西干渠系统治理工程生态治河工程设计分析

严后山，韦富瀛

（荆州市水利水电勘测设计院，湖北 荆州 434020）

0 引言

河道在长期运行中会产生大量淤泥杂物，不仅会造成河道堵塞，而且还会对周围环境产生不良影响。此外，各种水利工程设施、建筑物都已经出现老化、功能性下降。为维护良好生态环境，保障河道的排水正常，发挥其防洪、灌溉等水利作用，加强对于生态治河工程设计的研究和分析是十分有必要的。

1 工程概况

西干渠属四湖流域主要排水干渠之一，是上区与中下区排水的重要通道。西干渠起于荆州市沙市区雷家垱，全长90.5 km，主要截排四湖中区沿长江高地的涝水。西干渠在监利县境内的全长为29.97 km。

西干渠监利段系统治理河道总长为44.153 km，其中包括西干渠、永东河、卫东河以及友谊河，两岸堤防总长度为87.506 km。为保障项目区防洪安全和粮食生产安全，通过对西干渠监利段的系统治理，使之形成完整的灌溉、排涝及防洪保护体系。

2 工程主要问题

西干渠系统工程区域的地下水类型为孔隙水，地表水与地下水均为碳酸型淡水。从整体上来看，水体对混凝土结构并没有腐蚀性，但是在干湿交替的情况下，会对钢结构产生较弱的腐蚀作用。此外，由于西干渠为20世纪60年代开挖的人工河，而且长期缺乏整治和清淤处理，两岸河堤不成型，河道内部的淤泥、生活垃圾等较多，整体生态情况较差。

经过对工程区现场进行勘察发现，治河工程的主要包括以下3个问题：①堤防外坡及河道岸坡主要为黏土或粉质黏土，局部为淤泥质土，因此河道的抗冲刷能力较弱，大部分岸坡和堤防外坡在长期水流冲击之下变形严重，坡面不成形，局部岸坡甚至已经出现了坍塌情况。②左右两岸堤顶大多欠高，堤身较为单薄，整体安全性较差。③渠道淤积严重，普遍淤积0.6～1.0 m，不能够满足该区域内正常行洪要求[1]。

3 生态治河工程设计思路

结合上述工程主要问题，在进行生态治河工程设计应从以下3个方面入手：①针对河道岸坡抗冲击能力差的问题，在实际进行工程设计时，需要对相应工程建筑物的地基承载力要求展开分析，并结合实际地基承载力情况，采取相应处理措施。如拆除重建或新建对于地基承载力要求不高的小型建筑物；对于少数地基为淤泥质土，土质软弱的建筑物，对其地基进行适当处理。②针对左右两岸堤顶欠高问题进行加高培厚处理。③针对河道淤泥堵塞严重问题，对西干渠拟治理段及其支流永东河和卫东河进行清淤处理，并对两岸坡进行修整。

除此之外，在进行河道整治的过程中，还应严格遵守以下设计原则：①河道的清理、挖掘，以及整坡等施工不能够改变河道的原始走向，并尽量不改变其原始地形、地貌等，同时为降低工程成本，应尽量减少填挖施工的工程量。②在满足过流需求的情况下，应尽量以现有堤线等加强对河道开挖宽度以及渠道开口的控制，尽量减少对土地的占用。③在保障河道过流能力的情况下，合理清除河道卡口[2]。

4 西干渠系统治理工程设计分析

4.1 河道清淤清障设计

结合工程区实际情况，此次西干渠系统河道治理工程需要进行全河段的清淤、岸坡疏挖整形施工，河道清淤清障总长为44.153 km，并按照设计断面进行清淤清障施工。

4.1.1 清淤

由于西干渠属于平原河流，因此整体河道纵坡相对较为平缓，当汛期外江水位较高时，通过泵站抽排的方式减小水流流速。当发生暴雨时，暴雨会携带大量的泥沙淤积在河道内部。此外，西干渠系统当中有部分河段是人工开挖形成的，因此其堤身的土质本身相对松散，堤岸土质也多为淤泥质土、粉质黏土等，在暴雨冲刷下，会进一步加剧河道淤积。而且，在西干渠系统成型之后，由于长期没有对其采取治理措施，多年的生活垃圾、农业污染，导致西干渠河床不断抬高，水质污染严重。对此，此次治理工程对整个西干渠系统进行全线清淤治理，将河底沉降多年的污染物、沿河垃圾以及河内的水草进行全面清理。

4.1.2 疏挖

疏挖工程设计主要包括以下两方面：①河道断面形式设计。在此过程中，需要充分根据西干渠水位流量情况、河道断面特征以及河道两岸的土地利用情况，科学合理进行断面设计，可采用多种断面形式。②岸坡整形。在进行岸坡整形设计的过程中，应结合周围地形和环境情况，在满足工程要求的基础上，尽可能减少翻动土壤的范围，避免由于河道岸坡不稳造成水土流失等情况。在实际进行岸坡整形设计的过程中，应尽量避免对原有地形、岸线的改变，仅针对河道内的岸坡进行整治。此外，还需要对边坡干渠的坡度进行控制，避免其坡度超过1:3，并设置亲水平台，按照1:2.5对支渠边坡进行控制。

4.2 渠堤加高培厚设计

结合西干渠系统实际情况，进行渠堤加高培厚设计，主要包括两个部分：①西干渠主线部分。②支渠部分。其中西干渠桩号19+650—0+000，采用的是“两级坡+平台+新建（恢复）堤顶道路”的形式，堤顶高程为设计水位加高1.0m，堤顶宽6m，坡比1:3，中间设置宽2.5 m平台，采用草皮护坡，堤顶设置混凝土道路。支渠部分主要包括永东河、卫东河以及友谊河3个部分，根据相关岸坡设计要求，其堤顶高程、堤顶宽、坡比设计情况如表1所示。

表1 渠堤加高培厚设计

4.3 堤顶道路设计

4.3.1 堤顶道路情况

西干渠新建和修复渠顶道路总长为26.575 km。其中新建部分长为5.4 km，破损修复部分长度为1.275 km，维修扩宽19.6 km，拆除重建0.30 km。西干渠渠顶为0.25m厚的C30混凝土路面，下设0.15 m厚的水泥土稳定层及0.10 m碎石垫层，道路两侧设0.2 m×0.3 m（宽×厚）路缘石，道路宽度为4.5 m。

4.3.2 堤顶高程计算

在进行堤防堤顶高程设计的过程中，需要严格按照国家相关规定对堤坝水位以上的超高数据进行计算，具体为设计波浪爬高与最大风雍水面高度以及安全加高之和。其中设计波浪爬高的计算公式见式（1）。

最大风壅水面高度的计算公式见式（2）。

式中：e——计算点壅水面高度，m；K——综合摩阻系数，取值为30；V——设计风速按计算波浪的风速确定，根据工程区常年风速情况，设计风速取值22.5m/s；F——由计算点逆风向量到对岸的距离，m；d——水域的平均水深，m；β——风向与垂直于堤轴线的法线的夹角，（°）[3]。

经过计算，得到西干渠e为0.002 m，因此在实际进行工程设计的过程中可忽略不计。最后，计算得到的西干渠安全加高值为0.6 m，超高值为1.0 m.

4.4 涵闸工程设计

西干渠包括多处小型涵闸工程，多是河道修建初期建设的，因此其设计标准较低，工程质量较差，而且在多年的运行下，老化十分严重，整体工程质量和功能都有所下降。对此需要对涵闸工程重新进行修建设计。在实际进行涵闸工程设计的过程中，主要设计参数包括抗滑及抗浮稳定安全系数、基底应力不均匀系数、挡土墙抗滑及抗倾稳定安全系数、沉降指标和渗径系数。结合案例工程项目实际情况以及国家相关设计规范，土基上沿闸室基底面抗滑抗浮稳定安全系数允许值以及闸室基底应力不均匀系数允许值参数如表2所示。结合西干渠实际情况，基本组合和特殊组合的抗滑安全系数都包括Kc和K0两种情况，其安全系数允许值在1.05～1.5，在实际设计过程中，最大基底应力要小于地基允许承载力的1.2倍。沉降指标方面，要求建筑物最大沉降量应小于15 cm，而且相邻建筑间的沉降差应不大于2 cm。渗径系数如表3所示。此外，还需要对涵闸流量进行计算，跨西干渠涵闸设计流量等于其控制面积乘以西干渠排涝模数。但是在实际进行设计的过程中，发现每座涵闸承雨面积不同，而且排区范围内调蓄面积也存在差异，若直接采用西干渠排涝模数进行涵闸设计存在一定不合理性，因此拆除重建涵闸需要采用10年一遇一日，暴雨三日排完的标准分别进行计算。

表2 允许值参数

表3 渗径系数

4.5 泵站建筑物设计

西干渠现存泵站共有9座，为外排小泵站，由于年久失修，结构破损，启闭设备、闸门等设备老化严重，而且无拦污栅。为解决上述问题，需要对泵站建筑物进行重新修建或者改造设计，以此确保泵站功能得以正常发挥。结合西干渠实际情况，设计拆除重建泵站7座，更新改造2座，重建11 kW机台18座。

本文以连福泵站为例，针对泵站建筑物设计展开探讨。连福泵站位于西干渠右2+175。泵站由主泵房、进出水渠、进出水池、自排闸、变电站等建筑物组成。由于常年运行，而且缺少维护保养，导致整个泵站的结构、设备问题十分严重，而且泵站内无拦污栅。因此，在此次治理工程中，简单的改造设计已经无法满足泵站运行需求，拟将该泵站进行拆除重建处理。结合工程实际要求，重建后的泵站设计流量为3.6 m3/s，灌溉模数为1.04 m3/（s·万亩），排水模数为0.38 m3/（s·万亩），灌溉面积为1.73万亩，排水面积为9.58万亩，主要设计内容为主泵房的重建设计。

结合主泵房实际情况，该泵房底板高程为20.5 m，长和宽分别为9.98 m和9.5 m。为保障整个主泵房受力均匀，主机组在其中采用对称布置方式，每台主机之间相距6.5 m，电机层高程设计为27.20 m。此外，还包括进、出水池设计，进、出水池的宽度均为2.5 m，高度分别为2 m和4 m，底板高程分别为20.5 m和23 m，并在上下游的位置分别设计一扇铸铁闸门，根据水池规格，铸铁闸门设计为边长2.5 m的正方形。整个主泵房的长度为9.5 m，宽度为4.5 m，高度为6 m，建筑面积为42.75 m2，整体为混凝土框架结构[4]。

5 结语

综上所述，由于不同河道的实际情况不同，因此其河道治理工程设计方案之间也存在较大差异。本文以西干渠系统为例，基于其本身土质、河道淤泥堵塞以及堤顶欠高等问题，有针对性地提出了相应工程设计思路，并在此基础上展开治理工程设计，主要包括河道清淤清障设计、渠堤加高培厚设计，涵闸工程设计、泵站建筑物设计以及堤顶道路设计，并对堤顶高程计算方式进行详细介绍。该设计方案实施后，西干渠的排涝能力、防洪能力都得到了大幅增强，保障了周边5个乡镇人口和农田的安全，有较好的国民社会效益和经济效益。