丘陵区风电项目水土保持措施设计研究

邹小阳，周 旺，刘 涛，杨以翠，肖克飚，申云康

(1.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530000；2.中科院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

能源是国家经济发展和社会进步的动力源泉，也是支撑人类文明快速发展和生活品质提升的基础[1]。20世纪至21世纪初期，煤炭、石油等不可再生资源是能源消费结构的主要组成部分[2]，但不可再生资源存在不可持续性、污染环境和安全性等问题，严重阻碍了经济和社会发展[3]。这促使各国开始发展清洁、可再生的新能源，根据《2013全球可再生能源现状报告》的统计数据，全球已有140余个国家制定了可再生能源发展规划和国家政策[4]。预计到2020年，新能源应用率将达到15.50%，风能在新能源结构中占据了重要地位[5]。

兴建风电项目是有效利用风能的方式，预计2020年我国陆地风电项目装机总容量达到1.70亿kW[6]。风电项目推进绿色新能源发展的同时，也对周边生态环境造成很大威胁，易引发严重的水土流失危害[7- 8]。前人的研究主要集中于山地风电项目水土流失的防治[7，9- 12]，而我国风能资源最丰富的地区位于海南、广西、广东等沿海地区，这些地区地形地貌以丘陵地貌为主。因此，本文以华润电力梧州苍梧六堡一期50MW风电场工程为研究对象，总结适宜我国沿海省市丘陵地貌区风电项目的水土保持措施体系，为我国丘陵区风电项目水土保持措施和生态景观设计提供参考。

1 工程概况

华润电力梧州苍梧六堡一期50MW风电场工程位于梧州市苍梧县六堡镇、狮寨镇一带的山脊上，距离苍梧县约30km。场区总面积为298.20km2。该项目属建设类新建项目。按FD002—2007《风电场工程等级划分及设计安全标准》(试行)，本工程等别为III等，工程规模为中型。工程动态投资41982.00万元，其中土建投资7088.36万元，工程计划于2019年1月开工，2019年12月建设完成，项目组成及其特性详见表1。

2 项目区概况

项目场址区属丘陵地貌，高程400.00～900.00m；项目区域属亚热带季风气候区，苍梧县多年平均气温21.2℃，多年平均降雨量1506.90mm，十年一遇1h降雨量55.60mm，多年平均风速1.80m/s，多年平均蒸发量1503.10mm，项目区内土壤侵蚀背景值为465.00t/(km2·a)；区域土壤类型以红壤为主，地带性植被以亚热带常绿阔叶林为主，项目区林草覆盖率达88.00%。项目区水系属于珠江流域西江水系。项目区在全国土壤侵蚀类型区划中属水力侵蚀类型区的南方红壤丘陵区，水土流失以轻度水力侵蚀为主，容许土壤流失量为500.00t/(km2·a)。本工程所在地苍梧县不属于国家级水土流失重点预防区和重点治理区，属桂东山地丘陵自治区级水土流失重点治理区。

表1 工程特性表

3 水土保持措施设计原则

3.1 布设原则

为有效治理工程建设新增水土流失及原有水土流失，本工程水土流失防治措施布设遵循“预防为主、保护优先、全面规划、综合治理、因地制宜、突出重点、科学管理、注重效益”的原则。

3.2 总体布局

本工程水土流失防治措施布局主要是将具体措施细化到各项目功能区上。对于各水土流失防治分区，主要是在主体工程采取的边坡防护等措施的基础上，加强施工管理和临时防护措施，同时对各区进行植物绿化措施，使整个工程形成一个较为完善的水土流失防治体系。

本工程各分区采取的水土保持措施主要有：施工前对发电场区、升压站建设区、道路建设区、集电线路区、施工生产生活区和弃渣场进行表土剥离，同时对临时堆土场周边布置临时排水、沉沙措施。

4 各工程区水土保持措施典型设计

4.1 风力发电场区

风力发电场区典型设计图如图1所示。

图1 风力发电场区水土保持措施设计图

4.2 升压站建设区

升压站建设区典型设计图如图2所示。

图2 升压站建设区水土保持措施设计图

主体工程设计时，已对升压站周边部分区域设置了浆砌石排水沟，但在施工期间，为了疏导站内排水，需在升压站建设区区域四周内布设临时排水沟，排水沟内铺土工膜防冲，排水沟长约300.00m，铺土工膜345.00m2。为防止泥沙流入周边水体，在排水沟末端各设置沉沙池1座。

4.3 道路建设区

4.3.1挖方路段

根据挖方路段沿线情况，对汇水面较大且主体设计中没有考虑道路排水的路段，在其道路两侧设置浆砌石排水沟，排水沟长500.00m。

主体设计中没考虑与自然沟道的顺接。为防护边坡稳定，使场内道路排水顺畅，本方案根据道路沿线情况，在排水沟与自然冲沟顺接处增设浆砌石排水沟，排水沟长300.00m。

4.3.2半挖半填路段

根据道路沿线情况，对汇水面较大且主体设计中没有考虑道路排水的路段，在其挖方边坡坡顶设置浆砌石截水沟、坡脚设置浆砌石排水沟，截(排)水沟长3500.00m。根据道路沿线情况，在排水沟与自然冲沟顺接处增设浆砌石排水沟，排水沟长1100.00m。

4.3.3填方路段

根据道路沿线情况，对汇水面较大且主体设计中没有考虑道路排水的路段，在道路两侧设置浆砌石排水沟，排水沟长200.00m。根据道路沿线情况，在排水沟与自然冲沟顺接处增设浆砌石排水沟，排水沟长100m。

4.3.4消力沉沙措施

在沿线排水沟末端设置消力井，兼有沉沙作用。共设消力井10座。消力井为本方案新增工程措施，在此进行井深校核计算。

(1)缩水深hc计算

(1)

式中，hc—收缩断面水深，m；T0—消力井底部以上的总水头，m；α—水流动能校正系数，可采用1.0～1.05，φ流速系数，一般可取0.95。

(2)后水深hc′计算

(2)

式中，hc′—跃后水深，m；b1—消力井首端宽度，m；b2—消力井末端宽度，m。

(3)出井落差Δz计算

(3)

式中，ht—下游水深，m。

(4)水跃淹没系数计算

(4)

代入设计参数σ0=1.07，在合理区间范围内，消力井尺寸设计合理。

4.4 集电线路区

集电线路区典型设计图如图3所示。

图3 集电线路区水土保持措施设计图

工程措施主要有覆土、临时排水、沉沙、临时苫盖和植物措施等。

4.5 施工生产生活区

施工生产生活区典型设计图如图4所示。

工程措施主要有覆土、临时拦挡、苫盖、临时排水、沉沙、和植物措施等。

表2 弃渣场区防治措施等级及安全系数表

图4 施工生产生活区水土保持措施设计图

4.6 临时堆土场区

临时堆土场区典型设计图如图5所示。

图5 临时堆土场区水土保持措施设计图

工程措施主要有临时拦挡、苫盖、排水、沉沙和植物措施等。

4.7 弃渣场区

根据本工程的弃渣特点和交通运输条件，共规划布置3个弃渣场，均为坡地型弃渣场。其工程措施主要有表土剥离、覆土、拦挡措施、截(排)水措施、临时措施及植物措施等。

弃渣场共修筑挡渣墙38.00m，截水沟1135.00m，平台排水沟590.00m，消力井6个。挡土墙为本方案新增工程措施，在此进行挡土墙及渣体边坡稳定分析。根据GB 51018—2014《水土保持工程设计规范》，本工程弃渣场区防治措施等级及安全系数见表2。

2#弃渣场占地面积、堆渣量和最大堆高均最大，其挡土墙稳定性验算及渣体稳定分析具有典型性及代表性。2#弃渣场挡土墙设计为重力式，墙顶宽度为0.60m，面坡倾斜坡率为1∶0，背坡倾斜坡率为1∶0.5，墙高3.10m。计算简图如图6所示，挡土墙设计尺寸见表3，挡土墙的设计条件见表4。

表3 挡土墙尺寸表

表4 挡土墙设计条件表

挡土墙稳定性验算包括抗滑、抗倾覆和地基承载力的稳定性验算。通过验算可以得出，设计的挡土墙Kc≥1.2、Ko≥1.4、σmax/σmin<2，能够满足抗滑、抗倾覆和地基承载力的稳定要求，稳定性较好，详见表5。

表5 挡土墙稳定性验算表

渣体边坡稳定分析，使用瑞典圆弧法对堆渣体边坡的稳定性进行分析验算可以得出，设计的渣体边坡K≥1.15，能够满足边坡抗滑的要求，稳定性较好。计算结果详见表5。

对弃渣场坡面截水沟过水断面进行校核，通过水文计算，截水沟洪峰流量计算结果详见表6。截水沟采用矩形断面，尺寸为0.50m×0.50m，对其过流能力进行复核，截水沟设计流量及汇水流量计算结果详见表7。通过计算，Q设>Qm，截水沟设计流量满足十年一遇防洪标准的要求。

图6 挡土墙计算简图

项目洪峰径流系数K1h设计雨量I/mm集水面积F/km2单位换算系数洪峰流量Qm/(m3/s)1#弃渣场0.655.60.0100.2780.092#弃渣场0.655.60.0250.2780.233#弃渣场0.655.60.0200.2780.19

表7 截水沟设计过水量计算表

弃渣场植物措施配置见表8。

表8 弃渣场植物措施配置表

5 结论

在我国沿海省市(如浙江、广东、广西、海南、福建等)“十三五”规划中均提到了促进风能资源等新能源发展，在风电项目逐年增多的背景下，如何实现生态环境与风电项目共同协调发展，是目前水土保持行业的热点。本文以华润电力梧州苍梧六堡一期50MW风电场工程为研究对象，总结适宜我国丘陵区风电项目的水土保持措施体系，为丘陵区风电项目水土保持措施设计和生态景观设计提供参考。