］ 水土保持；措施設(shè)計(jì)；抽水蓄能電站；北方土石山區(qū)

［摘" 要］ 北方土石山區(qū)即北方山地丘陵區(qū)，具有多低山丘陵、坡陡溝深、暴雨集中、植被稀少、土壤抗蝕性差等特點(diǎn)。抽水蓄能電站有上、下兩個(gè)水庫，項(xiàng)目占地面積較大，施工時(shí)擾動(dòng)范圍廣，極易造成大面積的水土流失。以河南輝縣九峰山抽水蓄能電站為例，基于項(xiàng)目區(qū)所處的地質(zhì)地理?xiàng)l件及工程建設(shè)特點(diǎn)，提出在工程水土保持設(shè)計(jì)中應(yīng)注重表土資源保護(hù)、減少工程施工擾動(dòng)范圍、做好邊坡防護(hù)工程和加強(qiáng)臨時(shí)防護(hù)措施等水土流失防治思路，并針對性設(shè)計(jì)了相應(yīng)的防治措施，以最大限度降低工程建設(shè)對周邊環(huán)境的影響。

［中圖分類號(hào)］ S157" ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.09.014

［引用格式］ 王佳欣，張帆，解翼陽.北方土石山區(qū)抽水蓄能電站水土保持設(shè)計(jì)：以九峰山抽水蓄能電站為例［J］.中國水土保持，2024（9）：39-41，50.

北方土石山區(qū)即北方山地丘陵區(qū)，主要分布在北京、河北、山東、遼寧、山西、河南、安徽等省市［1］，具有多低山丘陵、坡陡溝深、暴雨集中、植被稀少、土壤抗蝕性差等特點(diǎn)。抽水蓄能電站，又稱蓄能式水電站，在電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)能將多余電能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時(shí)期的高價(jià)值電能，是電力系統(tǒng)中最可靠、最經(jīng)濟(jì)、壽命周期長、容量大、技術(shù)最成熟的儲(chǔ)能方式。與其他類別水力發(fā)電工程相比，抽水蓄能電站因有上、下兩個(gè)水庫，項(xiàng)目占地面積較大，故施工擾動(dòng)范圍廣，極易造成大面積的水土流失。筆者以河南輝縣九峰山抽水蓄能電站為例，基于項(xiàng)目區(qū)所處的地質(zhì)地理?xiàng)l件及工程建設(shè)特點(diǎn)，針對性提出水土流失防治思路，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的防治措施，以最大限度降低工程建設(shè)對周邊環(huán)境的影響。

1" 項(xiàng)目及項(xiàng)目區(qū)概況

九峰山抽水蓄能電站是目前河南省在建裝機(jī)容量最大的抽水蓄能電站，是落實(shí)國家“雙碳”戰(zhàn)略部署的重要基礎(chǔ)設(shè)施，已納入《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》等多項(xiàng)國家級規(guī)劃中。電站裝機(jī)總?cè)萘繛? 100 MW，額定發(fā)電水頭682 m，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大（1）型，主要由上水庫、下水庫、輸水發(fā)電系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面開關(guān)站及補(bǔ)水系統(tǒng)等組成。其中上、下水庫大壩均采用瀝青混凝土面板堆石壩，全庫盆采用瀝青混凝土面板防滲；輸水發(fā)電系統(tǒng)布置于上、下水庫之間的山體內(nèi)；地下廠房采用尾部開發(fā)方式；補(bǔ)水系統(tǒng)采用豎井式泵站，用于工程初期蓄水及運(yùn)行期補(bǔ)水。項(xiàng)目于2022年6月29日由河南省發(fā)展和改革委員會(huì)批準(zhǔn)建設(shè)，于2023年11月27日開工建設(shè)，工程總工期為96個(gè)月（含施工準(zhǔn)備期）。

項(xiàng)目區(qū)位于河南省輝縣市黃水鄉(xiāng)、太行山東南麓、豫北平原的交接地帶，屬北方土石山區(qū)，上下游地勢高差達(dá)700 m。區(qū)內(nèi)地勢總體為西北高、東南低，海拔370～1 510 m，相對高差達(dá)1 000余m。區(qū)內(nèi)山高谷深，切割強(qiáng)烈，多懸崖絕壁。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫14.6 ℃，年均降水量607.5 mm，年均蒸發(fā)量1 550.5 mm，年均相對濕度67%；冰凍期一般為11月下旬至翌年3月中旬，最大凍土深約20 cm。土壤類型復(fù)雜多樣，以棕壤土、褐土、潮土為主；植被類型為暖溫帶落葉闊葉林帶，主要有黃遼平原栽培的落葉闊葉林和側(cè)柏疏林人工植被。項(xiàng)目區(qū)屬于太行山省級水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，以輕度水力侵蝕為主，容許土壤流失量為500 t/（km2·a）。

2" 水土流失防治思路

九峰山抽水蓄能電站上、下水庫庫盆均需采取開挖、規(guī)整、防滲等措施，土石方開挖回填量較大，臨時(shí)堆存時(shí)間長，調(diào)運(yùn)頻繁，若不采取有效的水土保持措施，則松散土體遭遇暴雨、洪水沖刷時(shí)，極易大量流失，對電站工程建設(shè)、周邊生態(tài)環(huán)境、下游溝道及居民生產(chǎn)生活等造成不利影響。

2.1" 注重表土資源保護(hù)

表土是植物生長的基礎(chǔ)，是十分珍貴、難以再生、生態(tài)價(jià)值顯著的基礎(chǔ)性資源。項(xiàng)目擾動(dòng)地表面積較大，且不可避免地占用了部分耕地和林草地，施工期間會(huì)對原地貌土壤和植被造成嚴(yán)重破壞，施工前若不采取表土保護(hù)措施，后期植被恢復(fù)則是紙上談兵。因此，需對項(xiàng)目征占地范圍內(nèi)（包括上、下水庫淹沒區(qū)）的表土采取剝離、保存和綜合利用等措施。

2.2" 減少工程施工擾動(dòng)范圍

抽水蓄能電站項(xiàng)目施工擾動(dòng)地表面積較大，主體工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化施工方案，盡可能減少工程占地面積、土石方開挖回填量、施工擾動(dòng)地表面積及損毀植被面積，最大程度降低工程建設(shè)對周邊生態(tài)環(huán)境的影響。如在大壩永久管理范圍內(nèi)設(shè)置臨時(shí)堆料場，以減少工程新增臨時(shí)占地面積；工程開挖土石方可用于大壩回填、場區(qū)平整或壩后壓戧平臺(tái)，以減少工程取料和永久棄渣量，盡量做到無永久棄渣。

2.3" 做好邊坡防護(hù)

在上下水庫、壩后壓坡體、隧洞、道路及料場等建設(shè)過程中形成的裸露邊坡是水土流失的重點(diǎn)部位，其下墊面條件差，坡度較陡，普通的植物措施成活率低［2］，因此治理難度大。合理區(qū)分不同邊坡的施工擾動(dòng)和水土流失特點(diǎn)，結(jié)合邊坡類型、位置和面積，因地制宜、合理選擇措施類型，是做好邊坡水土流失防治的必然要求。

2.4" 加強(qiáng)臨時(shí)防護(hù)措施

工程建設(shè)土石方開挖量為1 473.83萬m3，回填量為1 707.67萬m3，借方233.84萬m3?？偣て? a，土石方臨時(shí)堆存時(shí)間較長，且調(diào)運(yùn)頻繁，因此施工期間應(yīng)采取完善、有效的臨時(shí)排水、攔擋及苫蓋等防護(hù)措施，以防止松散土體遭遇大風(fēng)和暴雨天氣時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境和工程建設(shè)造成嚴(yán)重的影響。

3" 防治措施設(shè)計(jì)

區(qū)域水土流失治理應(yīng)堅(jiān)持綜合治理、因地制宜的原則，以保護(hù)和建設(shè)山地森林草原植被、提高水源涵養(yǎng)能力為重點(diǎn)，以小流域?yàn)閱卧?，合理配置坡改梯、溝頭防護(hù)、徑流排導(dǎo)、支擋固坡等工程措施，水土保持林、經(jīng)果林、人工草地等林草措施，等高耕作、間作套種等耕作措施，形成綜合治理體系。

3.1" 表土保護(hù)

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，上下水庫壩址及庫區(qū)、補(bǔ)水泵站、臨時(shí)堆料場、砂礫石料場及加工系統(tǒng)等施工占地范圍內(nèi)分布有耕地、園地、林地和草地等，尤其是上水庫施工占地范圍內(nèi)耕地面積較大，表土資源較豐富，因此項(xiàng)目區(qū)需采取表土剝離、保護(hù)和回覆等措施，以保護(hù)表土資源，

為后期復(fù)耕及植被恢復(fù)創(chuàng)造條件。對各施工區(qū)開挖剖面進(jìn)行分析，各施工區(qū)表土平均厚度見表1。

考慮到部分山地表土剝離難度較大，最終確定項(xiàng)目區(qū)表土可剝離量為28.76萬m3。根據(jù)工程總布置及各施工區(qū)后期土地恢復(fù)利用類型，復(fù)耕區(qū)域表土回覆厚度擬采用50 cm、綠化區(qū)域擬采用15～30 cm，共需表土量28.49萬m3。為最大限度保護(hù)表土資源，對項(xiàng)目區(qū)內(nèi)可剝離表土全部剝離，并將多余表土回填至樞紐工程壩后壓坡區(qū)域。依據(jù)表土可利用量和需求量分析，對項(xiàng)目區(qū)表土進(jìn)行平衡調(diào)配，最終確定項(xiàng)目共保護(hù)利用表土量28.76萬m3。

3.2" 棄渣綜合利用

項(xiàng)目主體設(shè)計(jì)采取壩后壓戧方式處理工程棄渣，即將棄渣處理與大壩基礎(chǔ)處理相結(jié)合，在提高壩基穩(wěn)定性的同時(shí)，又可充分利用開挖的土石方。水土保持設(shè)計(jì)時(shí)將壓坡體作為微地形，打造新的景觀元素，采用“坡頂喬灌草+坡面撒草”的綠化方式。其中，喬木選用青楊、側(cè)柏、櫻花、廣玉蘭等，株行距為2 m×3 m；灌木選用月季、迎春、石楠等，株行距為1 m×1 m；草種選用狗牙根、紫穗槐和羊茅草等，撒播密度為80 kg/hm2。壓坡體景觀綠化措施在有效防止水土流失的同時(shí)，又能體現(xiàn)出“堅(jiān)持節(jié)約優(yōu)先、保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主”的大政方針。

3.3" 邊坡防護(hù)

3.3.1" 庫周邊坡和開關(guān)站邊坡

上、下水庫庫盆均是利用天然庫盆開挖規(guī)整后，再對庫周開挖、擴(kuò)庫而成。施工后，對庫周邊坡和開關(guān)站邊坡均采用全坡面噴混凝土、系統(tǒng)錨桿錨固的支護(hù)形式。在保證水土流失防治效果的基礎(chǔ)上，兼顧景觀要求，在庫周邊坡馬道上布設(shè)種植槽進(jìn)行邊坡綠化，即在截排水溝與邊坡坡面間設(shè)置種植槽，槽內(nèi)回填0.5 m厚的種植土，內(nèi)側(cè)種植攀緣植物爬山虎、外側(cè)種植垂枝植物連翹、中部種植小灌木紅葉石楠，槽內(nèi)撒播草籽，草種選擇紫穗槐、狗牙根、羊茅草等。爬山虎與連翹的種植間距為0.5 m，紅葉石楠株間距為1.0 m，草籽撒播密度為60 kg/hm2。庫周邊坡防護(hù)措施布設(shè)見圖1。

3.3.2" 隧洞邊坡

導(dǎo)水洞及交通隧洞等邊坡以巖質(zhì)和土質(zhì)邊坡為主，采用高次團(tuán)粒噴播植草技術(shù)進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡。該技術(shù)是利用富含有機(jī)質(zhì)和黏粒的客土材料，噴播后發(fā)生疏水反應(yīng)，形成黏結(jié)力極強(qiáng)的土壤培養(yǎng)基，牢固地吸附于坡面上，有效解決高陡邊坡無法覆土綠化的難題，可抵抗水蝕和風(fēng)蝕，防止水土流失，美化環(huán)境。噴播厚度為6～10 cm，分層噴播，先噴播基底層，后噴播種子層。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)氣候特征及綠化美化目標(biāo)，選用抗性強(qiáng)、適合本土生長的狗牙根、紫穗槐、羊茅草、迎春、側(cè)柏等鄉(xiāng)土草樹種。

3.3.3" 壓坡體坡面

工程開挖無用料在施工結(jié)束后運(yùn)至大壩壩后，填筑壓坡。其中上水庫壩后壓坡體共設(shè)2級馬道，馬道寬5 m，各級邊坡坡比均為1∶2.5；下水庫壩后壓坡體共設(shè)3級馬道，馬道寬5 m，各級邊坡坡比均為1∶2.2。因壓坡體為開挖的土石方填筑碾壓而成，故壓坡體坡面采用混凝土菱形網(wǎng)格植草護(hù)坡，網(wǎng)格尺寸為2.0 m×2.0 m、骨架高0.5 m。布設(shè)時(shí)需將菱形網(wǎng)格嵌入坡面以下0.15 m，先在骨架內(nèi)鋪設(shè)一層土工布，以防止骨架內(nèi)草皮流失；再混播紫穗槐、狗牙根、羊茅草等草籽，混播比例為1∶1∶1。壩后壓坡體坡面防護(hù)措施見圖2。

3.3.4" 道路邊坡

項(xiàng)目布設(shè)了對外交通道路、上下水庫連接道路和場內(nèi)交通道路，共計(jì)56.47 km，其中永久道路長36.35 km、臨時(shí)道路長20.12 km。根據(jù)不同的邊坡擾動(dòng)形式，對道路開挖形成的高陡石質(zhì)邊坡，在坡腳處設(shè)置植生槽，槽內(nèi)種植攀緣植物、小灌木，并撒播草籽進(jìn)行綠化；對低緩處未采取防護(hù)措施的石質(zhì)邊坡，采取高次團(tuán)粒噴播植草措施；對回填土質(zhì)邊坡，采取撒播草籽的方式進(jìn)行防護(hù)。

3.3.5" 石料場邊坡

開采的石料主要用于上水庫壩體堆石填筑料源及混凝土骨料、墊層料的加工料源。石料場開采高程在1 400～1 500 m之間，每開采10～15 m設(shè)1級馬道，共設(shè)11級，每級馬道寬均為3 m。石料開采后形成的邊坡及平臺(tái)均為裸露基巖，為降低石料場對周邊生態(tài)環(huán)境的影響，在各級邊坡及馬道上布設(shè)種植槽，槽內(nèi)客土種植攀緣植物和小灌木，對邊坡進(jìn)行綠化；在開采平臺(tái)上覆土撒播灌草，進(jìn)行綠化（見圖3）。種植槽擋坎采用塊石漿砌，為矩形斷面，坎高0.70 m、頂寬0.40 m，槽內(nèi)填0.65 m厚種植土，在擋坎底部布設(shè)直徑5 cm的排水孔，以排出槽內(nèi)積水。

4" 結(jié)束語

隨著抽水蓄能電站建設(shè)規(guī)模的日益增大，工程建設(shè)過程中帶來的水土流失問題也日益突出，為貫徹落實(shí)“生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展”理念，結(jié)合抽水蓄能電站上、下水庫建設(shè)擾動(dòng)地表面積較大的特點(diǎn)，提出主體設(shè)計(jì)應(yīng)從優(yōu)化施工布置方案出發(fā)，提高工程土石方開挖量的綜合利用率，將工程開挖無用料用于填筑壩后壓戧平臺(tái)，從而減少工程取料及棄渣工程量，最大限度降低施工擾動(dòng)地表及損毀植被面積。水保設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)邊坡類型、位置、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等分別采取高次團(tuán)粒噴播、框格植草、植生槽、撒播草籽等不同的邊坡防護(hù)措施，充分考慮項(xiàng)目區(qū)景觀綠化要求，以減輕工程建設(shè)對項(xiàng)目區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響。施工期間應(yīng)嚴(yán)格控制施工擾動(dòng)范圍，做好表土資源保護(hù)和臨時(shí)防護(hù)措施，避免因工程施工導(dǎo)致項(xiàng)目區(qū)內(nèi)水土流失加劇，進(jìn)而造成嚴(yán)重危害。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 孫天妙，曹建生，陽輝，等.北方土石山區(qū)水土流失治理現(xiàn)狀與展望［J］.防護(hù)林科技，2022（5）：56-61.

［2］ 凌峰，石艷龍，羅冰.大型抽水蓄能電站水土保持生態(tài)護(hù)坡技術(shù)與實(shí)踐：以河北豐寧抽水蓄能電站一二期工程為例［J］.海河水利，2021（6）：42-45.

收稿日期： 2024-02-28

第一作者： 王佳欣（1991—），女，河南武陟人，工程師，碩士，主要從事水土保持設(shè)計(jì)工作。

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（責(zé)任編輯" 張緒蘭）