大中型水庫移民后期扶持項目靠山渠道砼擋墻護(hù)岸設(shè)計及水土流失防治措施研究

范傳紅

(六安市裕安區(qū)發(fā)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(shè)中的重要工程,對保護(hù)當(dāng)?shù)厝罕姷纳敭a(chǎn)安全、促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展起著積極的作用[1-2]。砼擋墻在功能上,保留了常規(guī)砼抗沖刷的優(yōu)點,促進(jìn)了河流與周圍環(huán)境在物質(zhì)能量上的交換[3]。同時,也克服了在河道內(nèi)生物繁衍生長的不利因素。目前,傳統(tǒng)生態(tài)混凝土(Traditional ecological concrete revetment tec, TEC)護(hù)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(tài)砼進(jìn)行凈污能力改進(jìn),以提高混凝土綜合性能。此外,在主體工程建設(shè)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(shè)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(fù)和保護(hù)工程建設(shè)區(qū)及周邊地區(qū)水土保持設(shè)施。本研究旨在通過建設(shè)渠道護(hù)岸,實施相應(yīng)的水土保持措施,擴(kuò)大灌溉面積,提高灌溉保證率,為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供積極的保障作用。

1 靠山渠道砼擋墻護(hù)岸設(shè)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(qū)概況

裕安區(qū)位于安徽省中西部,大別山北部邊緣,六安市區(qū)以西。東面與晉安區(qū)接壤,向西靠近金賽縣,南面為霍山縣,北面為霍邱縣。裕安區(qū)總面積1 926 km2,城區(qū)距離省會合肥70 km。該地區(qū)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(qū)屬于東亞季風(fēng)氣候區(qū),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(qū)石板沖鄉(xiāng)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(qū)位于大別山區(qū)六安地區(qū)的裕安區(qū)石板沖鄉(xiāng)趙灣村。在大別山地區(qū),由南向北,自西向東,從丘陵到平原過渡。在該工程區(qū)沒有明顯的基巖裸露,其地質(zhì)構(gòu)造主要呈現(xiàn)為褶皺。該工程地處石板沖鄉(xiāng)西南方,溝道曲折、狹長,河床泥沙多。遇山洪時,排澇受阻,嚴(yán)重影響項目區(qū)域內(nèi)群眾的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活。溝道寬1～1.2 m。河床的總體形狀不規(guī)則,以凹槽為主,部分河床呈梯形。

該工程區(qū)屬于南方紅壤區(qū),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(qiáng)度大的降水是項目區(qū)產(chǎn)生水土流失的主要自然因素,年平均土壤侵蝕模數(shù)400 t/km2·a。由于先峰靠山渠道內(nèi)雜樹叢生,兩岸邊坡現(xiàn)狀存在嚴(yán)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(nèi),河道的泄流能力遠(yuǎn)未達(dá)到防洪要求,出現(xiàn)多起潰壩事故。該工程便橋跨過灌溉溝道,是聯(lián)接當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)和生活的重要通道,因年久失修,已無法滿足當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘Ｉa(chǎn)、生活需求,需要對其進(jìn)行修復(fù)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(hù)岸設(shè)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(qū)域存在邊坡過陡、局部塌方等情況,結(jié)合現(xiàn)場實際情況和當(dāng)?shù)匾泼袢罕娦枨?在先峰靠山渠設(shè)計中,采用砼護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式,維護(hù)渠道邊坡的穩(wěn)定。

生態(tài)砼是在常規(guī)砼的基礎(chǔ)上,采用多邊形預(yù)制砼板塊,按照一定規(guī)則堆砌在岸坡上[6]。生態(tài)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(jié)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(qiáng)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(tài)砼的強(qiáng)度及孔隙率,選用某水泥廠生產(chǎn)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(qiáng)度及耐久性,采用某公司生產(chǎn)的高性能硅灰,等比替代水泥質(zhì)量。基于體積法設(shè)計原理,確定多骨料生態(tài)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(shù),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(tài)砼進(jìn)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(tài)砼統(tǒng)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(jī)上,使用適當(dāng)?shù)匿摪?使其穩(wěn)定,可提高多孔砼的強(qiáng)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(chǎn)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(nèi)搗10次[10]。生態(tài)砼由于存在“少自由水,易失水”的情況[11]。若裝入模具后養(yǎng)護(hù)不當(dāng),砼表明會“起灰”,最終導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。因此,在拌和好的生態(tài)混凝土后,只需要噴灑少量的水,然后覆蓋上薄膜進(jìn)行養(yǎng)護(hù)即可。

生態(tài)砼護(hù)岸因其傳統(tǒng)填料的組成較為單一,且吸附性差。因此,研究在生態(tài)砼的基礎(chǔ)上,改變填料組成,設(shè)計變滲徑多骨料生態(tài)砼護(hù)岸。圖2為變滲徑多骨料生態(tài)砼護(hù)岸的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 變滲徑多骨料生態(tài)砼護(hù)岸的結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2可知,變滲徑多骨料生態(tài)砼護(hù)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(tài)砼、反濾型生態(tài)砼經(jīng)篩選配制而成,并將其鋪于護(hù)岸內(nèi)。作為去除污染物的主要填料層,該填料層具有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度,并具有不同大小的孔隙率?？墒瓜聺B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(hù)岸的整體凈化效果。在護(hù)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(wěn)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(tài)砼護(hù)岸生態(tài)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(shè)中,大中型水庫移民后期安置區(qū)是水土流失重點防治區(qū)域。研究項目區(qū)域為先峰靠山渠治理工程區(qū),該地區(qū)土壤侵蝕以微度侵蝕為主[12]。該區(qū)年平均降水約1 100 mm,6-9月份降水較多,易發(fā)生水力侵蝕,主要為層狀面侵蝕和溝侵蝕。針對該項目建設(shè)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(qū)、臨時堆土區(qū)、施工臨時區(qū)采取相應(yīng)的水土流失防治措施。針對渠首工程區(qū),護(hù)坡采用上述研究設(shè)計的變滲徑多骨料生態(tài)砼護(hù)岸。在壩肩上方設(shè)計M7.5漿砌石截水溝,并在截水溝出口處設(shè)置兩座沉沙池。對該區(qū)域的綠化面積后期進(jìn)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(wǎng)等臨時苫蓋措施。

對臨時堆土區(qū)采用的工程措施如下:渠道清基土方和臨時堆土區(qū)頂部耕作層熟土開挖后堆放于一側(cè),施工結(jié)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?；靥钫貢r,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(jié)束后,對堆土區(qū)場地深翻,并對現(xiàn)狀為農(nóng)田的場區(qū)進(jìn)行土地整治。對該區(qū)的臨時措施如下:在臨時堆土場四周開挖臨時簡易土質(zhì)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(wǎng)等臨時苫蓋措施。對該區(qū)域的植物措施是利用土方回填恢復(fù)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(qū)域,只在臨時性施工道路一邊設(shè)置排水溝,并進(jìn)行單向排水,并隔適當(dāng)距離布設(shè)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(jìn)行深翻,同時對已有耕地的地方進(jìn)行土地整理。對該區(qū)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(qū)域采取撒播狗牙根草籽,進(jìn)行土地恢復(fù),草籽種植密度為80kg/hm2。項目實施后,將調(diào)節(jié)農(nóng)田水分狀況,增加干旱年份的土壤含水量,對改善地區(qū)的水質(zhì)、局部氣候、生態(tài)環(huán)境起到促進(jìn)作用。

2 結(jié)果分析

為了驗證研究設(shè)計的變滲徑多骨料生態(tài)砼護(hù)岸的效果,將其與傳統(tǒng)生態(tài)混凝土護(hù)岸TEC、天然土質(zhì)護(hù)岸NS進(jìn)行滲流特性對比。圖4為降雨即初始濕潤條件下,3種護(hù)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(hù)岸的各層含水率有明顯差別。隨著土質(zhì)的增加,其含水量降低的幅度逐漸減小。在注入初期,VS-MEC護(hù)岸的每一層含水率都在36%～39%的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。而NS護(hù)岸的地表溢流區(qū)土壤含水量高于15 cm以下的土壤,表明VS-MEC護(hù)岸的滲透通道均勻,而 NS護(hù)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(fā)生溢流現(xiàn)象。TEC和 NS兩類護(hù)岸難以應(yīng)對大流量的徑流,如果采用非室內(nèi)模擬的方式,則大多數(shù)的雨水會直接從這兩類護(hù)岸的表面流出,而不會滲透到護(hù)岸中。綜上可知,研究設(shè)計的VS-MEC護(hù)岸在對降雨徑流的處理中具有顯著優(yōu)勢。

圖4 濕潤條件下3種護(hù)岸的滲流特性情況

研究在該靠山渠道實施相應(yīng)的水土保持綜合治理措施,按侵蝕強(qiáng)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(qū)域按侵蝕強(qiáng)度等級劃分后,輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)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(qū)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(yù)期結(jié)果。

表1 工程水土流失防治目標(biāo)與實際結(jié)果對比統(tǒng)計

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

3 結(jié) 論

為了解決大中型水庫移民后期扶持項目工程的建設(shè)以及當(dāng)?shù)厮亮魇栴},本文設(shè)計了一種變滲徑多骨料生態(tài)砼護(hù)岸,并針對各工程分區(qū),提出了相應(yīng)的水土流失防治措施。結(jié)果顯示,在濕潤情況下,VS-MEC護(hù)岸的每一層含水率均在36%～39%的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。在30min的徑流沖刷試驗中,VS-MEC幾乎不會發(fā)生溢流現(xiàn)象。水土流失治理度比標(biāo)準(zhǔn)值提高2%,渣土防護(hù)率較標(biāo)準(zhǔn)值提高1%,表土保護(hù)率較標(biāo)準(zhǔn)值提高1%。林草植被恢復(fù)率與林草覆蓋率較標(biāo)準(zhǔn)值分別提高1%和3%。通過對先鋒靠山渠進(jìn)行整治,可有效提高其防洪排澇水平,降低洪澇災(zāi)害損失。