水利工程水土保持措施方案研究

张子仪，徐华强

(四川省内江水利水电勘察设计院有限公司，四川 内江 641000)

1 项目概况

和平水库位于四川省凉山州德昌县茨达乡和平村境内，是在雅砻江二级支流——安宁河下游右岸茨达河上兴建的一座以农业灌溉为主，兼顾乡镇、农村供水的中型水利工程。水库坝址位于磨房沟口上游约0.9km处，和平水库枢纽工程由挡水坝(钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高89.0m)、右岸溢洪道、右岸放水兼放空洞组成。坝址以上集水面积61.0km2，河长13.9km，河道平均比降46.2‰。水库距德昌县城37km，有乡村公路和S219省道贯通，德昌至西昌相距约65km，县境内有成昆铁路、G108国道、西攀—攀雅高速公路纵贯德昌县，北连成都，南接昆明，交通条件好。

2 枢纽渣场工程前期方案

和平水库枢纽工程在前期设计中，其水土保持方案得到了四川省水利厅的审查和批复，现将和平水库枢纽渣场批复的设计成果简要介绍如下：

水库枢纽渣场堆渣量约18.77万m3(松方)，占地面积2.00hm2。枢纽渣场布置在坝址下游0.2km的左岸Ⅰ级阶地。

枢纽渣场为临河型渣场，结合水库大坝设计洪水标准，渣场洪水标准采用30a一遇设计(p=3.3%)。为保证渣体安全并防止施工期堆渣过程产生的渣料滚出设计堆渣范围，造成水土流失，拟沿渣体坡脚线位置修筑C15混凝土拦渣堤，拦挡总长度为162m。

因本渣场上部有永久上坝道路通过，道路的排水沟几乎完全拦截渣场的坡面来水。

前期枢纽渣场平面布置图如图1所示。

图1 前期枢纽渣场平面布置图

3 枢纽渣场工程施工期方案

由于在前期设计中，枢纽渣场堆渣来源为和平水库枢纽主体工程，考虑到坝体堆石料料场位于库内左岸，距离大坝坝轴线不到500m，坝体堆石料场的弃渣规划在坝体的坝前和坝后压脚处理后，不再单独设置渣场堆放。

施工期间，坝体堆石料开挖产生的总弃渣为105.59万m3(松方)，全部放在大坝坝后压脚后，和前期审批的枢纽渣场相互重叠，为此，项目业主重新进行了和平水库枢纽渣场水土保持措施变更审批手续，得到了四川省水利厅的批复。

现将变更后的和平水库枢纽渣场批复设计成果简要介绍如下：

枢纽渣场布置在大坝下游坡脚与下游坝坡相接，水库枢纽渣场堆渣量约124.36万m3(松方)。因其位置相较前期枢纽渣场位置没有变化，其地形地质条件与前期枢纽渣场相同。

枢纽渣场为临河型渣场，结合水库大坝设计洪水标准，渣场洪水标准采用50a一遇设计(p=2.0%)。为保证渣体安全并防止施工期堆渣过程产生的渣料滚出设计堆渣范围，造成水土流失，拟沿渣体坡脚线位置修筑C20埋石混凝土拦渣堤，拦渣堤总长度为35m。拦渣堤采用重力式挡墙，基础置于中密状第四系冲洪积含漂砂卵砾石层上，埋深为2.5m(含齿墙)。拦渣堤顶高程1742.50m，较渣场校核洪水位1741.30m高1.2m，满足防洪要求。顶宽为1.0m，背坡1∶0.5，面坡1∶0.2，墙趾宽0.7m，墙踵宽0.8m，底座厚1.5m，墙趾端设置1.0m高的防冲齿墙，齿墙底宽0.8m，坡度1∶1，齿墙前采用大块石回填。拦渣堤最大高度4.3m(不含齿墙)，底座全部埋入地下，地面以上的最大高度2.8m。

拦渣堤每10m设一条沉降缝，缝宽2cm，缝内设硬质泡沫板，缝后设反滤层。墙身按梅花形设置排水孔，采用Φ50mmPVC管预埋，孔距1.0m，排距1.0m，管后设反滤层。

为保护渣体下游边坡安全稳定，采用综合护坡的方式进行防护，综合护坡为C20混凝土网格+覆土种草，网格框架采用C20混凝土，断面尺寸为20cm×20cm，单格形状为1.5m×1.5m的正方形，框架建成后在网格内覆土30cm，然后播撒草种(该部分覆土及播草工程量计入植物措施，工程措施不计列)。

为避免降雨及沟道水流对渣体的冲刷，拟在渣场顶部及两侧坡面设置截排水沟，将地表汇水排出至渣场范围以外。该渣场左岸坡面5a一遇设计洪峰流量1.37m3/s，右岸坡面5a一遇设计洪峰流量0.38m3/s，排水沟总长度867m。

但本工程枢纽渣场拦渣堤距离溢洪道出口较远(约120m)，只受汛期水流的回水影响，且溢洪道在汛期的泄洪时间较短，因此拦渣堤基础基本不受冲刷影响，只需采取简易的防掏措施即可，考虑在墙趾端设置1.0m高的防冲齿墙，齿墙底宽0.8m，坡度1∶1，齿墙前采用大块石回填。

施工期枢纽渣场平面布置图如图2所示，剖面设计图如图3所示。

4 枢纽渣场工程变更的原因分析

和平水库枢纽渣场工程设计变更后，笔者对其水土保持设计工作整个设计和施工过程进行了梳理，产生水土保持工程重大设计变更有以下原因。

图2 施工期枢纽渣场平面图

图3 施工期枢纽渣场剖面设计图

(1)在前期勘察工作中，钻孔取样缺乏代表性，控制范围不足，从源头上没有控制住开挖弃料的大量增加。

(2)坝前坡压脚方案中，前期水土保持设计没有考虑施工程序的合理性。由于本工程为钢筋混凝土面板堆石坝，其坝型特点，要求齿板开挖和水平趾板浇筑完成后，才能进行固定灌浆和帷幕灌浆，检查合格验收后，才能进行趾板以上的铺盖回填，最后才落实坝前坡开挖弃渣压脚，但这个时候开挖工序早已完工，开挖弃渣早已征地堆放就位，如再将堆放好的开挖弃渣运往坝前压脚，不但产生较大的二次转运费用，而且征地移民补偿工作及其费用也将浪费。

(3)坝后坡压脚方案中，对坝后坡压脚形体和消耗的开挖废料具体数量重视不够。前期水土保持设计中，对料场开挖弃料只是表述为“运往大坝坝坡压脚堆放”，没有具体图纸和数量分析，导致了弃渣堆放后形成的渣体与原审批渣体的相互位置关系和相互影响问题的产生。

对于大坝坝脚后拥有大片开阔地坝体工程来说，采用坝后压脚合理的消耗开挖弃料的方案不失为水土保持措施的科学途径之一，但在前期水体保持设计过程中，一定要仔细研究其施工程序、土石方平衡计算、图纸设计等主要过程控制手段。设计同行们一定汲取本项目的经验教训，使水土保持设计更上一个新的台阶。

5 枢纽渣场工程施工期方案的影响分析

5.1 对大坝的有利影响分析

采取大坝下游坝坡压脚工程措施处理后，本工程坝坡稳定计算采用《土石坝边坡稳定分析系统(HH-Slope R1.0)》中涉及条块间作用力毕肖普法进行计算。经过计算，上游坡安全系数基本无变化，但其下游坡的安全系数明显提高。

为减少主料场的开挖料数量，将主料场的指标相对较差的料源用于次堆石区进行利用填筑后，在各种计算工况下，其稳定安全系数最小值均满足规范要求值，上游坡抗滑稳定安全系数与原设计一致，下游坡由于下游渣体起到压重作用，最小抗滑稳定安全系数略有增大，增加值为0.15～0.19。

由此可见，大坝后坡压脚方案对大坝安全稳定有利。

5.2 对大坝的不利影响分析

此堆渣方式对后坝坡有固脚作用，有利于整个坝体的稳定，其不利影响主要表现在妨碍坝后排水。针对其不利影响，设计考虑：①增设坝后排水管并在排水管进口处设置截水墙，排水管采用直径为1.5mC20混凝土承插式预制管，末端设量水三角堰；②为加强渣体与周边坡面洪水的排出效果，在渣体两侧坡面设置C20排水沟，上接大坝背坡坡面排水沟，下顺接挡墙外原河床，将坡面来水排至下游原河床；③为加强渣体内部渗水排出效果，在渣场底部(与坝后涵管相接部分)和与大坝背坡相接部分填筑2.0 m厚砂砾石排水带，料源来自于坝基开挖的砂砾石，将大坝坝体渗水和渣体渗水尽可能的排出，保证渣体的稳定；④为加强渣体自身坡面洪水的排出效果，在渣体坡面1770、1756m两级马道内侧各设置1条C20排水沟，排水沟两端分别与坡面排水沟相接。

5.3 对渣场外环境影响分析

渣场周边相关的外环境主要有施工营地、下游居民以及沿河的省级公路。

施工营地布置在渣场下游右岸台地上，位于导流洞、溢洪道出口上游，沿河侧设置有拦挡措施，营地地面高程满足20a一遇防洪标准，能够满足防洪要求；因此渣场不会对施工营地造成影响。

渣场下游距离较近的居民主要分布在茨达河磨房沟口台地上，距离渣场最近距离约400m，经分析枢纽渣场与大坝为一体，受上游大坝保护，渣体本身及挡墙满足稳定要求，渣体及周边排水满足要求，渣场设置不会对下游居民点造成影响。

受水库枢纽施工影响，沿茨达河分布的省道在工程河段主体设计考虑抬高重建，渣场设置不会对沿岸公路造成影响。

在发生超标洪水和坝体失事等非正常工况下，渣体会发生危险，阻塞下游河道，对施工营地、下游居民以及沿河的省级公路危害较大。因此施工期应做好防洪度汛方案，施工及运行期间，在发生超标洪水和坝体失事时通过应急预案响应采取相应的应急抢险措施，并结合水库水情预报系统提前预报，提前撤离。

5.4 对工程的投资影响分析

现将枢纽渣场前期方案和施工期方案的工程措施工程量进行汇总比较，详见表1。

表1 前期和施工期方案工程措施工程量比较表

从以上工程量汇总比较表中可看出，施工期方案水土保持工程措施直接投资要略高于前期方案，但由于大坝下游坝脚采用弃渣压脚后，坝体安全系数有所提高，坝体堆石料料场的料源设计指标可以略微降低采用，这样一来，坝体堆石料料场的开挖弃料可以大量减少，并且施工期方案可以大量消耗弃渣数量而减少了征占地等其他间接费用，通过分析计算，施工期方案总投资约节约400多万元，经济效果显著。

由此可见，枢纽渣场施工期方案是经济可行的。

6 结语

土石坝作为水利水电工程中的一种常见成熟坝型，在施工期间，往往会伴随大量的土石方开挖弃料的产生，给施工期间工程区周边的水土保持和环境保护带来严峻的挑战，特别是大坝工程位于高山峡谷地带，工程区范围内弃渣场位置极为难觅，这个问题就显得尤为突出。对于土石坝类型的项目，应该充分分析和研究大坝坝前和坝后的结构特点，在地形地质条件满足的情况下，大坝坝体前期设计和施工期间均应重点研究大坝压脚的水土保持工程措施方案，必将会带来较大的经济效益和社会效益。