湯秀英

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)，對(duì)能源的需求越來(lái)越大，而水電是世界公認(rèn)的目前最具備規(guī)模發(fā)展的清潔可再生能源，具有受外界自然環(huán)境影響小、可持續(xù)利用年限時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境基本無(wú)影響、可調(diào)峰等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和節(jié)能減排的主力軍。大型水電站工程主要由主體(樞紐)工程、庫(kù)區(qū)配套工程、輸變電工程等組成。庫(kù)區(qū)配套工程又包括庫(kù)區(qū)淹沒(méi)復(fù)建公路、移民安置點(diǎn)、碼頭、景觀綠化等。庫(kù)區(qū)復(fù)建公路是由于水庫(kù)蓄水后淹沒(méi)了現(xiàn)有公路，為了保證庫(kù)區(qū)交通的暢通而進(jìn)行的復(fù)建[1]。庫(kù)區(qū)復(fù)建公路實(shí)施的好壞關(guān)系到沿線群眾的出行、地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及電站的整體經(jīng)濟(jì)效益。鑒于庫(kù)區(qū)公路為線性工程，線路較長(zhǎng)，規(guī)模較大，沿線不良地質(zhì)問(wèn)題眾多，形成機(jī)制復(fù)雜，環(huán)境保護(hù)要求高。因此，環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)思路應(yīng)貫穿于整個(gè)項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)中。本研究以正在建設(shè)中的某水庫(kù)為例，對(duì)復(fù)建公路設(shè)計(jì)中遇到的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題做深入思考。

1 路線設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 合理確定復(fù)建公路標(biāo)準(zhǔn)

公路復(fù)建工程項(xiàng)目的修建標(biāo)準(zhǔn)以“原場(chǎng)址、原寬度、原標(biāo)準(zhǔn)”的三原原則為基礎(chǔ)[2]，綜合考慮當(dāng)?shù)亟煌ㄐ枨笈c經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃，按照“先公路后水庫(kù)”的技術(shù)路線，將后期修建水庫(kù)對(duì)原有公路的影響提前籌劃到公路設(shè)計(jì)建設(shè)中一并考慮[1]，綜合考慮庫(kù)區(qū)公路路線走廊帶的資源稀缺性，因地制宜，兼顧水庫(kù)區(qū)環(huán)境保護(hù)、旅游開(kāi)發(fā)的需要，適度提高公路等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 論證選取適宜技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)水庫(kù)設(shè)計(jì)資料，把原有道路設(shè)計(jì)標(biāo)高提高了70～80 m，路線走廊帶由原來(lái)的“山腳線”變成了“山腰線”，水庫(kù)庫(kù)區(qū)地面橫坡陡峭，工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高，環(huán)境保護(hù)提出更高要求，應(yīng)綜合考慮水庫(kù)淹沒(méi)線和庫(kù)岸坍塌寬度后確定復(fù)建公路平面線位和標(biāo)高。平縱面指標(biāo)宜貼合地形，選取規(guī)范低限指標(biāo)，采用螺旋展線方式克服高差，盡量減少大挖大填現(xiàn)象。

路線長(zhǎng)度和平面位置主要受縱坡控制，在平面設(shè)計(jì)過(guò)程中，頻繁在路基段落設(shè)置回頭曲線迂回展線達(dá)到降坡目的，在能夠保證車輛安全行駛的基礎(chǔ)上，犧牲部分行車舒適性?？v斷面設(shè)計(jì)原則為坡腳線平面宜盡量遠(yuǎn)離淹沒(méi)線，對(duì)于部分指標(biāo)受限路段，可適當(dāng)降低高度，但不低于水庫(kù)淹沒(méi)線控制水位高程。

由于庫(kù)區(qū)地形復(fù)雜，線形多采用小半徑圓曲線與大縱坡的靈活組合，路基形式以挖方路塹或半挖半填結(jié)合擋墻為主，對(duì)取棄土場(chǎng)選擇應(yīng)最大限度減少對(duì)庫(kù)區(qū)環(huán)境的破壞；非橫跨水庫(kù)區(qū)減少橋梁結(jié)構(gòu)物設(shè)置，需進(jìn)行多方案論證，確保施工方便易行，工程造價(jià)合理可控[3]。

2 預(yù)測(cè)評(píng)估地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

2.1 工程地質(zhì)勘察概況

庫(kù)區(qū)地勢(shì)自西北向東南傾斜，地貌單元以中低山丘陵地貌為主，谷坡陡峻，河谷深切，一般切割深度大于200 m，河谷、沖溝多呈“V”字型，發(fā)育有山間沉積盆地。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s(中硬場(chǎng)地)，其對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ 度。區(qū)內(nèi)出露的主要地層巖性有：(1)侏羅系上統(tǒng)南園組流紋巖、凝灰?guī)r、流紋質(zhì)晶屑凝灰熔巖。(2)侏羅系上統(tǒng)兜嶺群下亞群砂巖、頁(yè)巖、凝灰?guī)r、塊集巖；上亞群流紋巖、晶屑凝灰熔巖。(3)古生界沉積巖：二迭系棲霞組含燧石灰?guī)r，文筆山組泥巖、粉砂巖夾硅質(zhì)巖；加福組粉砂巖、細(xì)砂巖夾煤層；翠屏山組粉砂巖、細(xì)砂巖；龍?zhí)督M炭質(zhì)粉砂巖、砂頁(yè)巖、石英砂巖夾煤層。(4)少部分前震旦系建甌群變質(zhì)巖：龍北溪組白云母片巖、鈉長(zhǎng)陽(yáng)起石片、云母石英片巖。(5)侵入巖主要為燕山早、晚期侵入的中酸性侵入巖體。主要巖性有黑云母花崗巖、細(xì)?；◣r、花崗閃長(zhǎng)巖、花崗斑巖、次花崗斑巖等。(6)第四系地層有坡殘積層和沖洪積層：坡殘積層為含碎石黏土，一般厚1～3 m，局部達(dá)數(shù)10 m，分布在低緩山坡地帶；沖洪積層由分選較差的砂礫卵石組成，分布在盆地、沖溝口、河床及岸坡階地上。主要不良地質(zhì)現(xiàn)象有：崩塌、滑坡、不均勻風(fēng)化、球狀風(fēng)化、軟弱夾層，不穩(wěn)定邊坡、坡面沖刷、落石、巖堆及石灰礦、煤礦及煤礦群采空區(qū)等，整體地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜程度較高。

2.2 庫(kù)區(qū)坍岸風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和評(píng)估

研究區(qū)域內(nèi)主要地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)為當(dāng)水庫(kù)蓄水后，局部庫(kù)岸第四系松散堆積層和破碎風(fēng)化巖受水流浸泡侵蝕、風(fēng)浪及波浪沖擊、水位變化及干濕交替影響，抗剪強(qiáng)度降低及地下水動(dòng)水壓力變化造成庫(kù)岸變形后移，即水庫(kù)坍岸。

在坍岸預(yù)測(cè)時(shí)，采用常用的卡丘金法[5]，其計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1，公式如下：

S=N[(A+hp+hb)cscα+(H-hb)cscβ-

(B+hp)cscγ]，

(1)

式中，S為坍岸帶最終寬度；A為庫(kù)水位變化幅度，取正常蓄水位與死水位的差值；N為與土的顆粒大小有關(guān)的系數(shù)；hp為波浪沖刷深度；hb為波浪侵襲高度，hb=3.2khtgα，h為浪高，本研究取1.5 m；H為正常蓄水位以上岸坡高度；α為水下穩(wěn)定坡角；β為水上岸坡穩(wěn)定坡角；γ為原始岸坡坡角。

圖1 坍岸預(yù)測(cè)斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of predicted bank collapse section

式中的水下穩(wěn)定坡角α可根據(jù)各典型剖面圖，量測(cè)到庫(kù)水位上升后，然后按0.8系數(shù)折減求出岸坡水下穩(wěn)定坡角；水上岸坡穩(wěn)定坡角β可根據(jù)本地區(qū)地層參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，將內(nèi)摩擦角和黏聚力折合成等效內(nèi)摩擦角，就是自然邊坡永久穩(wěn)定的坡角；原始岸坡坡角γ可根據(jù)斷面實(shí)地測(cè)量繪制剖面圖得到。根據(jù)以上參數(shù)從而可以預(yù)測(cè)到最終坍岸寬度。

從衛(wèi)星影像圖初步了解庫(kù)區(qū)蓄水前的地形地貌特征以及初始庫(kù)岸形態(tài)初步判斷是原有不良地質(zhì)問(wèn)題復(fù)活還是工程誘發(fā)的新問(wèn)題，借助無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集、三維實(shí)景模擬重點(diǎn)研究蓄水后工點(diǎn)發(fā)生變化后的微地形地貌變化特征，可以從不同角度、空間高度等研究工點(diǎn)具體特征；并為前期擬定工點(diǎn)勘察方案和應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)。結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)繪手段，從宏觀角度對(duì)可能坍岸的工點(diǎn)做出預(yù)判，再采用輔助調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查驗(yàn)證分析方法，由陸到水，由遠(yuǎn)及近，對(duì)初步認(rèn)識(shí)進(jìn)行核實(shí)、修正、綜合分析后形成基本結(jié)論[6]。

庫(kù)區(qū)沿岸公路走廊帶現(xiàn)狀局部有滑坡、崩塌、地面塌陷、地裂縫等，但多分布于水庫(kù)正常蓄水位(290 m)以下，工程建設(shè)過(guò)程中和建設(shè)后局部安全可能誘發(fā)一定程度的崩塌、滑坡、巖溶塌陷、采空區(qū)塌陷等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。水庫(kù)采空區(qū)有可能誘發(fā)低震級(jí)的采空區(qū)氣爆型和抽吸型地震的可能性。地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小，對(duì)公路工程的總體影響小，庫(kù)水位波動(dòng)可能使房屋等建筑地基變形及邊坡失穩(wěn)，其危險(xiǎn)性與危害性中等，采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施后，危害程度小。部分坍塌體路段做些工程支擋防護(hù)，盡量減少大挖大填，使環(huán)境破壞最小。

3 總體布局統(tǒng)籌兼顧環(huán)境影響

3.1 水土保持環(huán)境生態(tài)修復(fù)要求高

研究區(qū)域內(nèi)水土流失防治責(zé)任范圍為525.12 hm2，其中建設(shè)區(qū)面積257.64 hm2，直接影響區(qū)面積267.48 hm2。工程建設(shè)開(kāi)挖擾動(dòng)地表面積為 257.64 hm2，損壞水土保持設(shè)施面積為255.38 hm2?？偼诜搅繛?86.76萬(wàn)m3(其中表土剝離量為14.32萬(wàn)m3，拆遷建筑垃圾0.90萬(wàn)m3，開(kāi)挖土石方量為772.26萬(wàn)m3)，總填方量為589.68萬(wàn)m3(其中表土覆土方量為14.32萬(wàn)m3，回填土石方量為575.36萬(wàn)m3)，棄方196.18萬(wàn)m3，運(yùn)至棄渣場(chǎng)堆置。工程預(yù)測(cè)時(shí)段內(nèi)因開(kāi)挖擾動(dòng)而可能產(chǎn)生的水土流失量為110 765.96 t，其中施工期109 712.87 t，自然恢復(fù)期1 412.00 t，工程原地貌水土流失量3 136.70 t，工程新增水土流失量107 629.26 t。棄土接納點(diǎn)屬于水土保持防護(hù)范圍，工程棄土不允許占用庫(kù)容，水土保持防護(hù)和生態(tài)修復(fù)要求高。

3.2 山區(qū)棄土場(chǎng)環(huán)保專項(xiàng)設(shè)計(jì)

為防止發(fā)生水土流失、滑坡、泥石流等次生災(zāi)害，總體布局特別對(duì)山區(qū)棄土場(chǎng)進(jìn)行了綜合考慮，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較大的棄土場(chǎng)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析和生態(tài)修復(fù)專項(xiàng)設(shè)計(jì)。結(jié)合GIS系統(tǒng)強(qiáng)大的采集、存儲(chǔ)、管理數(shù)據(jù)的功能，選用ArcGIS軟件平臺(tái)，完成初步選址工作[7]。再采用Geo-Slope/W軟件模擬棄土邊坡在滲流條件下的位移變形如圖2～7所示，結(jié)合路基規(guī)范中采用的Bishop法驗(yàn)證，保證安全系數(shù)符合要求[8]。

圖2 正常工況穩(wěn)定性Fig.2 Stability under normal condition

圖3 非正常工況穩(wěn)定性Fig.3 Stability under abnormal condition

圖4 正常工況橫向位移(單位:m)Fig.4 Lateral displacement under normal condition(unit:m)

圖5 非正常工況橫向位移(單位:m)Fig.5 Lateral displacement under abnormal condition(unit:m)

圖6 觀測(cè)點(diǎn)橫向位移變化Fig.6 Lateral displacement changes of observation points

圖7 觀測(cè)點(diǎn)總位移變化Fig.7 Total displacement changes of observation points

全線棄土場(chǎng)的生態(tài)修復(fù)主要是通過(guò)修建攔渣壩、柔性擋土墻及對(duì)下部邊坡進(jìn)行加固，采用工程措施與植物措施相結(jié)合，不但可以提高安全穩(wěn)定性，還可以有效提高項(xiàng)目區(qū)植被覆蓋率，防止水土流失，改善區(qū)域環(huán)境生態(tài)[9]。具體修復(fù)方案為：

(1)漿砌石攔渣壩+植物措施：對(duì)溝道型棄土場(chǎng)，在溝道狹窄處設(shè)置攔渣壩，壩高控制在3.0～5.0 m，壩體設(shè)泄水口，后側(cè)棄土分級(jí)堆放，棄土平臺(tái)采用植物防護(hù)，香根草生長(zhǎng)快速，扎根生，水土流失防治效果顯著，值得大力推薦。

(2)柔性擋土墻+攀爬植物方案：根據(jù)棄渣情況需要修建擋土結(jié)構(gòu)時(shí)，在坡腳2.0～4.0 m設(shè)置柔性石籠擋墻，沿?fù)鯄ν饽_趾栽植爬山虎、中華藤等攀爬植物，提高植被覆蓋率，改善生態(tài)景觀[10]。

(3)格子梁+植草(灌木)護(hù)坡方案：對(duì)于緊鄰公路主干道的棄渣場(chǎng)，景觀要求相對(duì)較高，采用格子梁或骨架護(hù)坡，在框格內(nèi)植草灌防護(hù)。

(4)加強(qiáng)棄土場(chǎng)區(qū)綜合排水設(shè)計(jì)[11]。

3.3 總體設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)道路功能與環(huán)境互適性

針對(duì)研究水土保持和環(huán)境保護(hù)要求高的特點(diǎn)，總體設(shè)計(jì)思路特別強(qiáng)調(diào)道路的使用功能與環(huán)境相互適應(yīng)，相互融合，按照山區(qū)綠色公路的設(shè)計(jì)理念[12]，遵循因地制宜、就地取材、以防為主、防治結(jié)合、安全經(jīng)濟(jì)、造型美觀、順應(yīng)自然、與環(huán)境景觀相協(xié)調(diào)的原則，結(jié)合路基填挖及填料情況以及施工、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營(yíng)等因素[13]，統(tǒng)籌考慮路基、路面以及防護(hù)和排水措施。路基設(shè)計(jì)中避免大填大挖，爭(zhēng)取土石方平衡，最大化的利用棄方，上部邊坡多以植物防護(hù)替代圬工防護(hù)，下部邊坡防護(hù)多采用護(hù)腳替代擋土墻，盡量降低擋墻高度[14]。

對(duì)于橫跨水庫(kù)的橋梁，宜減少水中墩柱數(shù)量，上部結(jié)構(gòu)適當(dāng)采用大跨度現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，橋下凈空控制宜綜合考慮庫(kù)區(qū)管理和文旅開(kāi)發(fā)需求，橋梁整體景觀與環(huán)境融為一體，提升文化與藝術(shù)品位，滿足水庫(kù)高質(zhì)量發(fā)展的要求[15]。應(yīng)嚴(yán)格遵守水環(huán)境保護(hù)和應(yīng)急管理要求，在橋頭路段設(shè)置專業(yè)油水分離設(shè)施[16]。

4 結(jié)論

水庫(kù)淹沒(méi)區(qū)復(fù)建公路是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及的工程、地質(zhì)、人文、環(huán)保等因素錯(cuò)綜復(fù)雜，總體設(shè)計(jì)思路應(yīng)在確保安全穩(wěn)定的前提下[17]，準(zhǔn)確合理預(yù)測(cè)和評(píng)估坍岸地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，靈活采用路線指標(biāo)，合理進(jìn)行工程布局，保障施工安全便利及應(yīng)急搶險(xiǎn)的需要，使工程與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)，滿足庫(kù)區(qū)整體建設(shè)和開(kāi)發(fā)需要，選擇經(jīng)濟(jì)適用、全面統(tǒng)籌的優(yōu)化方案是設(shè)計(jì)人員需要深入思考和解決的首要問(wèn)題[18]。