线型工程水土流失现状及其防治措施体系分析

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2019年05月02日 15:42

... 绿色4S 店工程【防治水土流失方案】-防治水土流失方案

韩冰 吕斌 吕恵明 郑树海 李莉

[摘 要]本文针对山西晋北~江苏南京±800千伏特高压直流输电工程水土流失类型和危害特点,从水工保护工程、水土保持工程措施等方面,对防治范围的水土流失防治方案进行比选和设计,根据施工图阶段要求提出了较为合理可行的水土流失防治措施体系。水土保持措施的实施,将控制并减少工程建设新增水土流失量,为高压直流输电工程的安全运行提供保障,防止了工程沿线自然环境恶化,同时,也为山西晋北~江苏南京±800千伏特高压直流输电工程水土保持治理提供了设计与施工参考。

[关键词]线型工程;高压直流输电工程;水土保持;防治措施

中图分类号:S681 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)24-0081-05

线型工程指铁路、公路、石油与燃气管线、渠道、管道、城市综合管网、输电线及索道工程等。线型工程主要特点为工程涉及范围广、战线长、穿越地貌复杂、占地面积多、施工难度大和施工期限长等。通常线型工程需跨越好几个市县或省份,工程区途经的地形地貌迥异,施工过程中的挖填方量比较大。这就使得线型工程在施工建设中,对生态环境造成的扰动及产生的水土流失现象有其独特的相关问题。山西晋北——江苏南京±800千伏特高压直流输电线路工程起点为山西省朔州市晋北换流站,终点为江苏省淮安市南京换流站,线路全长1100.9km。本工程线路途经山西、河北、山东、河南、安徽、江苏6省。贵州送变电工程公司承建的皖1标段分为:李姚庄村南——安水西段、安水西段——丰刘村北段两段,对应杆号分为:N2701~N2913、N3001~N3188,全线新建铁塔基础401基,其中直线塔302基,直线转角塔8基,耐张塔91基,线路总长度为195.134千米。该工程是纳入国家大气污染防治行动计划的重点输电工程,将全面采用我国自主研发的特高压直流输电技术和装备,工程建成投产后,对于保障能源安全、推动清洁发展、拉动经济增长具有重要意义。

1.项目区概况

开发建设项目中的点状工程指矿山、电站、水利樞纽等呈点状分布的工程建设项目[1-2],山西晋北~江苏南京±800千伏特高压直流输电工程是典型的点状工程(图1)。此类工程建设范围相对较小,砂石料场集中,松动土石及用量大,施工过程对局部地貌破坏强烈。水土流失的主要影响因子单一,主要类型、方式的水土流失发生频率高,流失强度大,防治措施集中。施工对水土保持监测干扰严重[3]。

工程沿线地貌类型主要为山地、丘陵(以下简称山丘)和平原;气候类型区主要有中温带亚干旱区、暖温带亚湿润区和北亚热带湿润季风气候区,年降水量421.1~988mm,20年一遇24h最大降雨量140.5~289.6mm,年蒸发量1362.5~2000mm,年均风速2.4~3.4m/s,≥10℃的多年平均积温为2610~5200℃;土壤类型主要有褐土、栗钙土、棕壤、潮土、黄棕壤土、水稻土和砂姜土等;植被类型山西境内属落叶小叶林,河北、山东和河南境内主要以北方暖温带大陆性季风气候为代表的落叶阔叶林,安徽和江苏以北亚热带阔叶林为主。工程沿线林草覆盖率约为20%~38%。

本工程涉及水力侵蚀类型区的西北黄土高原区,侵蚀强度为轻度,容许土壤流失量为1000t/km2·a;水力侵蚀类型区的北方土石山区,侵蚀强度以轻度为主,容许土壤流失量为200t/km2·a;水力侵蚀类型区南方红壤区,侵蚀强度以微度为主,容许土壤流失量为500t/km2·a。沿线涉及国家级水土流失重点预防区6个县、重点治理区11个县(区),省级水土流失重点预防(保护)区5个县(区)、重点治理区(监督区)18个县(市、区)。

本工程线路路径经过优化后已避开了多处饮用水水源保护区、森林公园、地质公园、湿地公园、自然保护区、风景名胜区等生态敏感区。在线路优化的基础上,本工程输电线路仍需穿(跨)越19处生态敏感区。

2.区域及工程建设水土流失现状分析

项目经过西北黄土高原区、北方土石山区、南方红壤区,西北黄土高原区容许土壤流失量为1000t/km2·a,北方土石山区容许土壤流失量为200t/km2·a,南方红壤区容许土壤流失量为500t/km2·a。项目建设区所在地所属水土流失分区分布见表1。

根据工程沿线各省(区)关于划分水土流失重点防治区的公告、全国土壤侵蚀第二次遥感普查报告、全国土壤侵蚀强度及类型图(详见图3)、全国土壤侵蚀卫星遥感图和工程沿线各市(区)、县水土保持生态环境建设规划等专题报告,收集各省水土流失遥感调查结果、各省水土保持监测公报,同时征求了各县市(区)水土保持局、水保站专家的意见,根据原地貌土地占地类型,最终确定了工程沿线的原地貌土壤侵蚀模数[4-6]。项目区以水力侵蚀为主,侵蚀模数背景值山西境内600t/km2.a~2000t/km2.a,侵蚀强度以轻度为主;河北境内200t/km2.a~1100t/km2.a,侵蚀强度以轻度为主;山东、河南境内190t/km2.a~250t/km2.a,侵蚀强度以轻度、微度为主;安徽、江苏境内180t/km2.a~450t/km2.a,侵蚀强度以微度为主;具体情况详见第七章水土流失预测中详细描述。

经过统计分析,确定本工程扰动地表面积346.84hm2,其中耕地203.27hm2,林地29.17hm2,园地5.24hm2,草地84.71hm2,其它土地(包括盐碱地、沼泽地、沙地和裸地等)24.11hm2,住宅及工矿仓储用地0.33hm2,损坏水土保持设施面积346.84hm2。本工程多余表土及部分清基土7.5万m3,已取得综合利用协议。

本工程建设期水土流失预测总量为22121t,其中背景流失量为8111t,新增流失量为14010t。本工程水土流失重点时段是土建施工期,山丘区水土流失量大于平原区。本工程水土流失重点部位包括换流站站区、接地极电极电缆及施工场地区和线路工程塔基区、施工及人抬道路区。水土流失重点部位也是水土保持监测和水土流失防治措施布设的重点部位。

本工程水土流失产生的重点时段为施工期。水土流失危害主要表现为建设期的土地占用、工程开挖、临时堆土、施工临时占地、新修临时施工道路等可能破坏原地貌、植被,产生弃土弃渣,大面积的土地将暴露在外,容易产生水土流失。本工程沿线山丘区施工过程中由于土石方开挖形成开挖边坡,损坏了塔位原有土体结构,易导致边坡失稳,若施工过程中不采取有效措施进行挡护,极易发生土石方溜坡现象,对塔基下方的耕地、梯地设施、居民房屋造成一定的影响。在河道附近施工时,若得不到及时有效的防护治理,沙石流失将会随地表径流汇入河网,影响水质。因此工程在施工过程中应加强边坡防护、临时拦挡等措施。

3.工程水土流失治理的原则

高压直流输电工程周边水土流失综合治理是指为改善生态环境,防止水毁、滑坡、泥石流等灾害的发生,保证工程的长治久安,因地制宜地采用多种措施对工程周边环境进行的治理。为提高高压直流输电工程周边水土流失综合治理的效益,应坚持以下原则:

3.1.结合高压直流输电工程实际和沿线水土流失现状,综合治理应因地制宜,全面布局,总体设计,预防为主,因害设防,防治结合,科学配置。

3.2.兼顾高压直流输电工程建设与水土流失治理的要求。高压直流输电工程周边环境综合治理既要能满足当前安全运营的需要,又改善生态环境,有利于长治久安。

3.3.注重当地水土流失治理的经验,同时又要借鉴国内外先进技术,尽量做到低投资、高效益,既要有效恢复工程建设对周边生态环境产生的破坏,又要修复原本较为脆弱的生态环境,使生态环境的演替朝着有利于安全运营的方向发展。

3.4.既要治标,又要治本,把短期防治与长久治理结合起来,既要保证工程运行的近安,又要重视长治久安。把高压直流输电工程水土流失治理与工程运行安全相结合,实现安全工程和绿色管线的统一。

4.水土保持防治措施体系设置

山西晋北~江苏南京±800千伏特高压直流输电工程在国家或区域社会、经济发展中均具有十分重要的战略地位,一旦发生安全事故,造成的后果不堪设想,因此保证高压直流输电工程的安全运行是这些战略性工程充分发挥作用的基本前提。但山西晋北~江苏南京水土流失极为严重,导致生态环境恶化,自然灾害频发,对高压直流输电工程安全运行威胁巨大。在土地经营上,传统农业广种薄收,耕作粗放,水肥不足,使抗灾能力差,产量低而不稳,群众贫困。贫困和经营管理不善、观念陈旧及素质较低等互为因果,在人口急剧增长的情况下,以农业为主的外延性发展形成恶性循环,加之开发建设项目对原始地貌的扰动和破坏,使山西晋北~江苏南京水土流失愈发严重。

本工程项目建设区占地面积为346.84hm2,其中永久占地103.86hm2,临时占地242.98hm2。占地类型中耕地203.27hm2,林地29.17hm2,园地5.24hm2,草地84.71hm2,其它土地(包括盐碱地、沼泽地、沙地和裸地等)24.11hm2,住宅及工矿仓储用地0.33hm2。本工程现已进入后期,山西晋北~江苏南京大部分已经掩埋,主体工程已基本完成,水土保持方案可研阶段已经完成,目前进入施工图阶段。工程为点型工程,根据工程施工进度情况及自然气候特点,结合沿线实际调查,确定治理措施应以工程措施为主,水土保持防治体系见图2。

4.1 水工保护工程设计

4.1.1 水工保护工程设计标准

本工程水工保护工程穿越工程防洪标准根据《特高压直流输电工程的系统设计》《输变电项目水土保持技术规范》(SL640-2013)《原油和天然气输送管道穿越工程设计规范穿越工程》关于穿越工程等级标准分别划分为百年一遇、五十年一遇、二十年一遇[7]。

4.1.2 水工保护冲刷计算

现场采集数据:现场勘查采集了山西晋北~江苏南京±800千伏特高压直流输电工程需作水工保护桩位的水力断面要素包括水力断面、纵坡、糙率,通过已开挖管沟判定地质组成、分层,对每处桩位地貌、流迹俱进行拍照。

采用的计算方法:冲沟水流的冲刷深度计算在不同的水力学条件下用不同的经验公式进行计算,而且对于冲沟的冲刷深度大多以实际调查为主要依据[8]。对于本次工程的洪水冲刷状况目前还没有较权威的计算公式,鉴于此,设计采用《水力计算手册》上推荐的河道泄洪断面一般冲刷深度计算和水流平行岸坡时局部冲刷深度计算,将两者的计算深度叠加就得到洪水冲刷深度。对于岸坡与洪水成一定角度的情况下对岸坡的冲刷深度,应为岸坡为较为稳定岩体,冲刷深度不能由计算得到,考虑管道在此类地段与砂砾石地段有相同的埋置深度,所以对于洪水与岸坡有夹角时不作计算。

计算公式:水力计算手册上推荐公式:

hp=Ph[4]

t=hp-h[4]

式中:p为最大允许冲刷系数,本次取值为1.5。

hp为一般冲刷后水深

h为冲刷前水深,取洪峰流量时水深。

水流平行岸坡产生的冲刷计算:

hB=hp[VP/Vh]n-1][9]

hB为局部冲刷深度。

hp为一般冲刷后水深。

VP为计算水位时主河槽平均流速

Vh为河床允许的不冲流速

n为岸坡在平面上的形状系数,一般取值为1/4。

计算中对采集的山西晋北~江苏南京±800千伏特高压直流输电工程桩位的水力要素及不同地貌、地质、过流形成条件有区别且有代表性的选择了11处进行计算,最大冲深2.72m,最小0.38m。

4.1.3 抗冲刷工程措施

水工保护设计思路是水工保护措施是在沟(河)道较深处设置地下防冲墙,防止管沟回填土的流失,坝体顶不高于沟床床底,以免引發河流改道;根据抗震规范对大于Ⅶ度区设防;另防护工程埋深俱大于冻土层深度以下。

对一般换流站站区、进站道路、施工生产生活区、施工电源设施区、站外排水管线区、抗冲刷设计选用浆砌护底;对地质条件软弱松散地段,设计为保证防冲构造物基坑开挖后对现状的扰动破坏选用浆砌护底与浆砌石护坡结合使用;对冲刷严重且已形成沟槽地段选用浆砌护底与浆砌石护坡(护岸)及浆砌石淤土坝三者结合使用;穿越有明显冲刷痕迹石方段河(沟)段采用混凝土连续覆盖。另对管线水工防护较长、地质条件软弱松散、冲刷且较为频繁、严重管线段另做浆砌马鞍型及上下游抛石、铅丝笼通用水工防护设计。

结构型式的选择:混凝土结构:其优点是整体性及耐久性较好,表面美观。缺点造价高,施工工艺相对发复杂,技术角度考虑抗冲性及维护性较好。浆砌石结构:其优点是所需材料可在沿线取用,施工工艺简单又可节省工程造价,技术角度考虑抗冲性及维护性较好。抛石、铅丝笼:造价低、變形能力强,缺点为透水性防护容易带走回填细粒。考虑本次防护对象的重要性及线路在山西省境内阳泉市平定县内跨越娘子关饮用水水源保护区、在朔州市朔城区跨越朔州市桑干河湿地国家级水利风景区、在阳泉市盂县穿越龙华口饮用水水源保护区二级保护区和跨越盂县梁家寨省级湿地公园,忻州市境内跨越长城雁门关段遗址;河北省境内邢台市内丘县跨越南水北调中线工程总干渠水源保护区,邯郸市的大名县中国大运河(卫河段),河南省濮阳市涉及金水国家湿地公园;线路在安徽省境内蚌埠市泗县内跨越大运河遗产保护带;江苏省境内徐州市丰县跨越大沙河(丰县)重要湿地、大沙河特殊物种保护区、废黄河重要湿地(丰县、铜山区境内),徐州市铜山区跨越汉王生态公益林,宿迁市泗洪县内跨越泗洪县四河乡集中式饮用水水源地、怀洪新河清水通道维护区,淮安市盱眙县境内跨越盱眙仇集生态公益林、龙王山水源涵养区,项目的建设过程中会对该区域产生一定的影响,工程竣工运行后的维护、维修相对较困难并且通过方案的经济、技术、施工条件比选,选择推荐造价相对较低,施工工艺简单,便于维护的浆砌结构作为推荐方案。

4.2 水土保持工程设计

4.2.1 弃渣集中堆放设计

适用条件:管道沿线有不连续堆渣,堆渣间距不超过400m。堆渣场布设在工程水土流失防治责任范围之内的缓坡地或者平台上,山区段大方量渣堆间隔不能小于500m,平原地段要求将1km范围内的小方量渣堆合并归垄为一个渣堆,并将合并后的堆渣修整为梯形台体。渣堆基本布设在本工程外侧防治责任范围之内距管线水平距离2m左右处,堆渣高度应小于5m,对大块石弃渣边坡采取1:1.5,对小块石及细颗粒弃渣边坡采取1:1.5~1:2.0。堆渣体的坡脚、坡面应作砌石防护和压实处理,渣顶表面需进行平整处理,以防止发生新的水土流失。渣场在堆渣时应注意将弃土堆于渣堆底面,砂砾石和弱风化岩石尽量堆在土渣坡脚底部,然后顺坡脚向土渣坡面堆放。对于由大粒径块石组成的渣堆,应将大块径的弃渣尽量堆于外侧,块径小的堆于内侧;块径大的弃渣尽量堆于下面,块径小的弃渣尽量堆于上面。对大块石弃渣从坡脚起,每隔1.5m修筑一0.5m宽的马道,并且在渣堆下部利用大块石弃渣设小平台宽30-50cm,可作为坡脚支撑;对细颗粒堆渣体的坡脚、坡面,应作砌石防护,在顶部设置块石覆盖物。弃渣粒径超过2m的要求破碎至2m以内。同时,对沿线部分区段散布的弃渣颗粒予以收集,并集中堆置于渣堆。

4.2.2 丘陵山区山体边坡弃渣防护设计

为了缓解日益紧张的能源需求,我国兴建或待建一批大规模的高压直流输电工程。这些工程常常会产生大量弃渣,势必会涉及生态保护和水土保持问题,造成大量的水土流失的影响,而高压直流输电工程的弃渣又不可避免地会发生在库区内,如何在弃渣范围内进行有效的防护及安全就成为工程建设者们关注的重要水土保持问题之一。适用条件:丘陵山区,工程沿线有适宜依山堆放条件。对工程沿线条状渣堆不稳定边坡、靠山体堆置的渣堆边坡或坡脚易遭受沟道水流冲刷的地段,需进行弃渣边坡防护措施。边坡防护措施主要采用干砌石防护,护坡坡比采取1:1.5,护坡高度1.0m。基础采用干砌石,在坡角开挖0.3m宽、0.5m深基槽,用干砌石砌0.3m宽、0.8m深基础,高出地面0.3m,作为护坡的底部支撑。

4.2.3 条带状弃渣防护设计

适用条件:工程沿线有连续堆渣,连续长度大于500m。弃渣堆置不可占压管线,渣堆堆置高度小于1.5m,渣堆底宽小于8m,顶宽小于4.5m干砌块石护坡高度与整平后的堆渣高度相同,砌石厚30cm,边坡比为1:1.5[10]。

4.2.4 施工迹地整治和恢复

本工程总开挖量261.61万m3,其中表土剥离土方25.30万m3,基础挖土石方219.21万m3,钻渣挖方17.10万m3;填筑方共计254.11万m3,大部分表土、基础挖方和所有干化后的钻渣全部回填至本区,另有7.5万m3表土和部分清基土外弃,适用条件:由于施工机械占地或施工便道修建造成弃渣。本次设计中施工迹地整治和恢复设计主要是对工程沿线乱弃渣和施工作业带进行平整恢复设计。平整时,应充分利用坑凹地段进行整平,力争回填平整后坑平渣尽,平整范围不能超出施工作业带及水土流失防治责任范围,弃渣尽量均匀平铺,并且采用机械平整夯实,铺渣厚度应小于30cm。

4.2.5 坑、沟弃渣回填

本工程项目建设区占地面积为346.84hm2,其中永久占地103.86hm2,临时占地242.98hm2。占地类型中耕地203.27hm2,林地29.17hm2,园地5.24hm2,草地84.71hm2,其它土地(包括盐碱地、沼泽地、沙地和裸地等)24.11hm2,住宅及工矿仓储用地0.33hm2。施工过程中管线开挖过程中的表层植土剥离等产生的弃渣,一部分将用于回填,恢复植被;其余就近堆存于附近低洼处,工程竣工后,将植树种草。工程弃渣将对水土流失造成一定的影响。适用条件:弃渣附近有开挖留下的坑、沟,或自然坑洼地。在工程开挖留下的,回填工程开挖留下的坑、沟和取料场并进行填平、平整处理。

4.2.6 浆砌挡渣墙

渣体堆放于河道或沟道岸边,其面临的主要问题是坡脚冲刷和坡体稳定。根据拦渣堤的功能与作用,可采用浆砌石、混凝土等刚性堤,也可以采用钢筋石笼或钢筋石笼加干砌石护坡等柔性堤。挡渣墙必须进行抗滑稳定、抗倾稳定和地基承载力计算。荷载组合为挡渣墙自重+墙后土压力。其安全系数,抗滑稳定可采用1.3,抗倾稳定可采用1.5,地基承载力计算采用1.2。挡渣墙的基底摩擦系数,在无试验资料时可参照表2选用。适用条件:大量堆渣集中点,堆渣高度大于6m。挡墙高度在2.0~8.0m,基底以强风化砂岩为持力层,墙身砌出地面后,基坑必须及时夯实回填,做成5%的外向流水坡。随着墙身的砌筑,待圬工强度达到70%以上时,墙后填料应及时回填,并夯实。挡土墙墙顶用水泥砂浆抹平,厚度50mm。挡土墙墙身地平面上1m高度范围内用水泥砂浆抹平,厚度30mm。挡土墙位于原始弃渣坡脚前1m处,以1:1.5放坡形式回填墙后填料。水土保持工程量见表3。

参考文献

[1] 张歆,余剑平.陕京输气管道工程水土流失分析及防治措施[J].人民长江,2006,37(2):45-47.

[2] 洪传勋,李玉生,马英武,等.新疆管道工程水土流失特征及其防治措施体系[J].中国科技信息,2010(6):59-63.

[3] 中华人民共和国国家标准(中华人民共和国建设部).开发建设项目水土保持技术规范(GB50433-2008)[M].北京:中国计划出版社,2009.

[4] 中华人民共和国水利行业标准(中华人民共和国水利部).水工挡土墙设计规范(SL379-2007)[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

作者简介

韩冰(1965—),男,汉,陕西武功人,副研究员,研究方向:水土保持及节水工程。

呂斌(1984—),男,汉,陕西南郑人,助理工程师,多年从事生产建设项目水土保持方案编制、水土保持监理、水土保持设施竣工验收。

郑树海(1973-),男,汉,河北蔚县人,高级工程师,工程硕士,研究方向:多年从事特高压直流工程安全质量和环水保管理工作。

李莉(1976-),女,汉,山东济南人,高级工程师,硕士,研究方向:多年从事生产建设项目水土保持方案编制、水土保持设施竣工验收、土壤侵蚀。

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