生態(tài)化改造設計在潦河灌區(qū)續(xù)建配套工程中的應用

華 杰

(江西省水利規(guī)劃設計研究院，江西 南昌 330029)

灌區(qū)是由水庫、渠道、田地、作物組成的綜合體，其在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中起著重要支撐作用[1- 2]。我國許多灌區(qū)由于建設時間較長，受當時技術限制，加上多年運營，老化失修嚴重，處于超期服役或帶病運行狀態(tài)，導致灌區(qū)水資源浪費嚴重，水資源利用效率低，經(jīng)濟效益大幅下降[3- 4]。因此，灌區(qū)生態(tài)化改造設計是現(xiàn)代灌區(qū)急需解決的問題[5]。

以水生態(tài)理論為基礎，以建設生態(tài)灌區(qū)為出發(fā)點，在灌區(qū)現(xiàn)有配套設施基礎上，對灌區(qū)進行生態(tài)化改造設計，提高灌區(qū)水資源利用效率，保證灌區(qū)可持續(xù)性發(fā)展。

1 水生態(tài)理論

水生態(tài)是生態(tài)科學與水利學相互滲透的交叉學科。我國生態(tài)學家馬世駿等提出的社會-經(jīng)濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng)理論認為，人類社會是一個以人的行為為主導、自然環(huán)境為依托、資源流動為命脈、社會體制為經(jīng)絡的社會-經(jīng)濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng)[6- 7]，如圖1所示。

圖1 社會-經(jīng)濟-自然復雜生態(tài)系統(tǒng)

整個灌區(qū)空間范圍內(nèi)，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人居環(huán)境質量為導向，以農(nóng)業(yè)生物為主的各種生物成分和非生物成分組成復合生態(tài)系統(tǒng)，其包括農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、溝渠生態(tài)系統(tǒng)及水生態(tài)等。其水生態(tài)是將生態(tài)學原理納入水利工程，一方面強調了水利工程建設過程中必須重視對水生態(tài)環(huán)境的影響；另一方面是以水生態(tài)修復為目的水利工程建設。因此，在人工-自然二元狀態(tài)下的水資源系統(tǒng)的可持續(xù)性對灌區(qū)這一帶有社會性質的復雜生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展起著重要支撐作用[8]。

2 潦河灌區(qū)生態(tài)化改造

2.1 潦河灌區(qū)概況

潦河灌區(qū)地處江西省西北部，宜春市東北部，位于宜春市奉新、靖安及南昌市安義三縣境內(nèi)，屬修河支流潦河流域。灌區(qū)內(nèi)總土地面積706.25km2，現(xiàn)有耕地面積48.3萬畝(其中水田40.76萬畝，旱地面積7.54萬畝)，山地面積43.44萬畝，其中果園林地5.39萬畝，現(xiàn)有灌溉面積33.6萬畝，實際灌溉面積25.4萬畝。灌區(qū)內(nèi)有7座引水大壩，灌溉工程由奉新南潦干渠、安義南潦干渠、解放干渠、洋河干渠、北潦干渠、西潦北干渠、西潦南干渠等7條主干渠、148條支渠、456條斗農(nóng)毛渠組成，其中干渠總長151km，支渠總長439km，支渠以下斗、農(nóng)、毛渠總長788.5km。各類渠系建筑物362座。

受工程建設時歷史環(huán)境和經(jīng)濟條件所限，工程標準偏低、配套不全，加上年久失修，使灌區(qū)水利用系數(shù)逐年下降，灌區(qū)灌溉面積由33.6萬畝下降到了現(xiàn)在的25.4萬畝，屬典型的工程型缺水灌區(qū)，急需對灌區(qū)進行續(xù)建、配套和節(jié)水改造建設。本次改造設計范圍為西潦北干渠、安義南潦干渠及附屬工程。

2.2 灌區(qū)現(xiàn)狀及存在問題

灌區(qū)大部分工程建于上世紀五十年代末，目前灌區(qū)灌溉面積僅達到設計灌溉面積約45%。灌區(qū)主要存在以下問題：

(1)建設標準低。工程規(guī)模偏小或工程質量低，造成引水或供水不足，灌區(qū)用水量得不到保證；灌區(qū)渠道基本沿等高線布置，渠系及建筑物配套簡單，設計標準低，施工質量差，工程大部分年久失修，普遍存在垮、漏、淤積、堵塞等現(xiàn)象，部分渠道已嚴重損壞，危及安全運行。渠系水利用系數(shù)低，輸水損失較大。

(2)田間工程落后、不配套。

(3)灌溉制度落后，先進的節(jié)水技術、方式和措施得不到推廣應用，水資源浪費嚴重。

(4)用水計量設施不配套，灌區(qū)水費征收制度急需改革，灌區(qū)運行調度缺乏科學性和合理性。

(5)灌區(qū)管理水平低。灌區(qū)管理沿用傳統(tǒng)方式方法，經(jīng)營方式單一，不能適應市場經(jīng)濟要求。

2.3 灌區(qū)生態(tài)化改造設計

針對灌區(qū)存在主要問題，基于水生態(tài)理論研究，以生態(tài)灌區(qū)為導向，對灌區(qū)水利工程進行生態(tài)化改造設計，其主要見容包括：對渠道進行開挖、削坡、斷面整治，使其達到設計斷面尺寸要求，渠頂高程達規(guī)范要求超高，渠道兩側邊坡根據(jù)實際情況及生態(tài)要求采用不同的護坡類型。依據(jù)潦河地區(qū)工程經(jīng)驗，同時考慮打造生態(tài)灌區(qū)的迫切要求，選擇生態(tài)擋墻對渠道進行襯砌，具體見表1。

西潦北干渠樁號11+087～11+626段主要為填方渠道，局部為半挖半填方渠道，渠道兩側為農(nóng)田，且渠岸沖刷淘蝕倒塌嚴重，設計采用重力式擋墻護岸，渠底設采用現(xiàn)澆混凝土護底，墻頂以上采用聯(lián)鎖式生態(tài)護坡。聯(lián)鎖式生態(tài)護坡具有全方位的連鎖效果，護坡磚類型統(tǒng)一，可透水，減少基土內(nèi)的靜水壓力，防止出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，同時具有抗凍融、耐腐蝕性，人工鋪設，施工方便快捷，易維護、經(jīng)濟，如圖2所示。

圖2 聯(lián)鎖式生態(tài)護坡及示意圖

西潦北干渠樁號12+916～13+533段主要為傍山渠道，主要為左傍山挖方、右半挖半填方或填方渠道，大部分渠段雜草叢生，渠岸沖刷淘蝕倒塌及淤塞易造成過水斷面較窄。由于為傍山渠道，易產(chǎn)生塌方、滑坡，存在安全陷患?？紤]該段渠道位于穿越人類活動密集的山下村，結合水生態(tài)美觀需求，該渠段采用自嵌式生態(tài)擋墻護岸，下設C25混凝土基礎，墻背厚30cm內(nèi)用級配碎石回填。

安義南潦干渠樁號19+400～20+100段以傍山為主，一側為挖方，另一側以半挖半填方渠道為主，局部填方，其中山溝或低洼處左、右岸均為半挖半填方渠道。大部分渠段雜草叢生，渠岸沖刷淘蝕倒塌及淤塞易造成過水斷面較窄，考慮該段渠道位于人類活動密集區(qū)，結合水生態(tài)美觀需求，該渠段采用自卡鎖生態(tài)擋墻護岸，下設C25混凝土基礎，墻背厚30cm內(nèi)級配碎石回填。

自嵌式生態(tài)擋墻、自卡鎖生態(tài)擋墻及常用漿砌塊石擋墻的結構及特點[9- 10]，見表2。

針對西潦北干渠和安義南潦干渠采用的生態(tài)擋墻護坡——面板加筋土擋土墻，選取安義南潦干渠樁號20+000作為典型斷面對生態(tài)擋墻穩(wěn)定性進行計算。

表1 渠道生態(tài)化改造設計

表2 生態(tài)擋墻結構及特點

2.3.1 內(nèi)部穩(wěn)定性計算

(1)筋帶抗拉強度

作用于墻面板上的水平土壓力按式(1)計算公式為：

∑σEi=σzi+σai+σbi

(1)

式中，σzi—加筋土填料作用于深度zi處墻面板上的水平土壓應力，kPa；σai—車輛(或人群)附加荷載作用于深度zi處墻面板上的水平土壓應力，kPa；σbi—加筋體頂面以上填土重力換算均布土厚所引起的深度zi處墻面板上的水平土壓應力，kPa。

筋帶截面的抗拉強度應符合式(2)要求為：

γ0Ti0≤Afk/(1000γfγR2)

(2)

式中，A—筋帶截面的有效凈截面積，mm2；fk—筋帶材料強度標準值，MPa；γf—筋帶材料抗拉性能的分項系數(shù)，取γf=1.25；γR2—拉筋材料抗拉計算調節(jié)系數(shù)，取γR2=2.0。

計算結果見表3和表4。筋帶材料強度標準計算最大值fk為40.31kN/m，選用的單向拉伸塑料土工格柵拉力Ts=60kN/m，筋帶材料強度滿足要求。

(2)筋帶抗拔強度

根據(jù)生態(tài)擋墻設計斷面的結構尺寸，初擬筋帶總長2.5m，其中入土長2.1m。通過土工格柵所受壓力及其與填土之間的摩擦系數(shù)，計算筋帶可產(chǎn)生的抗拔力及筋帶有效錨固長度，驗算設計筋帶長度是否滿足要求。

一個筋帶結點的抗拔穩(wěn)定性按下式驗算：

γ0Ti0≤Tpi/γR1

(3)

Ti0=γQ1Ti

(4)

(5)

Ti=SxSy∑σEi

(6)

式中，γ0—結構重要性系數(shù)，取0.95；Ti0—zi層深度處的筋帶所承受的水平拉力設計值，kN；Ti—zi層深度處的筋帶所承受的水平拉力，kN；∑σEi—在zi層深度處，面板上的水平土壓應力，kPa；γQ1—加筋體及墻頂填土主動土壓力或附加荷載土壓力的分項系數(shù)，取1.4；Tpi—永久荷載重力作用下，zi層深度處，筋帶有效長度所提供的抗拔力，kN；γR1—筋帶抗拔力計算調節(jié)系數(shù)，取γR1=1.4；Sx—筋帶結點水平間距，m，取1.0m；Sy—筋帶結點垂直間距，m；f′—填料與筋帶間的似摩擦系數(shù)，取0.25；bi—結點上的筋帶總寬度，

表3 施工期筋帶所受拉力

表4 設計洪水期筋帶所受拉力

表5 施工期筋帶抗拔力及長度計算表

表6 設計洪水期筋帶抗拔力

m；Lai—筋帶在穩(wěn)定區(qū)的有效錨固長度，m。

計算筋帶抗拔力時，不計基本可變荷載的作用效應。計算結果見表5和表6。

由計算結果可知，設計的筋帶總長度均大于計算要求的筋帶總長度值，滿足規(guī)范要求。

2.3.2 外部穩(wěn)定性計算

生態(tài)擋墻的穩(wěn)定應力分析考慮設計洪水位及施工期墻前無水兩種情況，按墻體自重、水壓力、浪壓力、揚壓力、土壓力及土重等荷載的不同組合，分析墻體的抗滑、抗傾穩(wěn)定性，并核算地基承載力。

(1)抗滑穩(wěn)定驗算

KC=f∑G/∑P

(7)

式中，Kc—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G—垂直荷載之和；∑P—水平荷載之和；f—墻與地基土的摩擦系數(shù)。

(2)抗傾穩(wěn)定驗算

K0=∑M1/∑M2

(8)

式中，K0—抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；∑M1—抗傾力矩；∑M2—傾覆力矩。

(3)墻底應力驗算

σ=∑G/A+6∑M/B2

(9)

式中，σ—墻底的最大、最小應力,kPa；∑M—所有作用力對基礎面形心的力矩總和,kN·m；A、B—墻底單寬面積和基底寬度,m2、m；∑G—垂直荷載,kN。

擋墻穩(wěn)定應力計算結果見表7。由計算結果可知，生態(tài)擋墻的穩(wěn)定及應力均滿足規(guī)范要求。

3 結語

生態(tài)化改造是灌區(qū)水利工程可持續(xù)發(fā)展的重要措施。針對江西潦河灌區(qū)建設標準低、水利工程老化、灌溉制度落后等問題，以生態(tài)學理論為基礎，在灌區(qū)現(xiàn)有配套設施基礎上，對灌區(qū)進行生態(tài)化改造設計，即西潦北干渠11+087～11+626段墻頂以上采用聯(lián)鎖式生態(tài)護坡，12+916～13+533段采用自嵌式生態(tài)擋墻護岸；安義南潦干渠19+400～20+100段采用自卡鎖生態(tài)擋墻護岸。生態(tài)灌區(qū)建設一方面提高了灌區(qū)水資源利用效率，保持灌區(qū)水土資源平衡；另一方面改善了灌區(qū)生態(tài)環(huán)境，增加生態(tài)多樣性，促進灌區(qū)可持續(xù)、和諧發(fā)展，對我國灌區(qū)的生態(tài)化改造提供科學依據(jù)。

表7 擋墻穩(wěn)定應力計算結果