可持續(xù)發(fā)展生態(tài)理念在水利設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

林 斌

（福建益達(dá)興建設(shè)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(jí)支流,發(fā)源于梧村坑里洋附近,向下流經(jīng)梧村、聯(lián)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(zhǎng)14.8 km,河道平均坡降18.40‰。

1.2 流域現(xiàn)狀分析

民主溪屬山區(qū)河流,流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要來源于洪水對(duì)兩岸的侵蝕和生產(chǎn)生活產(chǎn)生的污染物。民主溪流域周圍均為零散村落,無工業(yè)污染,其主要污染源有大氣降塵、地面廢棄物堆積、機(jī)動(dòng)車尾氣排放等在初期雨水徑流中形成大量有機(jī)質(zhì)、懸浮固體、重金屬等污染物,以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的化肥、農(nóng)藥殘留和牲畜養(yǎng)殖產(chǎn)生的廢棄物等是不可避免的農(nóng)業(yè)污染經(jīng)雨水沖刷而流入河流[1]。水陸兩生植被、水生動(dòng)植物生長(zhǎng)的良好生命環(huán)境。方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)減少剛性結(jié)構(gòu)或使用剛軟結(jié)合構(gòu)件,以提高護(hù)岸在人視覺中美化環(huán)境的軟效果；盡可能使用天然材料或預(yù)制材料,以減少二次污染。

2.1.2 生態(tài)護(hù)岸的選擇

根據(jù)民主溪的特點(diǎn),在不同環(huán)境下選擇不同的生態(tài)護(hù)岸形式。擬定兩種護(hù)岸型式。型式一：斜坡式護(hù)岸；型式二：復(fù)合式護(hù)岸。

型式一：護(hù)岸迎水坡坡比1∶2,采用生態(tài)預(yù)制塊護(hù)坡,厚12 cm,碎石墊層厚15 cm,迎水坡生態(tài)孔撒草籽；護(hù)坡下鋪設(shè)300 g/m2土工布反濾,堤身采用粘性土回填。護(hù)坡基礎(chǔ)采用C20 素砼基礎(chǔ),斷面尺寸0.5 m×0.5 m,基礎(chǔ)開挖處采用塊石回填。

圖1 斜坡式護(hù)岸斷面圖

2 生態(tài)理念在水利工程中設(shè)計(jì)應(yīng)用的基本原則

流域生態(tài)廊道設(shè)計(jì)需全面遵循水利工程的各項(xiàng)原理以及規(guī)律。通過民主溪流域現(xiàn)狀分析,確定該工程圍繞生態(tài)護(hù)岸和生態(tài)濕地為主要設(shè)計(jì)導(dǎo)向。

2.1 生態(tài)護(hù)岸的設(shè)計(jì)與布置

民主溪屬山區(qū)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(tài)復(fù)雜以及山區(qū)本身與河流系統(tǒng)的相互作用。因此民主溪生態(tài)護(hù)岸建設(shè)需在滿足山區(qū)河流的特點(diǎn)和河岸邊坡穩(wěn)定性要求外,還應(yīng)考慮與區(qū)域生態(tài)環(huán)境相融合,進(jìn)而保障河流生態(tài)的平衡性。

2.1.1 生態(tài)護(hù)岸的設(shè)計(jì)原則

生態(tài)護(hù)岸作為水、陸交界,設(shè)計(jì)階段需考慮抗水力沖擊、抗腐蝕和穩(wěn)定等條件,同時(shí)能夠營(yíng)造一種適宜于陸生植被、

型式二：護(hù)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(zhǎng)；背水坡豎直,迎水坡坡比1∶0.3,頂寬0.6 m。

圖2 復(fù)合式護(hù)岸斷面圖

2.1.3 生態(tài)護(hù)岸穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）和《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）,確定工程等別為V 等,主要建筑物級(jí)別為5 級(jí)。

護(hù)岸擋墻的抗滑和抗傾覆穩(wěn)定按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50386-2013）附錄F 中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算?？紤]護(hù)岸長(zhǎng)度較長(zhǎng),本次堤岸擋墻的穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算,選取具有代表性的斷面進(jìn)行計(jì)算K10+900。該樁號(hào)河道擋墻墻高2.5 m,基礎(chǔ)深度0.5 m,河床高程293.97,P=10%設(shè)計(jì)洪水位295.47。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,土質(zhì)地基、巖質(zhì)地基的擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如下：（1）擋土墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算：

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f 為底板與堤基之間的摩擦系數(shù)；∑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(wěn)定計(jì)算：

式中：K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；∑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(yīng)力計(jì)算：

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

計(jì)算參數(shù)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(nèi)摩擦角 =35°,土體與墻背間的摩擦角 = /2；

（3）擋墻基底摩擦系數(shù)強(qiáng)風(fēng)化層f1=0.55,全風(fēng)化層f1=0.35,砂卵石層f1=0.5。

計(jì)算工況如下：

（1）非常工況1：墻外設(shè)計(jì)洪水水位降落,墻內(nèi)側(cè)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(shè)計(jì)工況1：墻外遭遇P=10%設(shè)計(jì)洪水情況,設(shè)計(jì)洪水位295.47（水深1.5 m）。

（3）設(shè)計(jì)工況2：工程完工期,墻背已填土,河內(nèi)側(cè)無水。

穩(wěn)定要求安全系數(shù)如下：

依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求,該工程按5 級(jí)堤防標(biāo)準(zhǔn)控制,擋墻穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)不小于下列規(guī)定值見表1。

表1 安全系數(shù)規(guī)定值

根據(jù)各工況荷載組合,采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所開發(fā)的《理正巖土系列6.5 版》的擋土墻設(shè)計(jì)分析模塊,各工況擋墻穩(wěn)定與應(yīng)力計(jì)算成果見表2。

表2 各工況擋墻穩(wěn)定與應(yīng)力計(jì)算成果

從上表可知,護(hù)岸穩(wěn)定滿足《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》。

2.2 生態(tài)濕地的建設(shè)與修復(fù)

濕地生態(tài)營(yíng)建工程是利用生態(tài)技術(shù)對(duì)已退化或消失的濕地基底加以恢復(fù)或重構(gòu),再現(xiàn)破壞之前的基本構(gòu)造和功能,及其相應(yīng)的物理、化學(xué)和生物學(xué)功能,使之可以進(jìn)一步地發(fā)揮相應(yīng)的功能[2]。根據(jù)文江鎮(zhèn)人民政府規(guī)劃以及項(xiàng)目區(qū)特點(diǎn),生態(tài)濕地以公園為設(shè)計(jì)導(dǎo)向,其建設(shè)主要包括對(duì)濕地自然環(huán)境的修復(fù)或重建,并增設(shè)其他相應(yīng)的景觀休閑服務(wù)設(shè)施。

2.2.1 生態(tài)濕地設(shè)計(jì)思路

工程在實(shí)現(xiàn)水環(huán)境改善的同時(shí),也兼顧到了滿足濕地環(huán)境范圍內(nèi)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(chǎn)生的工程構(gòu)筑物和對(duì)濕地環(huán)境自然景觀的塑造融為一體,進(jìn)而使生態(tài)濕地能夠在自然演替過程中達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定效果。設(shè)計(jì)思路及理論預(yù)期見圖3。

圖3 生態(tài)修復(fù)過程圖

2.2.2 人工引導(dǎo)下的濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)

人工濕地自然恢復(fù)引導(dǎo)的關(guān)鍵在于修復(fù)并再次營(yíng)建起濕地的生態(tài)多樣性,使之進(jìn)入健康良性過程。所以人工的管理與干預(yù)必須從棲息地與生物恢復(fù)兩個(gè)角度考量。項(xiàng)目擬在民主溪上、中、下游分別建設(shè)聯(lián)盟村白鷺生態(tài)濕地、大文村虎頭山生態(tài)濕地以及民主村龍?zhí)渡鷳B(tài)濕地。

以聯(lián)盟村白鷺生態(tài)濕地為例：生態(tài)前置庫(kù)為水生植物生長(zhǎng)區(qū),項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)劃350 m2。利用植株根部、葉子和生物膜的結(jié)合能力除去部分有機(jī)物,吸取N、P 等物質(zhì)。表面流濕地設(shè)計(jì)規(guī)劃1200 m2,水深為10 cm～30 cm,以改性土壤和礫石為主要基質(zhì),利用植被、微生物、基質(zhì)等的綜合功能對(duì)前置庫(kù)來水進(jìn)行深層處理,以消除或降解氨氮、無機(jī)磷、有害藻類等物質(zhì)；項(xiàng)目設(shè)計(jì)清水涵養(yǎng)塘面積為230 m2,其作用主要是涵養(yǎng)潔凈水源,并以天然凈化作用和環(huán)境監(jiān)管技術(shù)措施相結(jié)合,深度恢復(fù)水環(huán)境,減少有害藻類生物,以此建立利于水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的自然環(huán)境條件,見表3。

表3 水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測(cè)與理論預(yù)期參數(shù)表

通過對(duì)濕地基底和水環(huán)境恢復(fù)、重建等一系列的人工措施來維護(hù)基底的穩(wěn)定性和濕地生態(tài)的異質(zhì)性,從而達(dá)到改良其土壤和改善水質(zhì)和生態(tài)多樣性的目的,并經(jīng)長(zhǎng)期自然演替過程使流域內(nèi)種群之間達(dá)到穩(wěn)定的可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

生態(tài)濕地的建設(shè),可將原V 類水質(zhì)提高至Ⅲ類水質(zhì),并恢復(fù)生態(tài)濕地物種多樣性且達(dá)到自我調(diào)節(jié)的穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)。

通過生態(tài)護(hù)岸的修建將聯(lián)盟村白鷺生態(tài)濕地、大文村虎頭山生態(tài)濕地以及民主村龍?zhí)渡鷳B(tài)濕地貫通為帶狀生態(tài)廊道。提高了文江鎮(zhèn)防洪安全,改善了生態(tài)環(huán)境。民主溪流域生態(tài)廊道建成后可形成為：濱水長(zhǎng)廊——景觀長(zhǎng)堤——淺灘戲水——濕地觀鳥等沿河流走向的生態(tài)氣息游玩景點(diǎn),促進(jìn)區(qū)域的旅游的發(fā)展。