王 端，馮 琴

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

0 引言

水利工程與可持續(xù)發(fā)展生態(tài)理念的結(jié)合不僅能夠強(qiáng)化其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，還能夠更好的保護(hù)環(huán)境，使水土資源在可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上開發(fā)、利用，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。因此，為解決生態(tài)環(huán)境問題，應(yīng)將可持續(xù)發(fā)展生態(tài)理念貫穿于水利設(shè)計(jì)始終，兼顧生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)發(fā)展的需求。

1 可持續(xù)發(fā)展生態(tài)理念相關(guān)概述

所謂可持續(xù)發(fā)展理念，是指有機(jī)整合生態(tài)文明理念與可持續(xù)發(fā)展的新型發(fā)展觀，立足于生態(tài)文明視角，遵循生態(tài)規(guī)律，從而依托于人與自然的和諧共處實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[1]。尤其是社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，在關(guān)注當(dāng)前與未來人與自然共融共生的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)社會(huì)生態(tài)文明理念，并有意識(shí)的在各個(gè)領(lǐng)域落實(shí)對(duì)自然環(huán)境的維護(hù)、采用低投入高產(chǎn)出的發(fā)展方式以及綜合協(xié)調(diào)管理等，以此實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

2 基于實(shí)例分析可持續(xù)發(fā)展生態(tài)理念下的水利設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

2.1.1 工程項(xiàng)目

某地區(qū)的山區(qū)河流（簡(jiǎn)稱“S 河流”）存在流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)勘察、調(diào)研發(fā)現(xiàn)，風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成主要是洪水對(duì)河流兩岸的侵蝕以及當(dāng)?shù)鼐用裆?、生產(chǎn)期間產(chǎn)生的各類污染物。本次水利設(shè)計(jì)主要圍繞生態(tài)護(hù)岸和生態(tài)濕地展開，旨在打造流域生態(tài)廊道，解決當(dāng)?shù)睾恿魑廴締栴}的同時(shí)實(shí)現(xiàn)水土資源的合理開發(fā)、利用。

2.1.2 流域現(xiàn)狀

作為當(dāng)?shù)睾恿鞯囊患?jí)支流，S 河流橫貫多個(gè)村莊，流域面積31.3km2，主河道長(zhǎng)14.8km，平均坡降為18.40%。污染現(xiàn)象主要出現(xiàn)在河流水體，一旦遇到雨水天氣，周邊的廢棄物堆積、大氣降塵、機(jī)動(dòng)車尾氣等將使雨水徑流中出現(xiàn)污染物，如重金屬、有機(jī)質(zhì)、懸浮固體等，還包括當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)期間的殘留在地表的化肥，最終匯入河流。

2.2 水利設(shè)計(jì)

從可持續(xù)發(fā)展生態(tài)理念的角度開展本項(xiàng)目工程的水利設(shè)計(jì)時(shí)，在將污染治理、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)等思維貫穿設(shè)計(jì)始終的同時(shí)，還應(yīng)注重水利工程各項(xiàng)原理以及規(guī)律的遵循，立足于上述現(xiàn)狀信息保證設(shè)計(jì)方案的可行性。

2.2.1 生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)

由于S 河流屬于山區(qū)河流，具有水位變化幅度相對(duì)較大、水流流態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn)，而且，在水位變化的情況下，河道也會(huì)隨之發(fā)生變化，在與當(dāng)?shù)厣絽^(qū)河流系統(tǒng)的相互作用下，生態(tài)護(hù)岸的關(guān)鍵要求之一是具有較高穩(wěn)定性[2]。尤其河岸邊坡，需滿足與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和諧融合、穩(wěn)固安全等要求，才能夠保證S 河流生態(tài)體系健康、平衡。

（1）護(hù)岸設(shè)計(jì)方案。在考慮S 河流復(fù)雜性特點(diǎn)的同時(shí)，還應(yīng)意識(shí)到水力沖擊、水腐蝕等對(duì)生態(tài)護(hù)岸這一水路交界處的影響，確保其具有較強(qiáng)抵御性和穩(wěn)定性。此外，立足于可持續(xù)發(fā)展生態(tài)理念的護(hù)岸還應(yīng)滿足陸生植被、水生動(dòng)植物、水陸兩生植被的生長(zhǎng)需求，營(yíng)造良好生命環(huán)境。因此，在S 河流生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)過程中，方案中盡量避免剛性結(jié)構(gòu)、剛軟結(jié)合構(gòu)件的使用，多以預(yù)制材料、天然材料為主，一方面減少二次污染，另一方面優(yōu)化護(hù)岸環(huán)境，強(qiáng)化其美觀性。

根據(jù)S 河流特點(diǎn)，結(jié)合環(huán)境現(xiàn)狀共提出兩種護(hù)岸形式，具體如下。

斜坡式護(hù)岸設(shè)計(jì)方案：在可持續(xù)發(fā)展生態(tài)理念下，設(shè)計(jì)方案包括迎水坡、護(hù)坡下方、護(hù)坡基礎(chǔ)。①護(hù)岸坡迎水坡坡比設(shè)計(jì)為1∶2，采用預(yù)制技術(shù)結(jié)合運(yùn)用生態(tài)預(yù)制塊護(hù)坡，為強(qiáng)化護(hù)岸生態(tài)性，打造健康的生態(tài)體系，生態(tài)孔內(nèi)填土并種上植物，主要選用馬尼拉草草籽。其中，護(hù)坡厚度與碎石墊層厚度分別為120mm 和150mm。②將土工布鋪設(shè)在護(hù)坡下，利用其反濾作用避免污染物進(jìn)入河流，堤身采用黏性土回填即可。其中，鋪設(shè)規(guī)格為300g/m2。③護(hù)坡基礎(chǔ)以C20 素混凝土為主，斷面尺寸設(shè)計(jì)落實(shí)為50cm×50cm，選用當(dāng)?shù)貕K石回填基礎(chǔ)開挖。斜坡式護(hù)岸設(shè)計(jì)方案斷面如圖1 所示。

圖1 斜坡式護(hù)岸設(shè)計(jì)方案斷面

復(fù)合式護(hù)岸設(shè)計(jì)方案：該方案采用重力擋墻技術(shù)方法，依托于M7.5 漿砌塊石砌筑直墻重力式擋墻。為使迎水面形成天然的凹凸?fàn)钍?，不?duì)迎水面開展露漿、勾縫作業(yè)，即外露出不露漿，為當(dāng)?shù)爻Ｒ姷霓ь愔参?、爬藤類植物營(yíng)造生長(zhǎng)環(huán)境。護(hù)岸的背水坡豎直設(shè)計(jì)，迎水坡坡比設(shè)計(jì)為1∶0.3，頂寬60cm。復(fù)合式護(hù)岸設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 復(fù)合式護(hù)岸設(shè)計(jì)

（2）計(jì)算護(hù)岸穩(wěn)定性。在對(duì)生態(tài)護(hù)岸穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)規(guī)范展開，首要任務(wù)是確定工程及建筑物等級(jí)。在《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252—2017）等文件的查詢下，本項(xiàng)目工程為Ⅴ等，相關(guān)建筑物級(jí)別為5 級(jí)。自后按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50386—2013）內(nèi)容計(jì)算護(hù)岸擋墻的抗傾覆穩(wěn)定性與抗滑性能[3]。由于S 河流的生態(tài)護(hù)岸長(zhǎng)度較大，因而圍繞具有代表性的斷面開展計(jì)算工作。所選樁號(hào)為K10+900，擋墻高度、基礎(chǔ)深度分別為2.5m、0.5m，、河床高程293.97m，P=10%設(shè)計(jì)洪水位295.47m。

關(guān)于擋土墻穩(wěn)定性的計(jì)算可通過式（1）得到：

式中：Kc——護(hù)岸擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f——摩擦系數(shù)，主要是指底板與堤基之間；∑W/∑P——面向墻體的全部垂直作用力/水平力的總和，kN。

關(guān)于擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算可通過式（2）得到：

式中：K0——護(hù)岸擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑Mv/∑MH——護(hù)岸擋土墻抗傾覆力矩與傾覆力矩，kN·m。

關(guān)于護(hù)岸擋土墻基底壓應(yīng)力的計(jì)算可通過式（3）得到：

式中：σmax、min——護(hù)岸擋土墻基底的最大/小應(yīng)壓力，kPa；A——擋土墻底板面積，m2；∑G——擋土墻垂直荷載，kN；∑M——擋土墻荷載作用于底板形心軸的力矩，kN·m；∑W——擋土墻底板截面系數(shù)，m3。

在容重方面，本項(xiàng)目工程的砌體容重（γ漿砌）和擋土墻填土容重（γ土）分別為25kN/m3和18kN/m3。在摩擦角方面，土體與墻背之間的（δ）和墻背回填土的等效摩擦角（?）分別為17.5°、35°。此外，擋墻基底摩擦系數(shù)強(qiáng)風(fēng)化層、全風(fēng)化層和砂卵石層分別為0.55、0.35、0.5。

在上述參數(shù)與計(jì)算公式的代入下，分別分析設(shè)計(jì)工況（兩種）和非常工況下的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)工況1：護(hù)岸擋土墻外部遭遇P=10%的設(shè)計(jì)情況（洪水），水深1.5m；設(shè)計(jì)工況2：項(xiàng)目完工期墻背完成填土作業(yè)，河內(nèi)側(cè)無水；非常工況：擋土墻外設(shè)計(jì)洪水水位下降，內(nèi)側(cè)地下水無法在短時(shí)間內(nèi)排出，出現(xiàn)0.5m 的水位差。在各種工況下，本項(xiàng)目工程護(hù)岸擋土墻穩(wěn)定性和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 護(hù)岸擋土墻穩(wěn)定性和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

現(xiàn)行的提防工程設(shè)計(jì)規(guī)范安全系數(shù)要求如表2所示。

表2 安全系數(shù)規(guī)定

經(jīng)過表1 與表2 的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，S 河流護(hù)岸邊坡穩(wěn)定性符合要求。

2.2.2 生態(tài)濕地設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)?shù)卣?guī)劃內(nèi)容，本項(xiàng)目工程還以生態(tài)濕地以公園為設(shè)計(jì)導(dǎo)向，旨在修復(fù)、重建濕地自然環(huán)境，將可持續(xù)發(fā)展生態(tài)理念深化落實(shí)至濕地生態(tài)營(yíng)建工程中，同時(shí)增設(shè)景觀休閑服務(wù)設(shè)施。針對(duì)本項(xiàng)目目前存在的污染現(xiàn)象，基于生態(tài)修復(fù)的濕地設(shè)計(jì)主要細(xì)化為3個(gè)部分，①水體凈化。充分利用當(dāng)?shù)赝嘶奶锕?、沼澤、荷塘、魚塘等，依托于人工濕地建設(shè)修復(fù)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。②修復(fù)植被群落。增加人工濕地的植被種類與覆蓋率，改善生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)動(dòng)植物多樣性的增加，滿足動(dòng)物棲息需求。③恢復(fù)濕地自我凈化和自然演替功能。打通水網(wǎng)，完善建設(shè)生態(tài)系統(tǒng)，豐富景觀、格局安全，實(shí)現(xiàn)和諧共生[4]。

為恢復(fù)濕地生態(tài)的多樣性，實(shí)現(xiàn)生態(tài)體系健康化循環(huán)運(yùn)作，應(yīng)從棲息和生物恢復(fù)的角度落實(shí)人工干預(yù)與管理，在該情況下，水利設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

分辨生態(tài)前置庫(kù)為何種植物的生長(zhǎng)區(qū)，以全面的勘察資料為基礎(chǔ)落實(shí)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。以本項(xiàng)目中的A 濕地為例，其規(guī)劃面積為350m2，水生植物為主。利用“現(xiàn)有植物+水生植物補(bǔ)種”等方式將水體中的部分有機(jī)物去除。表面流濕地1200m2，采用“改性土壤+礫石”基質(zhì)，結(jié)合運(yùn)用植被、微生物深層次處理前置庫(kù)來水，實(shí)現(xiàn)對(duì)無機(jī)磷等物質(zhì)的消除或降解。除此之外，設(shè)計(jì)230m2的清水涵養(yǎng)塘，負(fù)責(zé)水源清潔、涵養(yǎng)，依托于天然凈化作用促進(jìn)水環(huán)境恢復(fù)，為水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供良好自然環(huán)境條件。

3 水利設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)

在可持續(xù)發(fā)展生態(tài)理念下開展水利設(shè)計(jì)時(shí)，需將生態(tài)環(huán)境保護(hù)貫穿始終，兼顧水利工程建設(shè)的基本要求，實(shí)現(xiàn)水土資料的保護(hù)與開發(fā)。結(jié)合具體工程案例，水利設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)如下。

（1）達(dá)到最佳設(shè)計(jì)水平。以生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提升為主要目標(biāo)，做好當(dāng)?shù)厮?、土體土質(zhì)等環(huán)境信息的調(diào)研與勘察，為植被選擇奠定良好基礎(chǔ)，豐富水利工程生態(tài)環(huán)境的物種多樣性，使生態(tài)系統(tǒng)平衡、良性循環(huán)。

（2）注重設(shè)計(jì)層次性。在安全性與經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮下開展水利設(shè)計(jì)，立足于當(dāng)?shù)乜赡艹霈F(xiàn)的自然災(zāi)害，比如洪水、泥石流等，針對(duì)河道、邊坡現(xiàn)有問題設(shè)計(jì)護(hù)岸、擋土墻等，保證河流等區(qū)域的安全穩(wěn)固性[5]。

（3）重視堤岸設(shè)計(jì)。作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，水利設(shè)計(jì)涉及較多內(nèi)容，在可持續(xù)發(fā)展生態(tài)理念下，應(yīng)建立完善的河道與陸地生態(tài)系統(tǒng)，把握堤岸這一水陸界限，充分考慮防護(hù)性要求與綠化要求，強(qiáng)化邊坡、護(hù)岸穩(wěn)固性的同時(shí)優(yōu)化綠化景觀效果，為動(dòng)植物提供良好生長(zhǎng)、生存環(huán)境。

（4）加固微觀與宏觀視角。由于水利設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于保護(hù)中開發(fā)利用水土資源，所以宏觀視角是結(jié)合當(dāng)?shù)匾越?jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源需求比例，落實(shí)相關(guān)保護(hù)設(shè)計(jì)；微觀視角則注重水土資源的利用率，避免資源浪費(fèi)、污染等現(xiàn)象的發(fā)生，在兩者兼顧的基礎(chǔ)上開展水利設(shè)計(jì)，以此實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可持續(xù)發(fā)展生態(tài)理念是當(dāng)前水利設(shè)計(jì)工作的重要原則之一，可有效提升當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)水平，減少污染。在開展基于可持續(xù)發(fā)展生態(tài)理念的水利設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注重當(dāng)?shù)丨h(huán)境與情況的全面調(diào)研，以此設(shè)計(jì)穩(wěn)固的邊坡護(hù)岸、生態(tài)系統(tǒng)豐富的濕地等項(xiàng)目，恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)水利工程的可持續(xù)發(fā)展。