可持續發展生態理念在水利設計中的應用

林 斌

（福建益達興建設工程有限公司,福建 泉州 362000）

1 概況

1.1 流域概況

民主溪為文江溪右岸一級支流,發源于梧村坑里洋附近,向下流經梧村、聯盟村、小文村、大文村、上村、民主村后于柴橋橋頭附近匯入文江溪。民主溪河口以上流域面積31.3 km2,主河道長14.8 km,河道平均坡降18.40‰。

1.2 流域現狀分析

民主溪屬山區河流,流域生態風險主要來源于洪水對兩岸的侵蝕和生產生活產生的污染物。民主溪流域周圍均為零散村落,無工業污染,其主要污染源有大氣降塵、地面廢棄物堆積、機動車尾氣排放等在初期雨水徑流中形成大量有機質、懸浮固體、重金屬等污染物,以及農業生產產生的化肥、農藥殘留和牲畜養殖產生的廢棄物等是不可避免的農業污染經雨水沖刷而流入河流[1]。水陸兩生植被、水生動植物生長的良好生命環境。方案設計時應減少剛性結構或使用剛軟結合構件,以提高護岸在人視覺中美化環境的軟效果；盡可能使用天然材料或預制材料,以減少二次污染。

2.1.2 生態護岸的選擇

根據民主溪的特點,在不同環境下選擇不同的生態護岸形式。擬定兩種護岸型式。型式一：斜坡式護岸；型式二：復合式護岸。

型式一：護岸迎水坡坡比1∶2,采用生態預制塊護坡,厚12 cm,碎石墊層厚15 cm,迎水坡生態孔撒草籽；護坡下鋪設300 g/m2土工布反濾,堤身采用粘性土回填。護坡基礎采用C20 素砼基礎,斷面尺寸0.5 m×0.5 m,基礎開挖處采用塊石回填。

圖1 斜坡式護岸斷面圖

2 生態理念在水利工程中設計應用的基本原則

流域生態廊道設計需全面遵循水利工程的各項原理以及規律。通過民主溪流域現狀分析,確定該工程圍繞生態護岸和生態濕地為主要設計導向。

2.1 生態護岸的設計與布置

民主溪屬山區河流,該河流主要特征：河道變化大、水位變幅大且頻繁、水流流態復雜以及山區本身與河流系統的相互作用。因此民主溪生態護岸建設需在滿足山區河流的特點和河岸邊坡穩定性要求外,還應考慮與區域生態環境相融合,進而保障河流生態的平衡性。

2.1.1 生態護岸的設計原則

生態護岸作為水、陸交界,設計階段需考慮抗水力沖擊、抗腐蝕和穩定等條件,同時能夠營造一種適宜于陸生植被、

型式二：護岸采用M7.5 漿砌塊石砌筑直墻重力式擋墻,迎水面不露漿不勾縫,形成天然凹凸塊石面,有利于蕨類植物及爬藤植物的生長；背水坡豎直,迎水坡坡比1∶0.3,頂寬0.6 m。

圖2 復合式護岸斷面圖

2.1.3 生態護岸穩定計算

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）和《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）,確定工程等別為V 等,主要建筑物級別為5 級。

護岸擋墻的抗滑和抗傾覆穩定按《堤防工程設計規范》（GB 50386-2013）附錄F 中的有關規定進行計算。考慮護岸長度較長,本次堤岸擋墻的穩定和應力計算,選取具有代表性的斷面進行計算K10+900。該樁號河道擋墻墻高2.5 m,基礎深度0.5 m,河床高程293.97,P=10%設計洪水位295.47。

根據《堤防工程設計規范》規定,土質地基、巖質地基的擋土墻抗滑穩定安全系數計算公式如下：（1）擋土墻抗滑穩定計算：

式中：Kc為抗滑穩定安全系數；f 為底板與堤基之間的摩擦系數；∑W 為作用于墻體上的全部垂直作用力的總和,kN；∑P 為作用于墻體上的全部水平力的總和,kN。（2）擋土墻抗傾穩定計算：

式中：K0為抗傾穩定安全系數；∑Mv為抗傾覆力矩,kN·m；∑MH為傾覆力矩,kN·m。

（3）擋土墻基底壓應力計算：

式中：σmax、min為基底的最大和最小壓應力,kPa；∑G 為垂直荷載,kN；A 為底板面積,m2；∑M 為荷載對底板形心軸的力矩,kN·m；∑W 為底板的截面系數,m3。

計算參數如下：

（1）砌體的容重γ漿砌=25 kN/m3,墻背填土容重γ土=18 kN/m3；

（2）墻背回填土的等效內摩擦角 =35°,土體與墻背間的摩擦角 = /2；

（3）擋墻基底摩擦系數強風化層f1=0.55,全風化層f1=0.35,砂卵石層f1=0.5。

計算工況如下：

（1）非常工況1：墻外設計洪水水位降落,墻內側地下水無法立即排出（考慮部分排水失效）,水位差0.5 m；

（2）設計工況1：墻外遭遇P=10%設計洪水情況,設計洪水位295.47（水深1.5 m）。

（3）設計工況2：工程完工期,墻背已填土,河內側無水。

穩定要求安全系數如下：

依據《堤防工程設計規范》的要求,該工程按5 級堤防標準控制,擋墻穩定安全系數應不小于下列規定值見表1。

表1 安全系數規定值

根據各工況荷載組合,采用北京理正軟件設計研究所開發的《理正巖土系列6.5 版》的擋土墻設計分析模塊,各工況擋墻穩定與應力計算成果見表2。

表2 各工況擋墻穩定與應力計算成果

從上表可知,護岸穩定滿足《堤防工程設計規范》。

2.2 生態濕地的建設與修復

濕地生態營建工程是利用生態技術對已退化或消失的濕地基底加以恢復或重構,再現破壞之前的基本構造和功能,及其相應的物理、化學和生物學功能,使之可以進一步地發揮相應的功能[2]。根據文江鎮人民政府規劃以及項目區特點,生態濕地以公園為設計導向,其建設主要包括對濕地自然環境的修復或重建,并增設其他相應的景觀休閑服務設施。

2.2.1 生態濕地設計思路

工程在實現水環境改善的同時,也兼顧到了滿足濕地環境范圍內生物多樣化的要求,包括了植物、浮游生物、魚類和鳥獸等,將所產生的工程構筑物和對濕地環境自然景觀的塑造融為一體,進而使生態濕地能夠在自然演替過程中達到長期穩定效果。設計思路及理論預期見圖3。

圖3 生態修復過程圖

2.2.2 人工引導下的濕地生態修復技術

人工濕地自然恢復引導的關鍵在于修復并再次營建起濕地的生態多樣性,使之進入健康良性過程。所以人工的管理與干預必須從棲息地與生物恢復兩個角度考量。項目擬在民主溪上、中、下游分別建設聯盟村白鷺生態濕地、大文村虎頭山生態濕地以及民主村龍潭生態濕地。

以聯盟村白鷺生態濕地為例：生態前置庫為水生植物生長區,項目設計規劃350 m2。利用植株根部、葉子和生物膜的結合能力除去部分有機物,吸取N、P 等物質。表面流濕地設計規劃1200 m2,水深為10 cm～30 cm,以改性土壤和礫石為主要基質,利用植被、微生物、基質等的綜合功能對前置庫來水進行深層處理,以消除或降解氨氮、無機磷、有害藻類等物質；項目設計清水涵養塘面積為230 m2,其作用主要是涵養潔凈水源,并以天然凈化作用和環境監管技術措施相結合,深度恢復水環境,減少有害藻類生物,以此建立利于水生態系統恢復的自然環境條件,見表3。

表3 水質指標實測與理論預期參數表

通過對濕地基底和水環境恢復、重建等一系列的人工措施來維護基底的穩定性和濕地生態的異質性,從而達到改良其土壤和改善水質和生態多樣性的目的,并經長期自然演替過程使流域內種群之間達到穩定的可持續生態系統。

3 結語

生態濕地的建設,可將原V 類水質提高至Ⅲ類水質,并恢復生態濕地物種多樣性且達到自我調節的穩定生態系統。

通過生態護岸的修建將聯盟村白鷺生態濕地、大文村虎頭山生態濕地以及民主村龍潭生態濕地貫通為帶狀生態廊道。提高了文江鎮防洪安全,改善了生態環境。民主溪流域生態廊道建成后可形成為：濱水長廊——景觀長堤——淺灘戲水——濕地觀鳥等沿河流走向的生態氣息游玩景點,促進區域的旅游的發展。