萬(wàn)家寨水利樞紐塌岸水土保持措施探討

翁麗珠 段妍

水庫(kù)庫(kù)區(qū)塌岸是一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，也是一種自然現(xiàn)象，是不可避免的，但可以通過(guò)一定手段和措施來(lái)減輕、減緩其發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，是可以控制的[1]。水庫(kù)塌岸對(duì)策是一個(gè)較為復(fù)雜系統(tǒng)工程，涉及眾多領(lǐng)域和方面，需要各個(gè)方面、多個(gè)部門、各個(gè)利益相關(guān)方通力合作，本著客觀、科學(xué)精神，堅(jiān)持以人為本，制定符合工程實(shí)際的應(yīng)對(duì)策略[2]。

傳統(tǒng)的塌岸治理措施常采用拋石、干砌石、漿砌石、鉸鏈沉排、模袋混凝土、混凝土預(yù)制塊、石籠防護(hù)、抗滑樁、擋土墻等工程措施，這些形式的護(hù)坡方式多注重坡岸本身穩(wěn)定性和行洪排澇的基本功能，防護(hù)效果立竿見(jiàn)影，具有高度的精確性和可靠性[3]。但是存在工程造價(jià)相對(duì)較高，需要定期維護(hù)、不斷修復(fù)等問(wèn)題。隨著庫(kù)區(qū)邊坡防護(hù)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)邊坡綠化美化的要求日益提高，要求邊坡達(dá)到工程和景觀的雙重效益。傳統(tǒng)工程措施很少考慮對(duì)生存環(huán)境、景觀環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的影響，單一工程措施已經(jīng)不能滿足人們對(duì)塌岸治理的需要。

塌岸水土保持措施是綜合工程力學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)和植物學(xué)等學(xué)科的基本知識(shí)對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)，形成由工程和植物組成的綜合護(hù)坡系統(tǒng)的護(hù)坡技術(shù)，一方面通過(guò)工程措施針對(duì)性地對(duì)塌岸嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行邊坡穩(wěn)定防護(hù)；另一方面，通過(guò)坡腳、坡面的植物措施防護(hù)，進(jìn)一步鞏固和美化坡面，既保證邊坡穩(wěn)定，又追求生態(tài)治理和景觀美化[4]，適用于新時(shí)代生態(tài)理念下的塌岸治理。

基于上述情況，本文選擇萬(wàn)家寨水利樞紐為例，探討塌岸水土保持措治理策略。

1 區(qū)域概況

黃河萬(wàn)家寨水利樞紐位于黃河北干流托克托至龍口峽谷河段，左岸隸屬山西省偏關(guān)縣，右岸隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗，是黃河中游8 個(gè)梯級(jí)規(guī)劃的第1 個(gè)，1998 年10 月下閘蓄水。主要任務(wù)為供水、發(fā)電，兼有防汛防凌、高效節(jié)水灌溉、水土流失治理、調(diào)水調(diào)沙、城鄉(xiāng)供水節(jié)水等作用，年供水量14 億m3，樞紐電站裝機(jī)108 萬(wàn)kW·h。工程樞紐規(guī)模為Ⅰ等大（1）型工程。水庫(kù)正常蓄水位977.00 m，最高蓄水位980.00 m。隨著時(shí)間推移，萬(wàn)家寨水利樞紐城坡碼頭至上游13 km 的水庫(kù)右岸庫(kù)岸出現(xiàn)比較嚴(yán)重的黃土塌岸和滑坡區(qū)域，大焦稍溝和小焦稍溝兩岸已接近沿岸居民，如不及時(shí)處理可能對(duì)群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成影響。2019 年7 月，黃河萬(wàn)家寨水利樞紐有限公司全面開(kāi)展萬(wàn)家寨水利樞紐黃土滑坡塌岸段治理，加強(qiáng)對(duì)特定區(qū)域、重大滑坡區(qū)域監(jiān)測(cè)和重點(diǎn)防治等工作。塌岸治理的實(shí)施將實(shí)現(xiàn)萬(wàn)家寨水利樞紐山水林田湖草系統(tǒng)的修復(fù)和防治，保障其生態(tài)安全屏障。

1.1 塌岸范圍規(guī)模和形態(tài)

萬(wàn)家寨水利樞紐右岸城坡碼頭至上游13 km 的庫(kù)岸出現(xiàn)比較嚴(yán)重的黃土塌岸和滑坡區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘結(jié)果，項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀邊坡坡比變化較大，邊坡受雨水沖刷、植物根系劈裂及風(fēng)化營(yíng)力作用，表面風(fēng)化強(qiáng)烈，坡面受重力作用，蓄水、保土、保肥能力較差。

1.2 塌岸邊坡分析

根據(jù)現(xiàn)狀地形圖，通過(guò)ARCGIS10.2 生成萬(wàn)家寨水利樞紐右岸庫(kù)岸現(xiàn)狀高程圖、坡度圖和坡向圖。從坡度圖可以看出治理區(qū)域坡度在20°～90°間，坡度變化較大，部分區(qū)域變化劇烈；從坡向圖可以看出，治理區(qū)域大部分屬于東北坡和東南坡。具體高程、坡度和坡向分析圖如圖1 所示。

圖1 地形分析圖

1.3 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析

工程區(qū)為黃土丘陵山區(qū)，上部主要為硬黃土和沙壤土。根據(jù)SL 386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》及現(xiàn)場(chǎng)查勘，工程邊坡不涉及相關(guān)水工建筑物，庫(kù)岸邊坡級(jí)別為5 級(jí)，其正常運(yùn)用條件下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.10～1.05。通過(guò)對(duì)典型現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定計(jì)算，分析推斷萬(wàn)家寨水利樞紐庫(kù)岸現(xiàn)狀邊坡存在基本穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)。如圖2 所示。

2 塌岸水土保持措施選擇分析

2.1 工程措施選擇分析

塌岸治理最有效、快捷的對(duì)策是工程措施，而具體工程措施選擇應(yīng)與工程實(shí)際結(jié)合起來(lái)，做到因地制宜，尤其與塌岸模式相適應(yīng)，如此才能做到有的放矢，因地制宜，因害設(shè)防，達(dá)到預(yù)期效果和作用，同時(shí)有效控制成本，防止浪費(fèi)[5]。目前工程護(hù)坡主要有以下幾種類型，詳見(jiàn)表1。

表1 工程措施及其適用情況研究[4]

石籠防護(hù)適用于受庫(kù)水沖刷嚴(yán)重的較陡的土質(zhì)或土石混合質(zhì)庫(kù)區(qū)邊坡，屬于柔性結(jié)構(gòu)，能夠自適應(yīng)沉降變形，可對(duì)抗水流沖擊；施工方便，可水下施工；就地取材，填放天然級(jí)配砂石，能融入自然景觀，利于魚(yú)類等生物的生存繁衍。漿砌石護(hù)岸整體性較好，抗沖刷能力更強(qiáng)，不易損壞。綜合以上分析，石籠及漿砌石防護(hù)適用于萬(wàn)家寨水利樞紐塌岸治理。

2.2 植物措施設(shè)計(jì)分析

植物護(hù)坡的作用方式主要是通過(guò)坡面植物的地下根系的土壤錨固和地上莖葉的雨水截留進(jìn)行的。地下廣布的根系縱橫交織，大大增加了土體的固著和結(jié)持力，地上部分的莖葉可減少或防止降雨及徑流對(duì)地面的直接撞擊濺蝕。

2.2.1 植物品種選擇

萬(wàn)家寨水利樞紐塌岸治理重點(diǎn)關(guān)注植物耐水性、抗旱性、根系固土能力、抗病蟲(chóng)害、耐瘠薄等特性。根據(jù)不同的水位條件，應(yīng)當(dāng)結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，將岸坡劃分為幾個(gè)區(qū)域地帶，在不同區(qū)域選取適合的植物種類。

正常蓄水位（977.00 m）至運(yùn)行水位（978.00 m）區(qū)域是庫(kù)岸邊坡水位變化最大的區(qū)域，在豐水期存在淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)，受水流沖刷較為嚴(yán)重，因此植物措施以適應(yīng)能力強(qiáng)、濕生或中生、耐水淹、根系發(fā)達(dá)的植物為主。運(yùn)行水位（978.00 m）至坡頂區(qū)域是水利樞紐邊坡較陡區(qū)域，該區(qū)基本不存在水淹風(fēng)險(xiǎn)，邊坡保水保肥能力較差，土壤含水率較低，雨水徑流較強(qiáng)烈，對(duì)邊坡的沖刷較嚴(yán)重，因此植物措施以中生、耐旱、莖干低矮、生長(zhǎng)速度快、枝葉覆蓋力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)的植物為主。

2.2.2 組成及配置

2.2.2.1 混交類型

灌木與草本混交可以強(qiáng)化植物護(hù)坡綜合效應(yīng)，草本及地被植物能控制坡面的水土流失，而灌木可以控制更深層的侵蝕。喬木與灌木混交可充分利用上層和中層的空間分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)水分、養(yǎng)分、光照條件等的合理利用。

2.2.2.2 混交方式

灌草混交時(shí)，采用植生組混交方式，不同治理區(qū)域采用不同灌木混交。該配置方式種間相互作用較遲，可以削弱種間競(jìng)爭(zhēng)，提高植株成活率，極大地提高林木的生長(zhǎng)量，適用于惡劣環(huán)境。

2.2.2.3 混交比例

混交林混交比在30%以上，立地條件差的地方，混交比應(yīng)大些，并以灌木樹(shù)種為主。

2.2.2.4 種植點(diǎn)配置

在坡地造林時(shí)，種植行走向宜選擇沿等高線走向。品字形配置能最大限度利用水熱條件，使樹(shù)冠發(fā)育均勻。

通過(guò)以上分析，萬(wàn)家寨水利樞紐塌岸治理喬木選擇白榆；灌木選擇檸條、紫穗槐和檉柳；草本選擇芨芨草、白草、百里香、紫菀、沙蒿和山棘豆；水生植物選擇千屈菜和蘆葦?；旖活愋蜑椤肮嗄?草本”、“喬木+灌木+草本”，灌木采用3 株一叢，每個(gè)種植穴植物種類兩種以上，混交比為50%。種植點(diǎn)采取沿等高線品字形配置。

綜上所述，萬(wàn)家寨水利樞紐塌岸防護(hù)采用漿砌石護(hù)腳、石籠護(hù)坡為基礎(chǔ)，并結(jié)合植物護(hù)坡措施，以期達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的治理效果。

3 塌岸水土保持措施設(shè)計(jì)

3.1 治理高程

依據(jù)設(shè)計(jì)資料，萬(wàn)家寨水利樞紐正常蓄水位977.00 m，最高蓄水位980.00 m。通過(guò)管理單位提供的水庫(kù)運(yùn)行資料，實(shí)際運(yùn)行每年7 月15 日至10月15 日，水庫(kù)運(yùn)行水位為966.00 m 以下，其余時(shí)段為978.00 m。綜合以上資料，確定預(yù)防保護(hù)區(qū)植物措施治理高程為977.00～981.00 m；重點(diǎn)治理區(qū)工程措施治理高程為庫(kù)岸全斷面，植物措施治理高程為977.00 m 至庫(kù)岸頂部。

3.2 治理分區(qū)

根據(jù)塌岸的嚴(yán)重程度及對(duì)居民的生活和耕作的危害程度，將治理分區(qū)分為預(yù)防保護(hù)區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)。治理分區(qū)詳見(jiàn)表2。

表2 治理分區(qū)

3.2.1 預(yù)防保護(hù)區(qū)

預(yù)防保護(hù)區(qū)治理措施主要為植物措施。根據(jù)不同水濕條件變化和洪水沖刷程度采取不同的治理措施，劃分水生植物攔水帶、灌草護(hù)坡帶兩個(gè)措施布置帶，如圖3 所示。

圖3 預(yù)防治理區(qū)治理示意圖

水生植物攔水帶位于水庫(kù)常水位至978.00 m 高程處，是庫(kù)岸邊坡水位變化最大的區(qū)域，植物措施以濕生和水生植物為主，多選擇濕生和耐一定時(shí)間水淹的植物，選擇蘆葦和千屈菜進(jìn)行配置。

灌草護(hù)坡帶位于978.00 m 至坡頂岸坡，該區(qū)段沒(méi)有水淹風(fēng)險(xiǎn)，邊坡穩(wěn)定性好。在原坡面上栽植灌木并撒播草籽進(jìn)行護(hù)坡，植物以耐水濕為主，灌木選擇紫穗槐，草本選擇芨芨草和白草。

3.2.2 重點(diǎn)治理區(qū)

重點(diǎn)治理區(qū)主要采用工程措施和植物措施相結(jié)合的綜合防治方案，首先對(duì)該區(qū)域進(jìn)行壓坡并對(duì)高程981.00 m 以下采用漿砌石護(hù)腳和鉛絲石籠護(hù)坡，然后根據(jù)不同水濕條件變化和洪水沖刷程度劃分不同的植物防護(hù)帶。如圖4 所示。

圖4 重點(diǎn)治理區(qū)治理示意圖

3.2.2.1 工程措施

（1）壓坡。通過(guò)前期分析，重點(diǎn)治理區(qū)現(xiàn)狀邊坡不穩(wěn)定，需進(jìn)行庫(kù)岸穩(wěn)定工程以達(dá)到穩(wěn)定庫(kù)岸邊坡的目的。庫(kù)岸穩(wěn)定方式包括減載、邊坡開(kāi)挖和壓坡方式，由于前兩種方式均會(huì)新增征地范圍，從節(jié)約投資的角度考慮，庫(kù)岸穩(wěn)定工程采用壓坡方式。壓坡坡比為1∶2，在高程981.00 m 處設(shè)置一級(jí)馬道，馬道寬3 m，壓坡坡頂設(shè)置1 m 寬平臺(tái)。高程981.00 m 以下至庫(kù)岸底部壓坡材料采用碎石土，土石比為7∶3；高程981.00 m 以上至庫(kù)岸頂部壓坡材料采用土方?；靥钋皯?yīng)將邊坡整理成臺(tái)階狀，分層碾壓密實(shí)，壓實(shí)度不小于0.9。

（2）護(hù)坡及護(hù)腳。對(duì)該區(qū)域壓坡后高程981.00 m 以下至庫(kù)岸底部采用（長(zhǎng)×寬×高）100 cm×100 cm×50 cm 鉛絲石籠護(hù)坡，下設(shè)土工布和10 cm 砂墊層；護(hù)腳采用（寬×高）50 cm×100 cm 漿砌石齒墻，下設(shè)10 cm 砂墊層。高程981.00 m 處馬道及高程981.00 m 以上至庫(kù)岸頂部邊坡和坡頂平臺(tái)表層覆土用于后期植被栽植，覆土厚度50 cm。

3.2.2.2 植物措施

根據(jù)不同水濕條件變化和洪水沖刷程度采取不同的治理措施，劃分水生植物攔水帶、灌草護(hù)坡帶和喬灌護(hù)岸帶3 個(gè)措施布置帶，如圖4 所示。

水生植物攔水帶位于水庫(kù)常水位至978.00 m 高程處，常水位至978.00 m 高程處每年有3 個(gè)月是在水下淹沒(méi)區(qū)，其余時(shí)段不受水淹，是庫(kù)岸邊坡水位變化最大的區(qū)域，植物措施以濕生和水生植物為主，多選擇水生和耐一定時(shí)間干旱的植物，選擇蘆葦和千屈菜。

灌草護(hù)坡帶位于978.00～981.00 m 和981.00 m至坡頂岸坡，該區(qū)段沒(méi)有水淹風(fēng)險(xiǎn)，邊坡穩(wěn)定性差。首先在981.00 m 坡腳處采用立式柳梢捆進(jìn)行護(hù)腳，防止水流沖刷坡腳；然后對(duì)978.00～981.00 m坡面采用密植灌草進(jìn)行護(hù)坡，防止坡面水流沖刷，植物措施以中生、稍耐濕、莖干低矮、覆蓋力強(qiáng)的植物為主，灌木選擇檉柳、胡枝子，草本選擇紫菀和百里香；981.00 m 至坡頂段坡面立地條件較為干旱，植物措施以中生、耐旱莖干低矮、覆蓋力強(qiáng)的植物為主，灌木選擇檸條和紫穗槐，草本選擇山棘豆和沙蒿。

喬灌護(hù)岸帶該區(qū)域位于981.00 m 馬道及壓坡坡頂平臺(tái)，為干燥地帶。根據(jù)護(hù)岸帶寬度采取適宜的植物措施：馬道主要采用喬灌結(jié)合方式的植物措施對(duì)庫(kù)岸進(jìn)行保護(hù)；坡頂平臺(tái)主要采用栽植灌木的方式對(duì)庫(kù)岸進(jìn)行保護(hù)。植物措施以中生、耐旱的植物為主，喬木樹(shù)種選擇白榆，灌木選擇檸條和紫穗槐，草本選擇紫菀和百里香。

通過(guò)水土保持綜合護(hù)坡治理，萬(wàn)家寨水利樞紐將有效提高水庫(kù)庫(kù)岸的穩(wěn)定性，減輕地表徑流沖刷及土壤侵蝕度，改善環(huán)境小氣候環(huán)境，形成生態(tài)清潔、山水和諧、環(huán)境優(yōu)美的水庫(kù)環(huán)境，治理鳥(niǎo)瞰圖如圖5 所示。

圖5 萬(wàn)家寨水利樞紐塌岸治理鳥(niǎo)瞰圖

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著生態(tài)文明發(fā)展和我國(guó)水利工程的不斷建設(shè)，工程措施和植物措施相結(jié)合的水土保持綜合治理措施將在今后水庫(kù)塌岸治理中日益凸顯其優(yōu)勢(shì)。水土保持綜合治理措施實(shí)施后可大大減少耕地及水土流失，改善水質(zhì)，有利于庫(kù)區(qū)保持良好的生態(tài)平衡，并對(duì)恢復(fù)水庫(kù)原有的水源地功能產(chǎn)生積極作用，有顯著的環(huán)境效益和社會(huì)效益。根據(jù)塌岸情況分段采取相應(yīng)措施，在保證邊坡穩(wěn)定前提下，通過(guò)植物護(hù)坡提高水利工程的生態(tài)效益，實(shí)現(xiàn)山水林田湖草生命共同體，構(gòu)建人水和諧共生的水庫(kù)邊坡生態(tài)系統(tǒng)。