西干渠系統(tǒng)治理工程生態(tài)治河工程設(shè)計(jì)分析

嚴(yán)后山，韋富瀛

（荊州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 荊州 434020）

0 引言

河道在長(zhǎng)期運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量淤泥雜物，不僅會(huì)造成河道堵塞，而且還會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不良影響。此外，各種水利工程設(shè)施、建筑物都已經(jīng)出現(xiàn)老化、功能性下降。為維護(hù)良好生態(tài)環(huán)境，保障河道的排水正常，發(fā)揮其防洪、灌溉等水利作用，加強(qiáng)對(duì)于生態(tài)治河工程設(shè)計(jì)的研究和分析是十分有必要的。

1 工程概況

西干渠屬四湖流域主要排水干渠之一，是上區(qū)與中下區(qū)排水的重要通道。西干渠起于荊州市沙市區(qū)雷家垱，全長(zhǎng)90.5 km，主要截排四湖中區(qū)沿長(zhǎng)江高地的澇水。西干渠在監(jiān)利縣境內(nèi)的全長(zhǎng)為29.97 km。

西干渠監(jiān)利段系統(tǒng)治理河道總長(zhǎng)為44.153 km，其中包括西干渠、永東河、衛(wèi)東河以及友誼河，兩岸堤防總長(zhǎng)度為87.506 km。為保障項(xiàng)目區(qū)防洪安全和糧食生產(chǎn)安全，通過(guò)對(duì)西干渠監(jiān)利段的系統(tǒng)治理，使之形成完整的灌溉、排澇及防洪保護(hù)體系。

2 工程主要問(wèn)題

西干渠系統(tǒng)工程區(qū)域的地下水類型為孔隙水，地表水與地下水均為碳酸型淡水。從整體上來(lái)看，水體對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)并沒有腐蝕性，但是在干濕交替的情況下，會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較弱的腐蝕作用。此外，由于西干渠為20世紀(jì)60年代開挖的人工河，而且長(zhǎng)期缺乏整治和清淤處理，兩岸河堤不成型，河道內(nèi)部的淤泥、生活垃圾等較多，整體生態(tài)情況較差。

經(jīng)過(guò)對(duì)工程區(qū)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察發(fā)現(xiàn)，治河工程的主要包括以下3個(gè)問(wèn)題：①堤防外坡及河道岸坡主要為黏土或粉質(zhì)黏土，局部為淤泥質(zhì)土，因此河道的抗沖刷能力較弱，大部分岸坡和堤防外坡在長(zhǎng)期水流沖擊之下變形嚴(yán)重，坡面不成形，局部岸坡甚至已經(jīng)出現(xiàn)了坍塌情況。②左右兩岸堤頂大多欠高，堤身較為單薄，整體安全性較差。③渠道淤積嚴(yán)重，普遍淤積0.6～1.0 m，不能夠滿足該區(qū)域內(nèi)正常行洪要求[1]。

3 生態(tài)治河工程設(shè)計(jì)思路

結(jié)合上述工程主要問(wèn)題，在進(jìn)行生態(tài)治河工程設(shè)計(jì)應(yīng)從以下3個(gè)方面入手：①針對(duì)河道岸坡抗沖擊能力差的問(wèn)題，在實(shí)際進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)相應(yīng)工程建筑物的地基承載力要求展開分析，并結(jié)合實(shí)際地基承載力情況，采取相應(yīng)處理措施。如拆除重建或新建對(duì)于地基承載力要求不高的小型建筑物；對(duì)于少數(shù)地基為淤泥質(zhì)土，土質(zhì)軟弱的建筑物，對(duì)其地基進(jìn)行適當(dāng)處理。②針對(duì)左右兩岸堤頂欠高問(wèn)題進(jìn)行加高培厚處理。③針對(duì)河道淤泥堵塞嚴(yán)重問(wèn)題，對(duì)西干渠擬治理段及其支流永東河和衛(wèi)東河進(jìn)行清淤處理，并對(duì)兩岸坡進(jìn)行修整。

除此之外，在進(jìn)行河道整治的過(guò)程中，還應(yīng)嚴(yán)格遵守以下設(shè)計(jì)原則：①河道的清理、挖掘，以及整坡等施工不能夠改變河道的原始走向，并盡量不改變其原始地形、地貌等，同時(shí)為降低工程成本，應(yīng)盡量減少填挖施工的工程量。②在滿足過(guò)流需求的情況下，應(yīng)盡量以現(xiàn)有堤線等加強(qiáng)對(duì)河道開挖寬度以及渠道開口的控制，盡量減少對(duì)土地的占用。③在保障河道過(guò)流能力的情況下，合理清除河道卡口[2]。

4 西干渠系統(tǒng)治理工程設(shè)計(jì)分析

4.1 河道清淤清障設(shè)計(jì)

結(jié)合工程區(qū)實(shí)際情況，此次西干渠系統(tǒng)河道治理工程需要進(jìn)行全河段的清淤、岸坡疏挖整形施工，河道清淤清障總長(zhǎng)為44.153 km，并按照設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行清淤清障施工。

4.1.1 清淤

由于西干渠屬于平原河流，因此整體河道縱坡相對(duì)較為平緩，當(dāng)汛期外江水位較高時(shí)，通過(guò)泵站抽排的方式減小水流流速。當(dāng)發(fā)生暴雨時(shí)，暴雨會(huì)攜帶大量的泥沙淤積在河道內(nèi)部。此外，西干渠系統(tǒng)當(dāng)中有部分河段是人工開挖形成的，因此其堤身的土質(zhì)本身相對(duì)松散，堤岸土質(zhì)也多為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土等，在暴雨沖刷下，會(huì)進(jìn)一步加劇河道淤積。而且，在西干渠系統(tǒng)成型之后，由于長(zhǎng)期沒有對(duì)其采取治理措施，多年的生活垃圾、農(nóng)業(yè)污染，導(dǎo)致西干渠河床不斷抬高，水質(zhì)污染嚴(yán)重。對(duì)此，此次治理工程對(duì)整個(gè)西干渠系統(tǒng)進(jìn)行全線清淤治理，將河底沉降多年的污染物、沿河垃圾以及河內(nèi)的水草進(jìn)行全面清理。

4.1.2 疏挖

疏挖工程設(shè)計(jì)主要包括以下兩方面：①河道斷面形式設(shè)計(jì)。在此過(guò)程中，需要充分根據(jù)西干渠水位流量情況、河道斷面特征以及河道兩岸的土地利用情況，科學(xué)合理進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)，可采用多種斷面形式。②岸坡整形。在進(jìn)行岸坡整形設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合周圍地形和環(huán)境情況，在滿足工程要求的基礎(chǔ)上，盡可能減少翻動(dòng)土壤的范圍，避免由于河道岸坡不穩(wěn)造成水土流失等情況。在實(shí)際進(jìn)行岸坡整形設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)盡量避免對(duì)原有地形、岸線的改變，僅針對(duì)河道內(nèi)的岸坡進(jìn)行整治。此外，還需要對(duì)邊坡干渠的坡度進(jìn)行控制，避免其坡度超過(guò)1:3，并設(shè)置親水平臺(tái)，按照1:2.5對(duì)支渠邊坡進(jìn)行控制。

4.2 渠堤加高培厚設(shè)計(jì)

結(jié)合西干渠系統(tǒng)實(shí)際情況，進(jìn)行渠堤加高培厚設(shè)計(jì)，主要包括兩個(gè)部分：①西干渠主線部分。②支渠部分。其中西干渠樁號(hào)19+650—0+000，采用的是“兩級(jí)坡+平臺(tái)+新建（恢復(fù)）堤頂?shù)缆贰钡男问?，堤頂高程為設(shè)計(jì)水位加高1.0m，堤頂寬6m，坡比1:3，中間設(shè)置寬2.5 m平臺(tái)，采用草皮護(hù)坡，堤頂設(shè)置混凝土道路。支渠部分主要包括永東河、衛(wèi)東河以及友誼河3個(gè)部分，根據(jù)相關(guān)岸坡設(shè)計(jì)要求，其堤頂高程、堤頂寬、坡比設(shè)計(jì)情況如表1所示。

表1 渠堤加高培厚設(shè)計(jì)

4.3 堤頂?shù)缆吩O(shè)計(jì)

4.3.1 堤頂?shù)缆非闆r

西干渠新建和修復(fù)渠頂?shù)缆房傞L(zhǎng)為26.575 km。其中新建部分長(zhǎng)為5.4 km，破損修復(fù)部分長(zhǎng)度為1.275 km，維修擴(kuò)寬19.6 km，拆除重建0.30 km。西干渠渠頂為0.25m厚的C30混凝土路面，下設(shè)0.15 m厚的水泥土穩(wěn)定層及0.10 m碎石墊層，道路兩側(cè)設(shè)0.2 m×0.3 m（寬×厚）路緣石，道路寬度為4.5 m。

4.3.2 堤頂高程計(jì)算

在進(jìn)行堤防堤頂高程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)規(guī)定對(duì)堤壩水位以上的超高數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，具體為設(shè)計(jì)波浪爬高與最大風(fēng)雍水面高度以及安全加高之和。其中設(shè)計(jì)波浪爬高的計(jì)算公式見式（1）。

最大風(fēng)壅水面高度的計(jì)算公式見式（2）。

式中：e——計(jì)算點(diǎn)壅水面高度，m；K——綜合摩阻系數(shù)，取值為30；V——設(shè)計(jì)風(fēng)速按計(jì)算波浪的風(fēng)速確定，根據(jù)工程區(qū)常年風(fēng)速情況，設(shè)計(jì)風(fēng)速取值22.5m/s；F——由計(jì)算點(diǎn)逆風(fēng)向量到對(duì)岸的距離，m；d——水域的平均水深，m；β——風(fēng)向與垂直于堤軸線的法線的夾角，（°）[3]。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到西干渠e為0.002 m，因此在實(shí)際進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的過(guò)程中可忽略不計(jì)。最后，計(jì)算得到的西干渠安全加高值為0.6 m，超高值為1.0 m.

4.4 涵閘工程設(shè)計(jì)

西干渠包括多處小型涵閘工程，多是河道修建初期建設(shè)的，因此其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，工程質(zhì)量較差，而且在多年的運(yùn)行下，老化十分嚴(yán)重，整體工程質(zhì)量和功能都有所下降。對(duì)此需要對(duì)涵閘工程重新進(jìn)行修建設(shè)計(jì)。在實(shí)際進(jìn)行涵閘工程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括抗滑及抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)、基底應(yīng)力不均勻系數(shù)、擋土墻抗滑及抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)、沉降指標(biāo)和滲徑系數(shù)。結(jié)合案例工程項(xiàng)目實(shí)際情況以及國(guó)家相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，土基上沿閘室基底面抗滑抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)允許值以及閘室基底應(yīng)力不均勻系數(shù)允許值參數(shù)如表2所示。結(jié)合西干渠實(shí)際情況，基本組合和特殊組合的抗滑安全系數(shù)都包括Kc和K0兩種情況，其安全系數(shù)允許值在1.05～1.5，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，最大基底應(yīng)力要小于地基允許承載力的1.2倍。沉降指標(biāo)方面，要求建筑物最大沉降量應(yīng)小于15 cm，而且相鄰建筑間的沉降差應(yīng)不大于2 cm。滲徑系數(shù)如表3所示。此外，還需要對(duì)涵閘流量進(jìn)行計(jì)算，跨西干渠涵閘設(shè)計(jì)流量等于其控制面積乘以西干渠排澇模數(shù)。但是在實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)每座涵閘承雨面積不同，而且排區(qū)范圍內(nèi)調(diào)蓄面積也存在差異，若直接采用西干渠排澇模數(shù)進(jìn)行涵閘設(shè)計(jì)存在一定不合理性，因此拆除重建涵閘需要采用10年一遇一日，暴雨三日排完的標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行計(jì)算。

表2 允許值參數(shù)

表3 滲徑系數(shù)

4.5 泵站建筑物設(shè)計(jì)

西干渠現(xiàn)存泵站共有9座，為外排小泵站，由于年久失修，結(jié)構(gòu)破損，啟閉設(shè)備、閘門等設(shè)備老化嚴(yán)重，而且無(wú)攔污柵。為解決上述問(wèn)題，需要對(duì)泵站建筑物進(jìn)行重新修建或者改造設(shè)計(jì)，以此確保泵站功能得以正常發(fā)揮。結(jié)合西干渠實(shí)際情況，設(shè)計(jì)拆除重建泵站7座，更新改造2座，重建11 kW機(jī)臺(tái)18座。

本文以連福泵站為例，針對(duì)泵站建筑物設(shè)計(jì)展開探討。連福泵站位于西干渠右2+175。泵站由主泵房、進(jìn)出水渠、進(jìn)出水池、自排閘、變電站等建筑物組成。由于常年運(yùn)行，而且缺少維護(hù)保養(yǎng)，導(dǎo)致整個(gè)泵站的結(jié)構(gòu)、設(shè)備問(wèn)題十分嚴(yán)重，而且泵站內(nèi)無(wú)攔污柵。因此，在此次治理工程中，簡(jiǎn)單的改造設(shè)計(jì)已經(jīng)無(wú)法滿足泵站運(yùn)行需求，擬將該泵站進(jìn)行拆除重建處理。結(jié)合工程實(shí)際要求，重建后的泵站設(shè)計(jì)流量為3.6 m3/s，灌溉模數(shù)為1.04 m3/（s·萬(wàn)畝），排水模數(shù)為0.38 m3/（s·萬(wàn)畝），灌溉面積為1.73萬(wàn)畝，排水面積為9.58萬(wàn)畝，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為主泵房的重建設(shè)計(jì)。

結(jié)合主泵房實(shí)際情況，該泵房底板高程為20.5 m，長(zhǎng)和寬分別為9.98 m和9.5 m。為保障整個(gè)主泵房受力均勻，主機(jī)組在其中采用對(duì)稱布置方式，每臺(tái)主機(jī)之間相距6.5 m，電機(jī)層高程設(shè)計(jì)為27.20 m。此外，還包括進(jìn)、出水池設(shè)計(jì)，進(jìn)、出水池的寬度均為2.5 m，高度分別為2 m和4 m，底板高程分別為20.5 m和23 m，并在上下游的位置分別設(shè)計(jì)一扇鑄鐵閘門，根據(jù)水池規(guī)格，鑄鐵閘門設(shè)計(jì)為邊長(zhǎng)2.5 m的正方形。整個(gè)主泵房的長(zhǎng)度為9.5 m，寬度為4.5 m，高度為6 m，建筑面積為42.75 m2，整體為混凝土框架結(jié)構(gòu)[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于不同河道的實(shí)際情況不同，因此其河道治理工程設(shè)計(jì)方案之間也存在較大差異。本文以西干渠系統(tǒng)為例，基于其本身土質(zhì)、河道淤泥堵塞以及堤頂欠高等問(wèn)題，有針對(duì)性地提出了相應(yīng)工程設(shè)計(jì)思路，并在此基礎(chǔ)上展開治理工程設(shè)計(jì)，主要包括河道清淤清障設(shè)計(jì)、渠堤加高培厚設(shè)計(jì)，涵閘工程設(shè)計(jì)、泵站建筑物設(shè)計(jì)以及堤頂?shù)缆吩O(shè)計(jì)，并對(duì)堤頂高程計(jì)算方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。該設(shè)計(jì)方案實(shí)施后，西干渠的排澇能力、防洪能力都得到了大幅增強(qiáng)，保障了周邊5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口和農(nóng)田的安全，有較好的國(guó)民社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。