大中型水库移民后期扶持项目靠山渠道砼挡墙护岸设计及水土流失防治措施研究

范传红

(六安市裕安区发展和改革委员会,安徽 六安 237000)

0 引 言

砼挡墙是水利项目建设中的重要工程,对保护当地群众的生命财产安全、促进当地经济的发展起着积极的作用[1-2]。砼挡墙在功能上,保留了常规砼抗冲刷的优点,促进了河流与周围环境在物质能量上的交换[3]。同时,也克服了在河道内生物繁衍生长的不利因素。目前,传统生态混凝土(Traditional ecological concrete revetment tec, TEC)护岸存在径流污水处理容量小,对径流污染的净化能力弱等问题[4-5]。

因此,本文采用多种吸附材料代替石灰石作为粗骨料,对多骨料生态砼进行净污能力改进,以提高混凝土综合性能。此外,在主体工程建设期间,通过实施水土保持措施,对工程开挖土方加以利用。在控制好因工程建设造成的水土流失前提下,尽可能使原有水土流失得到一定程度的治理,减少因新增水土流失造成的危害,恢复和保护工程建设区及周边地区水土保持设施。本研究旨在通过建设渠道护岸,实施相应的水土保持措施,扩大灌溉面积,提高灌溉保证率,为农村经济的发展提供积极的保障作用。

1 靠山渠道砼挡墙护岸设计及水土流失防治措施研究

1.1 大中型水库移民后期扶持项目区概况

裕安区位于安徽省中西部,大别山北部边缘,六安市区以西。东面与晋安区接壤,向西靠近金赛县,南面为霍山县,北面为霍邱县。裕安区总面积1 926 km2,城区距离省会合肥70 km。该地区的西南部和南部都是低山,平均海拔500m。北面为长岗状高梁的起伏平原,有低山、湾畈等多种地貌类型。裕安区属于东亚季风气候区,位于亚热带边缘。年平均降水900 ～1 400 mm,年平均气温15.5℃。裕安区石板冲乡年平均降水量1 100 mm,降雨的年际变化较大,其最大值与最低值相差2.7倍。年降水量分布极不均衡,5-9月份占一年总降水量的65%,其中7月份占一年总降水量的18%。

先峰靠山渠治理工程区位于大别山区六安地区的裕安区石板冲乡赵湾村。在大别山地区,由南向北,自西向东,从丘陵到平原过渡。在该工程区没有明显的基岩裸露,其地质构造主要呈现为褶皱。该工程地处石板冲乡西南方,沟道曲折、狭长,河床泥沙多。遇山洪时,排涝受阻,严重影响项目区域内群众的农业生产和生活。沟道宽1～1.2 m。河床的总体形状不规则,以凹槽为主,部分河床呈梯形。

该工程区属于南方红壤区,容许土壤流失量500 t/km2·a,土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主。历时短、强度大的降水是项目区产生水土流失的主要自然因素,年平均土壤侵蚀模数400 t/km2·a。由于先峰靠山渠道内杂树丛生,两岸边坡现状存在严重的安全隐患,不能满足排洪、灌溉的需求。尤其是2020年汛期内,河道的泄流能力远未达到防洪要求,出现多起溃坝事故。该工程便桥跨过灌溉沟道,是联接当地居民生产和生活的重要通道,因年久失修,已无法满足当地居民的日常生产、生活需求,需要对其进行修复和改建。

1.2 大中型水库移民后期扶持项目靠山渠道砼挡墙护岸设计

本次大中型水库移民后期扶持项目靠山渠道工程治理区域存在边坡过陡、局部塌方等情况,结合现场实际情况和当地移民群众需求,在先峰靠山渠设计中,采用砼护岸结构形式,维护渠道边坡的稳定。

生态砼是在常规砼的基础上,采用多边形预制砼板块,按照一定规则堆砌在岸坡上[6]。生态砼的骨料级配较普通砼有所不同。研究采用的支撑骨料为具有单一级配的石灰石,该材料较普通鹅卵石的胶结面积更大。此外,沸石对水体中的氮素有很好的吸附作用,而钻孔火山岩石具有较强的除磷作用,因此选用天然的绿铁矿和红色的火山岩作为吸附粗集料[7]。为了确保生态砼的强度及孔隙率,选用某水泥厂生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。硅灰能够在一定程度上提高砼的强度及耐久性,采用某公司生产的高性能硅灰,等比替代水泥质量。基于体积法设计原理,确定多骨料生态砼中单位体积所需粗骨料的用料,计算公式如下[8]:

WG=α×ρG

(1)

式中:α为修正系数,取值为0.98;ρG为粗骨料的堆积密度。

采用水泥包裹沙粒的方法,对多骨料生态砼进行搅拌。搅拌流程见图1[9]。

图1 搅拌工艺流程

由图1可知,采用水泥裹沙的方法,首先要把50%的粗集料与10%的水混合并拌和。向混合物中加入少量胶凝材料,并搅拌60 s左右。然后再加入50%粗骨料和10%左右的水,并放入剩余胶凝材料,搅拌2 min。搅拌完成后,加入减水剂和硫酸亚铁,待搅拌至最佳裹浆效果后,停止搅拌。最后,卸料装模。

常见的生态砼统一成型的方法包括人工插捣、静压成型、振动成型。静压成形需要在特殊的加压机上,使用适当的钢板,使其稳定,可提高多孔砼的强度,但同时也减少了孔隙率。若把控不好时间与压力,则容易压裂石块,造成早期裂缝的产生。本研究采用人工插捣的方式,将砼的入模分成3层,每一层约为总体积的1/3,从外向内捣10次[10]。生态砼由于存在“少自由水,易失水”的情况[11]。若装入模具后养护不当,砼表明会“起灰”,最终导致其强度降低。因此,在拌和好的生态混凝土后,只需要喷洒少量的水,然后覆盖上薄膜进行养护即可。

生态砼护岸因其传统填料的组成较为单一,且吸附性差。因此,研究在生态砼的基础上,改变填料组成,设计变渗径多骨料生态砼护岸。图2为变渗径多骨料生态砼护岸的结构示意图。

图2 变渗径多骨料生态砼护岸的结构示意图

由图2可知,变渗径多骨料生态砼护岸的填料层共有5层,分别为椰壳纤维层、多骨料植生砼层、多骨料反滤混凝土层、煤渣与佛石混合层、防渗层。将植物型生态砼、反滤型生态砼经筛选配制而成,并将其铺于护岸内。作为去除污染物的主要填料层,该填料层具有较强的抗压强度,并具有不同大小的孔隙率。可使下渗到填充物中的水在填充物中有更长的停留时间。同时,还可使其更均匀地分布,从而改善护岸的整体净化效果。在护岸的滨水面边上,采用砼挡墙、石笼、木桩墙等形式。其中,砼挡墙可起到加固及稳定作用;采用石笼、木桩壁等方式,可为水草、植物、动物等提供适宜的生长、生存条件,从而提高变渗径多骨料生态砼护岸生态功能。

1.3 大中型水库移民后期扶持项目水土流失防治措施

在水利水电建设中,大中型水库移民后期安置区是水土流失重点防治区域。研究项目区域为先峰靠山渠治理工程区,该地区土壤侵蚀以微度侵蚀为主[12]。该区年平均降水约1 100 mm,6-9月份降水较多,易发生水力侵蚀,主要为层状面侵蚀和沟侵蚀。针对该项目建设活动引起水土流失的特点和造成水土流失危害程度,研究采取水土流失防治措施,见图3。

图3 水土流失防治措施体系

由图3可知,该水土流失防治措施体系主要围绕渠首工程区、临时堆土区、施工临时区采取相应的水土流失防治措施。针对渠首工程区,护坡采用上述研究设计的变渗径多骨料生态砼护岸。在坝肩上方设计M7.5浆砌石截水沟,并在截水沟出口处设置两座沉沙池。对该区域的绿化面积后期进行覆土整治,施工场地平整后再撒播草籽,主要选用狗牙根草籽,草籽种植密度为80kg/hm2。临时措施如下:对渠首等主体工程开挖裸露断面采用密目网等临时苫盖措施。

对临时堆土区采用的工程措施如下:渠道清基土方和临时堆土区顶部耕作层熟土开挖后堆放于一侧,施工结束后全部回填平整,既减小工程占地面积又减少了水土流失。回填整地时,回填土高程与占地周边地面高程一致,回填成自然土方。施工结束后,对堆土区场地深翻,并对现状为农田的场区进行土地整治。对该区的临时措施如下:在临时堆土场四周开挖临时简易土质排水沟,排水沟与场地四周的临时排水沟渠顺接。采用梯形断面,底宽40cm,深40cm,边坡 1∶1,并对渠首等主体工程开挖裸露断面采用密目网等临时苫盖措施。对该区域的植物措施是利用土方回填恢复耕地,占用的荒草地采取植草,草籽仍选用狗牙根,草籽种植密度为80kg/hm2。

对临时性施工区域,只在临时性施工道路一边设置排水沟,并进行单向排水,并隔适当距离布设沉砂池。排水沟断面采用梯形断面,底宽0.4m,深0.4m,边坡1∶0.5。完工后,对工程用地进行深翻,同时对已有耕地的地方进行土地整理。对该区域采取的临时措施为:在工地周围挖一条临时排水沟,断面为梯形。底部宽度40cm,坡度1∶0.5。对场地为草地的区域采取撒播狗牙根草籽,进行土地恢复,草籽种植密度为80kg/hm2。项目实施后,将调节农田水分状况,增加干旱年份的土壤含水量,对改善地区的水质、局部气候、生态环境起到促进作用。

2 结果分析

为了验证研究设计的变渗径多骨料生态砼护岸的效果,将其与传统生态混凝土护岸TEC、天然土质护岸NS进行渗流特性对比。图4为降雨即初始湿润条件下,3种护岸的不同深度含水率变化情况。由图4可知,在湿润情况下,3种护岸的各层含水率有明显差别。随着土质的增加,其含水量降低的幅度逐渐减小。在注入初期,VS-MEC护岸的每一层含水率都在36%～39%的范围内保持稳定。而NS护岸的地表溢流区土壤含水量高于15 cm以下的土壤,表明VS-MEC护岸的渗透通道均匀,而 NS护岸则是倾向于单通道的特征。在30min的径流冲刷试验中,VS-MEC几乎不存在渗流阻力,即不会发生溢流现象。TEC和 NS两类护岸难以应对大流量的径流,如果采用非室内模拟的方式,则大多数的雨水会直接从这两类护岸的表面流出,而不会渗透到护岸中。综上可知,研究设计的VS-MEC护岸在对降雨径流的处理中具有显著优势。

图4 湿润条件下3种护岸的渗流特性情况

研究在该靠山渠道实施相应的水土保持综合治理措施,按侵蚀强度划分,水土流失面积的具体情况见图5。

图5 治理前后水土流失情况

由图5(a)可知,将研究区域按侵蚀强度等级划分后,轻度、中度、强烈、极强烈的水土流失面积分别为1 132、189、227、16 hm2。在实施各项水土保持措施后,该区域的水土流失情况有所改善。水土流失面积为142 hm2,占地总面积为3.11%。由图5(b)可知,在水土保持措施实施后,该流域水土流失总面积比治理前下降约30.79%。表1为采用研究方法后的工程水土流失防治预期结果。

表1 工程水土流失防治目标与实际结果对比统计

由表1可知,该工程区属于南方红壤区,该项目区土壤侵蚀以微度侵蚀为主,土壤流失控制比不应小于1。同时,本项目位于水源附近,渣土防护率提高1%,林草覆盖率提高 2%。上述6项指标修正后,至设计水平年,防治目标值为水土流失治理度95%,土壤流失控制比0.95,渣土防护率96%,表土保护率 87%,林草植被恢复率95%。在经过研究方法治理后,水土流失治理度比标准值提高2%,渣土防护率较标准值提高1%,表土保护率较标准值提高1%。林草植被恢复率与林草覆盖率较标准值分别提高1%和3%。

3 结 论

为了解决大中型水库移民后期扶持项目工程的建设以及当地水土流失问题,本文设计了一种变渗径多骨料生态砼护岸,并针对各工程分区,提出了相应的水土流失防治措施。结果显示,在湿润情况下,VS-MEC护岸的每一层含水率均在36%～39%的范围内保持稳定。在30min的径流冲刷试验中,VS-MEC几乎不会发生溢流现象。水土流失治理度比标准值提高2%,渣土防护率较标准值提高1%,表土保护率较标准值提高1%。林草植被恢复率与林草覆盖率较标准值分别提高1%和3%。通过对先锋靠山渠进行整治,可有效提高其防洪排涝水平,降低洪涝灾害损失。