紅毛洞水電站棄渣場設計與選址合理性論證

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563000)

山區水電站工程建設規模大、山區地形陡峭復雜、地質條件破碎等不利因素，導致土石方開挖量和棄渣量大，若不采取合適的防護措施，容易引起堆渣場沖毀、坍塌、泥石流等不利問題，導致水土流失、環境遭受破壞，直接威脅到工程本身及周邊地區的安全[1-2]。棄渣場是水電站建設新增水土流失的敏感部位和重點部位，對水電站棄渣場土壤侵蝕的動態監測結果表明，在堆渣初期棄渣場土壤侵蝕強度達到極強烈[3]。因此，如何根據工程特性、地形地質等條件，正確合理進行棄渣場選址是水電站項目水土流失防治的首要問題和關鍵問題。棄渣場選址的合理性直接關系到項目建設征地、水土流失防治、環境保護調查評價及治理修復、工程投資等[4]。

在以往水電站水土保持方案設計中，由于地形、征地等因素的限制，水土保持方案中棄渣場多采用主體工程設計的渣場，在方案中增加棄渣場的水土保持措施，很少從水土保持角度來進行渣場位置的選擇。根據水電工程的水土保持準入條件，水土保持方案中可以依據實際情況否決主體工程設計的渣場，從水土保持角度重新選擇棄渣場的位置[5]。因此，在水電站工程水土保持方案設計中，不應局限于主體工程設計指定的棄渣場，要從水土保持、生態環境影響等方面來綜合論證棄渣場的位置[6]。本文以紅毛洞水電站建設過程中的水土流失特點、可能對生態環境的影響為主線，開展棄渣場方案合理性論證，重點研究棄渣場選址設計和方案，確保施工現場棄渣安全可靠地合理堆放。

1 工程概況

紅毛洞水電站位于貴州省務川縣豐樂鎮茶坪村境內的洪渡河上，壩址距遵義市中心城區174km，距務川縣城20km，是洪渡河水電梯級開發規劃中的第四級電站。工程任務以發電為主，兼有攔沙和防洪等功能。壩址以上流域面積1141km2，干流河長79.2km，多年平均徑流量8.17億m3，多年平均流量25.9m3/s。電站樞紐由堆石混凝土重力壩、左岸壩后式發電系統、泄洪建筑物等組成。電站水庫為中型，樞紐工程為Ⅲ等，發電工程為Ⅳ等。紅毛洞壩址上游約200m為偏陽洞水電站(已成)大壩，偏陽洞水電站建于1989年，水電站樞紐為砌石拱壩，壩高15m，電站水庫庫容77萬m3。紅毛洞水電站建成蓄水后將直接淹沒偏陽洞水電站，目前偏陽洞水電站已停止運行。紅毛洞水電站建設棄渣量約19.08萬m3，項目位于地形切割較發育河谷地帶，可供渣場選址的位置有限，故棄渣場選址合理性的論證分析尤為重要。

2 棄渣場選址合理性分析與評價

2.1 渣場類型

《開發建設項目水土保持技術規范》(GB 50433—2008)中明確提出：在西南土石山區高山峽谷地帶進行水電站工程建設，由于電站壩址所在河段地形較陡、施工布置困難，可供棄渣的場地有限，在棄渣場選址尤其是臨河型和水庫型棄渣場選址時，必須進行詳細科學論證，降低建設項目對生態環境的影響[7-8]。《水利水電工程水土保持技術規范》(SL 575—2012)中規定：按照棄渣場地形條件、棄渣場與河(溝)相對位置、洪水處理方式等，將水利水電工程棄渣場分為溝道型、臨河型、坡地型、平地型、庫區型5種[9]。溝道型棄渣場應選址于庫內兩岸平緩的支溝，不宜設在匯水面積和流量大、溝谷縱坡陡、出口不易攔截的溝道，棄渣場應臨近施工道路，棄渣運輸方便，并利于水土保持措施的布置，施工期應完善沖溝排水措施和溝口攔擋措施；臨河型棄渣場位于大壩上游主河道或支流兩岸平緩臺地，棄渣堆置應不擠占行洪河道，不妨礙航運及河床構建物功能的發揮[10]。為防止施工期棄渣侵占河道影響行洪安全，應沿臨河邊坡完善攔擋措施并滿足施工期防洪要求；坡地型(俗稱緩坡型)棄渣場是指將棄渣堆放在寬緩平地、河流或溝道兩側較高臺地上，渣體底部高程高于溝道中防護渣體的設計洪水位，不需要考慮渣場對溝道防洪的影響，但是要設置護坡工程[11]；庫區型棄渣場是將棄渣堆存在主體工程水庫庫區內河(溝)道兩岸臺地、階地和河灘地上，水庫建成后堆渣體全部或者部分被庫水淹沒，按照棄渣堆積高程與水庫正常蓄水位和死水位的相對位置，有可分庫面型、庫中型、庫底型3種。結合紅毛洞水電站工程地形地質等條件，設計優選沖溝堆渣和庫底堆渣兩種方案進行優化比選。

2.2 棄渣場合理論證分析

2.2.1 主體設計沖溝型棄渣場方案

主體工程施工建設棄渣場選在大壩上游左岸1.5km處，此處有一條天然季節性沖溝，屬于沖溝型棄渣場，該沖溝長約1000m，溝底寬20～40m，深20～40m，沖溝底部地勢平緩、基巖出露，距離水電站正常水位線340m，堆渣起點高程675.00m，與正常水位664.00m相差11m。堆渣高程675～700m，堆渣長度約500m，棄渣場堆渣前在675.00m高程處先建漿砌石擋渣墻進行護腳，堆渣坡比為1∶1.8。棄渣場占地2.74hm2，容量25萬m3。主體設計棄渣場滿足棄渣堆放要求。從施工組織角度分析，主體設計渣場棄渣運輸對施工場地和在建的德習高速路干擾較大。從水土保持渣場選址規定角度分析，一是主體設計渣場距離擬建紅毛洞水電站大壩正常水位水面線只有340m，最不利因素考慮渣場失事易形成涌水，對大壩造成影響；二是渣場位置在德習高速路豐樂出口匝道可視范圍，且德習高速路的修建影響棄渣場運輸道路的布置和棄渣運輸。因此，主體工程設計選址的沖溝型渣場存在制約性因素，須進行設計優化。

2.2.2 水土保持庫底型棄渣場優化方案

根據渣場選址規定內容，通過對主體設計資料和現場的分析，可以考慮利用現狀偏陽洞電站庫容作為本工程的棄渣場。現狀偏陽洞電站攔河壩壩頂高程631.85m，水庫庫容77萬m3，大壩施工期間對攔河壩下游進行培厚加高作為上游擋水圍堰，工程棄渣沿攔河壩上游左岸庫區堆放，利用現有攔河壩承擔擋渣功能，大壩施工期及工程運行期棄渣不會對大壩造成安全影響。設計堆渣高程617.50～634.00m，堆渣長度380m。導流隧洞進口底板高程627.50m，為了避免堆渣體對導流隧洞進口過水的影響，渣體堆放到高程625.00m時渣面邊坡坡比取1∶2.0，且堆渣過程中邊坡粒徑較大的塊石應進行碼放或者用機械夯實，并且要求對渣體進行分層碾壓。設計的庫內棄渣場容量30萬m3，由于水電站工程棄渣只有19.08萬m3，且擬建的紅毛洞水電站水庫死庫容1940萬m3，死庫容高程662.00m，設計堆渣高程634.0m與死庫容高程相差28.0m，棄渣對死庫容影響極小(僅占水庫死庫容0.98%)；其次，土石方棄渣為無放射性、無污染的固廢物，對水質無污染；再次，庫底棄渣場的棄渣運輸對主體施工干擾較小。從節約土地和投資方面考慮，針對本工程的實際情況，根據《水利水電工程水土保持技術規范》(SL 575—2012)渣場分類，紅毛洞水電站采用庫底堆渣方案合理可行。主體設計沖溝堆渣位置與優化調整后的庫底渣場位置關系，如圖1所示。

圖1 主體設計沖溝渣場與調整后庫底渣場位置關系

3 棄渣場優化調整效益分析

3.1 水土保持經濟效益

水土保持方案設計庫底型棄渣場和主體設計沖溝型棄渣場的經濟效益分析主要從建設征地投資、棄渣運費、水土保持措施投資三個方面作比較。主體設計棄渣場：征地面積2.74hm2(約41.10畝)，占地類型主要為坡耕地和灌木林地，灌木林地征地費用2.14萬元/畝，坡耕地征地費用4.00萬元/畝，征地費116.54萬元；棄渣量19.08萬m3，1.5km運距，綜合單價18元/m3，棄渣運費343.44萬元；水土保持措施投資，擋渣墻、排導工程、綠化工程共計81.27萬元；主體設計棄渣場總投資541.25萬元。水土保持方案將主體設計沖溝型棄渣場調整為庫底型棄渣場后，不涉及堆渣征地、棄渣運費和水土保持措施投資等費用，相應可以節約工程投資約541.25萬元。

3.2 生態環境效益

主體設計沖溝型棄渣場，建設擾動地表面積2.74hm2，其中：損壞灌木林地1.72hm2，坡耕地1.02hm2。務川縣平均侵蝕模數為1176t/(km2·a)，棄渣場建設過程將新增水土流失量218.30t/a，且后期還須考慮渣場植被恢復和耕地占補平衡。通過水土保持方案優化設計為庫底型棄渣場，可以充分利用現有的偏陽洞水電站庫區和攔河壩工程措施，不但能有效控制工程建設實施過程中的水土流失，保護項目區周邊生態環境，產生較好保土蓄水效益；同時，優化后采用庫底型棄渣場不涉及堆渣征地、棄渣運費和水土保持措施投資等費用，能有效減少工程總投資，提高工程投資經濟效益。

4 結 論

水電站工程建設實施過程中產生的棄渣及水土流失會對項目區生態環境造成破壞，尤其是地形地質條件復雜的西南山區，項目建設水土流失較為嚴重，防治措施施工難度大、投資高。因此，在保證穩定基礎上進行棄渣場合理優化調整，確保渣場選址與工程具有較好匹配性尤為重要。

紅毛洞水電站渣場設計過程中，綜合分析后認為主體工程設計指定的沖溝型棄渣場在水土保持方面存在明顯不足，因此棄用主體工程設計的棄渣場位置，結合項目實際情況，重新選擇，優化采用庫底型渣場。庫底型棄渣場的優點是合理利用死庫容、棄渣運距短減少運輸成本、減少棄渣場征占地對周邊生態環境的破壞、后期不用治理和維護，節約工程總投資和提高工程投資經濟效益。這類渣場不足的地方是施工期占用河道行洪斷面，施工期間須解決好渣場排水通道問題，確保壩基開挖和樞紐建筑物的安全施工。本文關于水電站棄渣場選址的案例可為山區水電站棄渣場選址突破主體工程指定渣場的局限性、合理選擇棄渣場位置提供參考。