南水北調倒虹吸工程水保措施配置及效果

康玲玲， 孔凡霞， 吳國權， 董飛飛， 孫 娟， 王云璋

(1.黃河水利科學研究院 水利部黃河泥沙重點實驗室， 河南 鄭州 450003； 2.延津縣技術推廣站，河南 延津 453200; 3.南水北調中線干線工程建設管理局 河南分局， 河南 鄭州 450000)

中國是較早興建調水工程的國家之一，如著名的都江堰、京杭大運河等調水工程，這些工程對于促進當時社會經濟發展發揮了重要作用，況且部分至今仍在發揮效益。新中國成立以來，相繼修建了很多大型跨流域調水工程[1]，如引灤入津、引灤入唐、引黃濟青、南水北調東線一期和中線一期等等。實踐表明，調水工程是優化水資源配置戰略格局和提高供水保障能力的重要途徑，不僅可緩解部分缺水地區水資源不足及其時空分布不均，提高受水區水資源配置能力，改善因缺水對生態環境造成的破壞，而且能促進人民生活水平的提高，發揮其顯著的經濟社會效益，并為受水地區可持續發展提供重要支撐與保障作用[2-6]。

倒虹吸工程是調水工程的重要組成部分，并成為南水北調中線一期工程中數量最多的一種交叉建筑物[7]。該類工程已有諸多技術與管理方面的參考文獻[8-9]，但針對施工過程中可能產生水土流失和加強水土保持工作等方面的文章幾乎找不到。因此，本文主要就倒虹吸工程施工過程中可能產生的水土流失及其防治措施配置模式與實施效果進行分析討論，以期為同類工程編制科學、經濟、安全、可行的治理方案提供參考。

1 工程概況及其可能產生的水土流失

1.1 工程概況

倒虹吸是指當輸水渠道與道路或河溝海拔高程接近，并處于平面交叉時需修建一種使水從路面或河溝下穿過的渠道交叉建筑物。實際上，它是一種經過山谷、河流、道路和其他渠道的壓力輸水管道。如南水北調中線一期穿黃工程就是中國目前最大的倒虹吸工程。倒虹吸管原則上由進口段、管身和出口3部分組成。

實際上，南水北調中線一期的相當多倒虹吸工程，乃是結合中國北方地區河、渠流凌、結冰以及中途退水需要，設計時將其劃分為進口漸變段、進口檢修閘、管身段、出口節制閘和出口漸變段、退水閘和排冰閘7個部分。由于資料限制，本文討論的倒虹吸工程并不包括退水閘和排冰閘這2部分。

南水北調中線一期總干渠從丹江口水庫陶岔渠首至北京團城湖全長1 272 km，其中，河渠倒虹吸是交叉建筑物中數量最多的一種，如大于700 km的河南段，自沙河南至漳河南的渠段就有河渠倒虹吸50余座,總長達1.60×104多m[7]。河北省北段總干渠長227.16 km，其中渠道倒虹吸工程就有13座，總長13.34 km[10]；其中邢石段總長僅65.79 km，渠道倒虹吸工程就有7座[11]。正由于倒虹吸具有工程量少、施工方便、節省動力及三材、造價低而且便于清除泥沙等特點，因此較廣泛地用于各國的農田水利建設、城市供水、大型調水工程。

1.2 可能產生的水土流失

倒虹吸工程作為渠道與河(溝)的交叉建筑物，其施工作業除先進行前期測量放樣，并針對交叉河(溝)設置施工圍堰、開挖導流渠，以及按設計要求進行場地平整、清基開挖、輸水明渠挖掘、渠堤填筑外，還需要按照倒虹吸工程布局進行基礎開挖與主體工程澆筑，以及后期回填和相交河流或溝道原有功能的恢復。事實上，這些施工活動基本上就在所交叉河(溝)范圍及其周邊開展，除穿黃工程采用盾構機挖掘施工外，通常利用非汛期采用機械開挖導流明渠，挖掘機配自卸汽車修筑截流戧堤和填筑圍堰，主體工程區從上到下分層大開挖，采用反鏟削坡與人工修至設計要求的坡度和平整度；石方采用鉆爆法梯級開挖，挖掘機配自卸汽車出碴；然后，按設計要求進行地基處理與鋼筋混凝土澆筑，再用推土機集料、回填、分層碾壓夯實與土地整治、部分恢復植被等工作。在此期間，土方開挖主要采用反鏟挖掘機挖裝自卸汽車運輸，推土機車輔助，留作后期回填的土方臨時堆存，多余棄土(渣)運至棄渣場；兩側渠堤填筑采用裝載機裝自卸汽車上料，機械壓實與人工輔助。

總之，工程施工基本上是大開挖，后期進行鋼筋混凝土澆筑，再回填、覆土并恢復地表植被。同時，在施工中除需設置棄渣場外，還必須布設施工道路、施工生產生活區以及必要的取料場與砂石料堆場等。由于施工活動改變了地形地貌，破壞了原狀土體結構與植被，并增加裸露地表、松散堆土與人造高陡邊坡，致使土壤抗侵蝕能力降低，因此無論是哪個環節，若缺乏相應防護措施，一旦遇上暴雨大風或洪水就會產生較為嚴重的水土流失及其危害。

2 水土保持措施配置模式

作者在對河南省境內鄭州段須水倒虹吸、金水河倒虹吸、丈八溝倒虹吸工程實地調查和查閱相關資料基礎上，針對倒虹吸工程施工過程中可能產生水土流失和后期植被建設的需要，明確相對于主體工程施工前、施工過程中和施工結束后三時段的水土保持措施布設，并構建成水土保持措施配置模式。

2.1 三時段的水土保持措施布設

2.1.1 施工前

(1) 鑒于倒虹吸施工區大部分位于原始河流、灘地、護堤地及部分耕地范圍之內，表土相對較少且寶貴，后期生態建設十分需要，因此施工前應將耕地、園地及草地僅有的表土進行剝離(剝離厚度30 cm左右)，分別集中存放在進、出口區或渠堤外空閑地，并采取防塵網苫蓋或撒播草籽，周邊設置裝土編織袋攔擋、土質排水溝和沉沙池等措施。

(2) 依據施工區地形和周邊來水情況，在倒虹吸工程兩端和兩側開挖邊坡外側設置截、排水溝(必要時在工區兩側外設防滲溝)或擋水埂，并與自然溝道或原有河、渠順接，以疏導雨水和減小坡面水流對開挖面的沖刷。

(3) 將施工區原有的成年樹木進行移植，以便后期生態建設所用。

2.1.2 施工過程中

(1) 施工臨時堆土周邊采取裝土編織袋、裝土草袋攔擋或鐵質圍擋，頂部采取防塵網、塑料布或土工編織物苫蓋，外圍依據地形布設臨時土質排水溝，末端設沉沙池。

(2) 針對工程區具體情況，尤其如上述倒虹吸工程區沙土較多，若遇大風、干燥天氣，應經常灑水。

(3) 在管溝開挖的渠線兩側邊坡外采取鐵質圍擋，尤其雨天時，坡面用土工編織物、防塵網或塑料布等臨時苫蓋。

(4) 對導流明渠、主體建筑物河道進、出口段及填筑施工圍堰的邊坡，采取裝土草袋臨時護岸、攔擋等措施。

2.1.3 施工結束后 施工結束后，根據主體工程布局(上述倒虹吸工程除作業管理區外，布局基本相同，本文僅以須水倒虹吸工程為例)、地形及周邊地表水流情況，布置縱橫向截排水溝，并對交叉河(溝)岸(坡)，采取漿砌石或草皮護坡等措施以恢復原有功能。同時，對護坡、空閑或裸露地按左、右岸綠地(即左右岸堤外生態景觀區)、作業管理區(含開關站、值班房、停車場等)、漸變段三角形綠地和虹吸管身上部生態休閑景觀區，依據園林綠化標準，進行覆土(厚度30～50 cm不等)、土地整治和林草植被建設：

(1) 開挖、填筑邊坡采用C15預制砼構件六棱體框格護砌(預制砼“Y”型構件拼裝組成)，框格內填客土并種植狗牙根或漿砌塊石護坡，其余邊坡采用草皮防護，并與輸水明渠、穿越河或溝堤的植物措施相協調。

(2) 進口閘左、右岸和出口(閘)左岸堤壩外至紅線區域，以香根草為綠地，設置堤外生態景觀區，區內按地形布設截、排水溝外，主要種植雪松、廣玉蘭、馬尾松、垂柳、合歡、迎春、銀杏、日本晚櫻、山桃、南天竹、石楠等喬灌木，以及衛矛、小葉女貞等綠籬。

(3) 在出口閘右岸堤壩外的作業管理區(包括開關站、值班房、停車場等)周圍設置生態防護區，并依據地勢設置截排水溝、沉沙池，在小區入口處設置透水磚停車場，主要按穴坑種植雪松、馬尾松、國槐、合歡、銀杏等喬木和桂花、石楠、龍爪槐、海桐等灌木，以及黃楊、南天竹等綠籬，同時鋪設香根草、狗牙根等地被植物。

(4) 在進、出口閘的漸變段兩側及降壓站房周邊，設置三角形綠地，除依地形布設截、排水溝外，渠堤邊坡采用六棱體框架植草護坡，三角區種植棕櫚樹、石楠、紫葉李、桂花、海桐、櫻花、紫薇、黃楊，同時鋪設白三葉、紅花酢漿草等地被植物。

(5) 在虹吸管頂部(包括穿越河、溝的堤防及其護堤地)建設生態景觀休閑園區，實施喬木與灌木、常綠樹與落葉樹、地被草地等合理搭配，種植雪松、桂花、廣玉蘭、石楠、銀杏、垂柳、女貞、榆葉梅、合歡、紫葉李等樹木及月季花、香根草，建造觀景休憩廊架、休閑涼亭及活動草坪，同時采用自動噴灌與人工澆灌相結合，以滿足喬、灌、草的需水要求。同時，設置一條彎曲的泥結石硬化散步小道，以增加空間的趣味性。

(6) 按水土保持要求拆除施工圍堰，清運廢土與棄渣并運至專門的棄渣場。

2.2 水土保持措施體系

根據上述水土保持措施布設情況，構建成倒虹吸工程區水土保持措施體系框圖(圖1)。

圖1 倒虹吸工程區水土保持措施體系框圖

3 實施效果分析

(1) 倒虹吸施工區上邊坡來水側設置截洪溝(兼防滲)，使得周邊來水不能進入施工區尤其開挖的溝槽內，既避免地表水沖刷而引起的水土流失，又能保障施工進度和工程質量免受影響；同時，施工區剝離表土和臨時堆土集中堆放，采取裝土編織袋攔擋、防塵網苫蓋等措施，使表土保護得到很好落實(見圖2)。

圖2 倒虹吸施工區表土臨時攔擋、防塵網苫蓋(左)與外側排水溝防滲等措施現場

(2) 由于倒虹吸工程施工時，及時采取周邊臨時鐵質圍擋與截、排水，開挖邊坡及臨時堆土采用土工編織物、防塵網或塑料布等臨時苫蓋，使得周邊來水不能進入施工場地而影響施工進度與工程質量，更無法進入倒虹吸工程的開挖管溝內，避免雨水和地面徑流對開挖坡面的沖刷而引起水土流失(見圖3)。

(3) 盡管各個倒虹吸工程的堤外區域不盡相同，但這些施工區都結合了輸水明渠兩側護堤林、綠化帶建設在堤壩外直至保護范圍設置生態景觀區，如前述的金水河、須水河的倒虹吸工程結合“鄭州南水北調生態文化公園”建設，大量種植了既具有水土保持功能又能綠化美化環境、有較高觀賞價值的喬灌木、綠籬與草坪，取得了很好的水土保持和生態防護效果(見圖4)。

圖3 倒虹吸工程施工區外側設鐵質圍擋、開挖邊坡及臨時堆土采取苫蓋等措施

圖4 南水北調中線河南省鄭州段金水河、須水河倒虹吸工程堤外生態景觀區建設現場

(4) 針對倒虹吸工程區進、出口兩側漸變段空間比較有限的實際情況，較多倒虹吸工程為增強檢修閘與節制閘的周圍綠色景觀，采用了緊湊綠化布局，從金水河與丈八溝倒虹吸漸變三角綠地不難看出，除按地勢和水流方向布設橫縱向截排水溝、框架植草護坡外，設置了三角形小型綠地，鋪設狗牙根草坪，種植較多喬灌木觀賞樹，鋪設草坪，取得了很好的水土保持和改善生態環境效果(見圖5)。

圖5 南水北調中線河南省鄭州段金水河(上)與丈八溝(下)倒虹吸漸變段三角綠地現場

(5) 針對工程作業管理區周圍生態防護區的具體情況，除按地形設置截排水溝、沉沙池外，還設置了透水磚植草停車場，區內按園林化設計標準，種植了既有水土保持功能且具有較高觀賞價值的喬灌木、綠籬與草坪，取得很好的水土保持和改善生態環境效果(見圖6)。

圖6 南水北調河南省鄭州段須水倒虹吸工程右岸堤壩以外作業管理區生態防護區現場

(6) 河南省鄭州段須水河倒虹吸頂部(即進、出口閘門之間除穿越河道外的堤防及部分護堤地范圍)修建休閑生態園的部分景觀，可見景觀區與倒虹吸平臺之間，以及進、出口閘的平臺與兩側堤防之間的堤腳布設截、排水溝，并與周邊排水系統相連接，既可收集雨水利用，還能避免雨水對坡面的沖刷；同時按園林化設計建設生態景觀區，區內系統布設觀景小道，采取喬木與灌木、常綠樹與落葉樹、地被草地等合理搭配，形成高低錯落、疏密有致、層次豐富的植物景觀，種植各種既具有水保功能，又能綠化美化環境與觀賞的樹木與綠籬，同時鋪設草坪、建設觀景廊道、涼亭等，取得很好的水土保持和改善生態環境效果(見圖7)。

圖7 南水北調中線河南段鄭州須水河倒虹吸頂部小型休閑生態園的部分景觀

4 結 論

(1) 為防治水土流失，改善倒虹吸工程區生態環境，本文以南水北調中線一期河南省鄭州段倒虹吸工程為實例，根據工程布局、施工工藝及其水土流失特點，結合工程區自然條件和主體工程需求，進行水土保持措施布設，構建倒虹吸工程區水土保持措施配置模式，實施后取得了很好的水土保持和改善生態環境效果。

(2) 由于受到資料的限制，本文僅以南水北調中線工程河南省鄭州段部分倒虹吸工程為例，就水土流失防治措施及其配置進行了分析討論，得到的結論存有一定的局限性，參考應用時應根據相關工程及項目區的具體情況進行參考與調整。

致謝：在實地考察和收集資料過程中，得到河南省南水北調中線工程建設管理局環境與移民處、鄭州市管理處、鄭州市航空港區管理處領導和相關人員大力支持與幫助，在此一并表示衷心感謝！