生態(tài)擋墻在灌區(qū)建設(shè)中的應(yīng)用研究

童琦媛，胡金杰，王福生，孫德才

(淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001)

江蘇省經(jīng)過幾十年的灌區(qū)建設(shè)改造，全省中型灌區(qū)已經(jīng)初步形成了具有一定規(guī)模的灌排工程體系，但仍存在灌排工程標準不高、管理機制不完善、生態(tài)治理理念缺乏等問題，難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展新要求[1]。近年來，江蘇省已逐步重視生態(tài)治理理念，要求灌區(qū)建設(shè)的同時，還要恢復(fù)和拓展河道行洪、排澇、引水、灌溉、生態(tài)、景觀等綜合功能[2]。

關(guān)于建設(shè)生態(tài)灌區(qū)的問題，其中重要的一點是如何將生態(tài)理念融入灌區(qū)內(nèi)密布的河道、溝渠建設(shè)中。此類研究現(xiàn)階段已取得部分成果，如華杰[3]提出了自嵌式、自卡鎖式生態(tài)擋墻及生態(tài)護坡技術(shù)在灌區(qū)渠道治理中的應(yīng)用；王君等[4]針對灌區(qū)渠道的防滲問題，探討了渠道的生態(tài)防滲技術(shù)及綜合評價體系等。此外，部分城市中小型河湖、水庫治理工程中關(guān)于生態(tài)清淤技術(shù)、新型生態(tài)護岸等的研究也可為生態(tài)灌區(qū)建設(shè)提供參考[5-7]。本文以南京市六合區(qū)新集灌區(qū)骨干排水溝治理工程為例，針對灌區(qū)內(nèi)排水溝存在的主要問題，對排水溝的治理進行生態(tài)化設(shè)計，研究生態(tài)擋墻在灌區(qū)建設(shè)過程中的應(yīng)用。

1 灌區(qū)概況

新集灌區(qū)位于南京市六合區(qū)龍池街道，始建于1960年，位于滁河下游右岸，天河以北，西與安徽省來安縣相鄰，南與中山科技園相接，東以小莊河、黃塘河和道路為界；灌區(qū)屬于六合區(qū)龍池街道，涉及徐圩、三汊灣、白酒等行政村；灌區(qū)總面積33.35km2，其中，耕地面積2.85萬畝，設(shè)計灌溉面積2.3萬畝，有效灌溉面積1.8萬畝，是六合區(qū)糧食及農(nóng)副產(chǎn)品主要生產(chǎn)基地。

現(xiàn)狀灌區(qū)內(nèi)有4條骨干排水溝，主要存在以下問題：排水溝均為土質(zhì)溝渠，未進行岸坡防護，局部段裸露的土坡在水流長期沖刷作用下發(fā)生坍塌；溝底淤積比較嚴重，經(jīng)測算淤積深度達0.2～1.0m，兩岸雜草叢生，水體存在富營養(yǎng)化現(xiàn)象，生態(tài)功能較差，與周邊環(huán)境不協(xié)調(diào)；排水溝現(xiàn)狀為土質(zhì)邊坡，在長期的運行過程中，邊坡受雨水侵蝕，水土流失現(xiàn)象較明顯。

為了加強岸坡穩(wěn)定和防止水土流失，同時改善項目區(qū)生態(tài)環(huán)境，本次工程基于生態(tài)理念，采用新型生態(tài)護岸對4條存在問題的骨干排水溝開展岸坡防護設(shè)計。

2 護岸擋墻設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

生態(tài)護岸設(shè)計應(yīng)結(jié)合安全、生態(tài)、景觀3個方面考慮，在斷面的處理上，自下而上可分為常水位以下、水位變化區(qū)、水位以上3個區(qū)域進行組合打造。常水位以下護岸設(shè)計應(yīng)以堅固耐久、抗沖刷、抗磨損性能為重點；水位變化區(qū)護岸設(shè)計應(yīng)在考慮具有一定強度、安全性和耐久性，確保岸坡穩(wěn)定的前提下，充分考慮生態(tài)效果，把護岸建造成為水體和土體、水體和植物或生物相互涵養(yǎng)，適合生物生長的仿自然狀態(tài)的護岸；水位以上應(yīng)以邊坡固土、景觀打造、綠化工程為重點進行設(shè)計。

2.2 護岸型式比選

本次方案在市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，對項目區(qū)常用的生態(tài)護岸型式進行多方面比較，包括護岸的景觀性、生態(tài)性、親水性、穩(wěn)定耐久性、施工便利性、工程造價等方面，并針對河道的功能、重要性、生態(tài)景觀要求等，綜合考慮后擬定河道護岸型式。

2.2.1護岸型式

本次擬從以下5種常見的生態(tài)護岸型式中進行選擇。

(1)仿木樁護岸

仿木樁護岸能夠有效提升河道整體景觀效果，美化環(huán)境；工程應(yīng)用中，在傳統(tǒng)擋土墻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進后的仿木樁護岸施工更加便捷；外露面采用仿木紋調(diào)色處理，較為美觀，親水性和穩(wěn)定性均較好，能夠兼顧實用性與美觀性。

仿木樁為鋼筋混凝土樁，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有較強的抗沖刷能力，在水位變化和波浪沖刷作用的影響下，仍能很好地抵消水流對護岸的沖蝕作用；樁頂以上至岸頂區(qū)域可種植草皮護坡，形成沿岸的綠化帶。

(2)生態(tài)石籠擋墻(雷諾護墊)護岸

生態(tài)石籠擋墻(雷諾護墊)由生態(tài)格網(wǎng)填充石料而成。生態(tài)格網(wǎng)采用的是優(yōu)質(zhì)低碳鋼絲鍍鋅，通過編織機擰編成網(wǎng)，網(wǎng)眼大小一般為60～80mm；填充的石料之間再填塞有機質(zhì)肥土，并摻入草籽，滿足生態(tài)的需要。

石籠擋墻具有以下優(yōu)點：填料間空隙較大，透水性好，能有效解決擋墻兩側(cè)水位差的影響，有利于岸坡穩(wěn)定；生態(tài)格網(wǎng)穩(wěn)定性好，比一般拋石防護具有更強的抗沖性；適應(yīng)性比較強，能適應(yīng)各種性質(zhì)的土層，與地基協(xié)調(diào)變形，不會削弱堤防整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；空隙間填充種植土并摻入草籽，可以為微生物和水生動、植物提供生存空間，營造良好的生態(tài)環(huán)境。

(3)階梯式框格生態(tài)護岸

階梯式框格生態(tài)護岸為一種預(yù)制成品生態(tài)框護岸，表面鏤空，內(nèi)部填充石材、土體等。填充石料不僅能夠有效增加岸坡的穩(wěn)定性，同時其空隙又為水生動、植物提供了空間。填充材料可充分利用施工現(xiàn)場開挖出的土、石資源，減少棄土，節(jié)約工程投資。

施工時，生態(tài)框之間的預(yù)留孔采用螺栓形成柔性連接，框格碼放采用退格式碼放，形成錯落有致的梯形斷面，可以有效增加河道的過水斷面，滿足河道過水需求。

(4)植草+魚巢式生態(tài)護岸

植草式生態(tài)護岸可在滿足河道防洪排澇的基礎(chǔ)上兼顧生態(tài)需求，有利于植被生長，營造原生態(tài)護坡的自然景觀效果，打造多樣化的生境空間。植草式常用的有盆形植草式和卵石形植草式生態(tài)護坡兩種型式，其中盆形植草式與魚巢式(水下部分)的組合使用在實際工程中較為常見。

魚巢式生態(tài)護岸能夠為魚類等水生物提供棲息空間，利于豐富生物多樣性，構(gòu)建和諧自然的生態(tài)系統(tǒng)。

(5)組合式生態(tài)擋墻

組合式生態(tài)擋墻由自嵌式擋土塊和土工格柵組合而成。

自嵌式擋土塊為干性混凝土經(jīng)過機械壓制而成，外立面為曲面形，中部孔腔有底，水下部分可種植水生植物或作魚槽，水上部分可培土綠化，上下塊體間靠凹凸阻滑結(jié)構(gòu)咬合。具有以下3項優(yōu)點：凹凸互鎖的咬合形式增加了格柵與塊體的拉結(jié)力，墻身穩(wěn)定性好；由于墻身穩(wěn)定性較高，降低了墻后回填土的要求，從根本上改善了回填土壓實難度大的問題，極大提高了施工效率；墻體更美觀，其獨特的孔腔結(jié)構(gòu)，可以在內(nèi)部培土綠化，水下部分可以種植水生植物，對凈化水質(zhì)起到一定的作用，亦可作為魚蝦等水生動物棲息產(chǎn)卵場所。

2.2.2護岸比選

各生態(tài)擋土墻經(jīng)濟、技術(shù)比選見表1：

綜合上述方案比選，本次綜合考慮施工難度、生態(tài)性和投資造價，最終選擇階梯式框格擋墻、植草+魚巢式擋墻以及組合式生態(tài)擋墻3種生態(tài)擋墻型式。

2.3 排水溝設(shè)計

本次灌區(qū)內(nèi)4條骨干排水溝進行岸坡防護建設(shè)見表2。

表1 生態(tài)擋土墻比選表

表2 排水溝設(shè)計表

2.4 擋墻穩(wěn)定分析

2.4.1擋墻自身穩(wěn)定分析

擋墻穩(wěn)定計算采用SL 379—2007《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，擋土墻工程級別為4級，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值取：基本組合工況1.20，施工工況1.05，地震工況1.00；抗傾覆安全系數(shù)允許值取：基本組合1.40，特殊組合1.30。計算結(jié)果見表3。

經(jīng)復(fù)核，4條排水溝的生態(tài)擋墻的抗滑及抗傾安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的允許值，基底應(yīng)力滿足設(shè)計要求。

2.4.2堤防整體抗滑穩(wěn)定分析

堤防整體抗滑穩(wěn)定計算采用GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，排水溝工程級別為4級，本工程具體計算工況和計算方法見表4。

計算方法采用河海大學(xué)研制的《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)(AutoBANK7.4)》，計算結(jié)果見表5。

經(jīng)計算，4條排水溝堤防整體抗滑穩(wěn)定均大于規(guī)范規(guī)定的允許值，堤身斷面布置滿足規(guī)范要求。

3 施工注意事項

生態(tài)擋土墻因其出色的穩(wěn)定性和生態(tài)性，目前已廣泛應(yīng)用于各類水利工程中。為保證施工質(zhì)量，施工時需要注意以下幾點：①擋土塊自身質(zhì)量必須滿足設(shè)計和相關(guān)規(guī)范要求；②擋墻基礎(chǔ)需座落在堅實土層，開挖時盡量挖除不良軟弱土體及植物根系層，達到設(shè)計的持力層，當?shù)刭|(zhì)條件較差時需進行地基處理；③生態(tài)擋土墻施工應(yīng)在專業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)下進行，擋墻鋪設(shè)完成經(jīng)檢查合格后方可進行后續(xù)施工；④墻后填土盡量選擇不含明顯碎石的無粘性土，分層碾壓，同時為避免對擋墻造成破壞，墻后2m范圍內(nèi)填土應(yīng)人工平整、小型機械夯實，嚴禁重型機械碾壓；⑤生態(tài)擋土墻一般為干法施工，施工期盡量安排在枯水期，施工時應(yīng)及時觀測水位變化，對施工圍堰、已完成擋墻段等應(yīng)指派專人定期巡查維護，做好應(yīng)急措施。

表3 生態(tài)擋墻穩(wěn)定計算統(tǒng)計表

表4 計算工況

表5 堤防整體抗滑穩(wěn)定計算統(tǒng)計表

4 結(jié)語

灌區(qū)骨干排水溝的生態(tài)化設(shè)計關(guān)系到灌區(qū)水利設(shè)施與項目區(qū)周邊環(huán)境的和諧共生，生態(tài)理念下的骨干排水溝治理是生態(tài)灌區(qū)建設(shè)必不可少的一部分。本文研究了5種常見生態(tài)護岸型式的結(jié)構(gòu)組成和特點，結(jié)合灌區(qū)內(nèi)排水溝的現(xiàn)狀情況，以施工難度、生態(tài)性和投資造價為主要指標，對各排水溝采用的護岸型式分別進行方案比選與穩(wěn)定性分析，最終完成4條排水溝的治理方案設(shè)計。

護岸斷面設(shè)計中，常水位以下、水位變化區(qū)、水位以上3個區(qū)域的設(shè)計重點應(yīng)按照不同要求予以區(qū)分，本文基于此設(shè)計原則而提出的排水溝斷面布置型式、擋墻穩(wěn)定性計算方法對類似生態(tài)擋墻的設(shè)計具有一定的借鑒意義。