大中型水庫移民后期扶持項目靠山渠道砼擋墻護岸設計及水土流失防治措施研究

范傳紅

(六安市裕安區發展和改革委員會,安徽 六安 237000)

0 引 言

砼擋墻是水利項目建設中的重要工程,對保護當地群眾的生命財產安全、促進當地經濟的發展起著積極的作用[1-2]。砼擋墻在功能上,保留了常規砼抗沖刷的優點,促進了河流與周圍環境在物質能量上的交換[3]。同時,也克服了在河道內生物繁衍生長的不利因素。目前,傳統生態混凝土(Traditional ecological concrete revetment tec, TEC)護岸存在徑流污水處理容量小,對徑流污染的凈化能力弱等問題[4-5]。

因此,本文采用多種吸附材料代替石灰石作為粗骨料,對多骨料生態砼進行凈污能力改進,以提高混凝土綜合性能。此外,在主體工程建設期間,通過實施水土保持措施,對工程開挖土方加以利用。在控制好因工程建設造成的水土流失前提下,盡可能使原有水土流失得到一定程度的治理,減少因新增水土流失造成的危害,恢復和保護工程建設區及周邊地區水土保持設施。本研究旨在通過建設渠道護岸,實施相應的水土保持措施,擴大灌溉面積,提高灌溉保證率,為農村經濟的發展提供積極的保障作用。

1 靠山渠道砼擋墻護岸設計及水土流失防治措施研究

1.1 大中型水庫移民后期扶持項目區概況

裕安區位于安徽省中西部,大別山北部邊緣,六安市區以西。東面與晉安區接壤,向西靠近金賽縣,南面為霍山縣,北面為霍邱縣。裕安區總面積1 926 km2,城區距離省會合肥70 km。該地區的西南部和南部都是低山,平均海拔500m。北面為長崗狀高梁的起伏平原,有低山、灣畈等多種地貌類型。裕安區屬于東亞季風氣候區,位于亞熱帶邊緣。年平均降水900 ～1 400 mm,年平均氣溫15.5℃。裕安區石板沖鄉年平均降水量1 100 mm,降雨的年際變化較大,其最大值與最低值相差2.7倍。年降水量分布極不均衡,5-9月份占一年總降水量的65%,其中7月份占一年總降水量的18%。

先峰靠山渠治理工程區位于大別山區六安地區的裕安區石板沖鄉趙灣村。在大別山地區,由南向北,自西向東,從丘陵到平原過渡。在該工程區沒有明顯的基巖裸露,其地質構造主要呈現為褶皺。該工程地處石板沖鄉西南方,溝道曲折、狹長,河床泥沙多。遇山洪時,排澇受阻,嚴重影響項目區域內群眾的農業生產和生活。溝道寬1～1.2 m。河床的總體形狀不規則,以凹槽為主,部分河床呈梯形。

該工程區屬于南方紅壤區,容許土壤流失量500 t/km2·a,土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主。歷時短、強度大的降水是項目區產生水土流失的主要自然因素,年平均土壤侵蝕模數400 t/km2·a。由于先峰靠山渠道內雜樹叢生,兩岸邊坡現狀存在嚴重的安全隱患,不能滿足排洪、灌溉的需求。尤其是2020年汛期內,河道的泄流能力遠未達到防洪要求,出現多起潰壩事故。該工程便橋跨過灌溉溝道,是聯接當地居民生產和生活的重要通道,因年久失修,已無法滿足當地居民的日常生產、生活需求,需要對其進行修復和改建。

1.2 大中型水庫移民后期扶持項目靠山渠道砼擋墻護岸設計

本次大中型水庫移民后期扶持項目靠山渠道工程治理區域存在邊坡過陡、局部塌方等情況,結合現場實際情況和當地移民群眾需求,在先峰靠山渠設計中,采用砼護岸結構形式,維護渠道邊坡的穩定。

生態砼是在常規砼的基礎上,采用多邊形預制砼板塊,按照一定規則堆砌在岸坡上[6]。生態砼的骨料級配較普通砼有所不同。研究采用的支撐骨料為具有單一級配的石灰石,該材料較普通鵝卵石的膠結面積更大。此外,沸石對水體中的氮素有很好的吸附作用,而鉆孔火山巖石具有較強的除磷作用,因此選用天然的綠鐵礦和紅色的火山巖作為吸附粗集料[7]。為了確保生態砼的強度及孔隙率,選用某水泥廠生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。硅灰能夠在一定程度上提高砼的強度及耐久性,采用某公司生產的高性能硅灰,等比替代水泥質量。基于體積法設計原理,確定多骨料生態砼中單位體積所需粗骨料的用料,計算公式如下[8]:

WG=α×ρG

(1)

式中:α為修正系數,取值為0.98;ρG為粗骨料的堆積密度。

采用水泥包裹沙粒的方法,對多骨料生態砼進行攪拌。攪拌流程見圖1[9]。

圖1 攪拌工藝流程

由圖1可知,采用水泥裹沙的方法,首先要把50%的粗集料與10%的水混合并拌和。向混合物中加入少量膠凝材料,并攪拌60 s左右。然后再加入50%粗骨料和10%左右的水,并放入剩余膠凝材料,攪拌2 min。攪拌完成后,加入減水劑和硫酸亞鐵,待攪拌至最佳裹漿效果后,停止攪拌。最后,卸料裝模。

常見的生態砼統一成型的方法包括人工插搗、靜壓成型、振動成型。靜壓成形需要在特殊的加壓機上,使用適當的鋼板,使其穩定,可提高多孔砼的強度,但同時也減少了孔隙率。若把控不好時間與壓力,則容易壓裂石塊,造成早期裂縫的產生。本研究采用人工插搗的方式,將砼的入模分成3層,每一層約為總體積的1/3,從外向內搗10次[10]。生態砼由于存在“少自由水,易失水”的情況[11]。若裝入模具后養護不當,砼表明會“起灰”,最終導致其強度降低。因此,在拌和好的生態混凝土后,只需要噴灑少量的水,然后覆蓋上薄膜進行養護即可。

生態砼護岸因其傳統填料的組成較為單一,且吸附性差。因此,研究在生態砼的基礎上,改變填料組成,設計變滲徑多骨料生態砼護岸。圖2為變滲徑多骨料生態砼護岸的結構示意圖。

圖2 變滲徑多骨料生態砼護岸的結構示意圖

由圖2可知,變滲徑多骨料生態砼護岸的填料層共有5層,分別為椰殼纖維層、多骨料植生砼層、多骨料反濾混凝土層、煤渣與佛石混合層、防滲層。將植物型生態砼、反濾型生態砼經篩選配制而成,并將其鋪于護岸內。作為去除污染物的主要填料層,該填料層具有較強的抗壓強度,并具有不同大小的孔隙率。可使下滲到填充物中的水在填充物中有更長的停留時間。同時,還可使其更均勻地分布,從而改善護岸的整體凈化效果。在護岸的濱水面邊上,采用砼擋墻、石籠、木樁墻等形式。其中,砼擋墻可起到加固及穩定作用;采用石籠、木樁壁等方式,可為水草、植物、動物等提供適宜的生長、生存條件,從而提高變滲徑多骨料生態砼護岸生態功能。

1.3 大中型水庫移民后期扶持項目水土流失防治措施

在水利水電建設中,大中型水庫移民后期安置區是水土流失重點防治區域。研究項目區域為先峰靠山渠治理工程區,該地區土壤侵蝕以微度侵蝕為主[12]。該區年平均降水約1 100 mm,6-9月份降水較多,易發生水力侵蝕,主要為層狀面侵蝕和溝侵蝕。針對該項目建設活動引起水土流失的特點和造成水土流失危害程度,研究采取水土流失防治措施,見圖3。

圖3 水土流失防治措施體系

由圖3可知,該水土流失防治措施體系主要圍繞渠首工程區、臨時堆土區、施工臨時區采取相應的水土流失防治措施。針對渠首工程區,護坡采用上述研究設計的變滲徑多骨料生態砼護岸。在壩肩上方設計M7.5漿砌石截水溝,并在截水溝出口處設置兩座沉沙池。對該區域的綠化面積后期進行覆土整治,施工場地平整后再撒播草籽,主要選用狗牙根草籽,草籽種植密度為80kg/hm2。臨時措施如下:對渠首等主體工程開挖裸露斷面采用密目網等臨時苫蓋措施。

對臨時堆土區采用的工程措施如下:渠道清基土方和臨時堆土區頂部耕作層熟土開挖后堆放于一側,施工結束后全部回填平整,既減小工程占地面積又減少了水土流失。回填整地時,回填土高程與占地周邊地面高程一致,回填成自然土方。施工結束后,對堆土區場地深翻,并對現狀為農田的場區進行土地整治。對該區的臨時措施如下:在臨時堆土場四周開挖臨時簡易土質排水溝,排水溝與場地四周的臨時排水溝渠順接。采用梯形斷面,底寬40cm,深40cm,邊坡 1∶1,并對渠首等主體工程開挖裸露斷面采用密目網等臨時苫蓋措施。對該區域的植物措施是利用土方回填恢復耕地,占用的荒草地采取植草,草籽仍選用狗牙根,草籽種植密度為80kg/hm2。

對臨時性施工區域,只在臨時性施工道路一邊設置排水溝,并進行單向排水,并隔適當距離布設沉砂池。排水溝斷面采用梯形斷面,底寬0.4m,深0.4m,邊坡1∶0.5。完工后,對工程用地進行深翻,同時對已有耕地的地方進行土地整理。對該區域采取的臨時措施為:在工地周圍挖一條臨時排水溝,斷面為梯形。底部寬度40cm,坡度1∶0.5。對場地為草地的區域采取撒播狗牙根草籽,進行土地恢復,草籽種植密度為80kg/hm2。項目實施后,將調節農田水分狀況,增加干旱年份的土壤含水量,對改善地區的水質、局部氣候、生態環境起到促進作用。

2 結果分析

為了驗證研究設計的變滲徑多骨料生態砼護岸的效果,將其與傳統生態混凝土護岸TEC、天然土質護岸NS進行滲流特性對比。圖4為降雨即初始濕潤條件下,3種護岸的不同深度含水率變化情況。由圖4可知,在濕潤情況下,3種護岸的各層含水率有明顯差別。隨著土質的增加,其含水量降低的幅度逐漸減小。在注入初期,VS-MEC護岸的每一層含水率都在36%～39%的范圍內保持穩定。而NS護岸的地表溢流區土壤含水量高于15 cm以下的土壤,表明VS-MEC護岸的滲透通道均勻,而 NS護岸則是傾向于單通道的特征。在30min的徑流沖刷試驗中,VS-MEC幾乎不存在滲流阻力,即不會發生溢流現象。TEC和 NS兩類護岸難以應對大流量的徑流,如果采用非室內模擬的方式,則大多數的雨水會直接從這兩類護岸的表面流出,而不會滲透到護岸中。綜上可知,研究設計的VS-MEC護岸在對降雨徑流的處理中具有顯著優勢。

圖4 濕潤條件下3種護岸的滲流特性情況

研究在該靠山渠道實施相應的水土保持綜合治理措施,按侵蝕強度劃分,水土流失面積的具體情況見圖5。

圖5 治理前后水土流失情況

由圖5(a)可知,將研究區域按侵蝕強度等級劃分后,輕度、中度、強烈、極強烈的水土流失面積分別為1 132、189、227、16 hm2。在實施各項水土保持措施后,該區域的水土流失情況有所改善。水土流失面積為142 hm2,占地總面積為3.11%。由圖5(b)可知,在水土保持措施實施后,該流域水土流失總面積比治理前下降約30.79%。表1為采用研究方法后的工程水土流失防治預期結果。

表1 工程水土流失防治目標與實際結果對比統計

由表1可知,該工程區屬于南方紅壤區,該項目區土壤侵蝕以微度侵蝕為主,土壤流失控制比不應小于1。同時,本項目位于水源附近,渣土防護率提高1%,林草覆蓋率提高 2%。上述6項指標修正后,至設計水平年,防治目標值為水土流失治理度95%,土壤流失控制比0.95,渣土防護率96%,表土保護率 87%,林草植被恢復率95%。在經過研究方法治理后,水土流失治理度比標準值提高2%,渣土防護率較標準值提高1%,表土保護率較標準值提高1%。林草植被恢復率與林草覆蓋率較標準值分別提高1%和3%。

3 結 論

為了解決大中型水庫移民后期扶持項目工程的建設以及當地水土流失問題,本文設計了一種變滲徑多骨料生態砼護岸,并針對各工程分區,提出了相應的水土流失防治措施。結果顯示,在濕潤情況下,VS-MEC護岸的每一層含水率均在36%～39%的范圍內保持穩定。在30min的徑流沖刷試驗中,VS-MEC幾乎不會發生溢流現象。水土流失治理度比標準值提高2%,渣土防護率較標準值提高1%,表土保護率較標準值提高1%。林草植被恢復率與林草覆蓋率較標準值分別提高1%和3%。通過對先鋒靠山渠進行整治,可有效提高其防洪排澇水平,降低洪澇災害損失。