淺談水壩的生態設計

鄭穎

重慶市水利電力建筑勘測設計研究院有限公司 重慶 401121

隨著人類對大壩建設認識的加深，人類不再滿足于單一的、務實的、傳統的思維方式，人們正在從新的角度重新思考大壩建設帶來的許多問題。國家逐漸注意到大壩對生態系統的負面影響，呼吁大壩工程可持續發展的聲音越來越多。人們的注意力逐漸集中在水壩對環境的影響上，隨著人類文明的發展，水利水壩工程也取得了巨大發展。人類文明的過程基本上依附于水資源，水資源促進了人類文明，人類文明反過來在現代工程的道路上促進了水利工程的發展[1]。大壩是在原始河流的生態環境變化的基礎上建造的，其建設會影響到河流及其周圍的環境，做好水壩的生態設計至關重要。

1 水壩工程存在的風險

1.1 地基風險

預防風險的關鍵是適當的安全監控，對監控數據進行及時、定期的分析和比較，如果在某些指標中發現任何異常，則需要對其進行維護并及時進行處理，否則會有風險。大壩安全監控基于數據整理分析和風險分析研究，需要檢查和審查大壩的實際滲壓場，以了解建筑物和地基的穩定性、應力、滲漏、滲壓和沉降等，用于監控設施和測量的管網。如果壩體和壩基中出現裂縫、滲水或異常浸潤線等情況，則壩基的估計泄漏量將增加，測得的泄漏量將超過標準，水將流到壩的下游。如果事先做了正確準備，請根據預警計劃對危險進行科學的處理。

1.2 洪水風險

當大壩泄洪時，有多股水流或對河床產生沖擊，在空中產生沖擊，或發生漩渦狀的沖刷和沖刷回流，威脅到了大壩區域和下游，可以對下游沖刷形成各種深度，在這方面，各方都需要高度重視。工程實踐要求使用堅硬的河床墊層或其他有效的耗能設施，通過分析和計算各種洪水的發展，獲取淹沒區域內主要部分和區域的淹沒圖、水位、流向和深度風險圖，包括釋放各種量級的泄洪時噴流造成的淹沒，這樣可以修改和優化樞紐布置的原始設計[2]。洪水使該地區的水流方向和流態難以識別，從而使進一步調查變得困難。通過模擬洪水演變進度計算，可以獲得區域大壩水位和水流勢態的相關剖面圖、平面圖和風險圖，以供將來的城市規劃參考。

2 水壩工程生態設計

濾壩設計追求沿軸線的平滑，變化的斷面連接平滑。壩體方向與原河道流向一致，折線和急彎是不合適的。濾壩將原庫區分為水道和生態湖區兩部分，控制壩址選擇，使河道達到五十年一遇洪水標準，河道寬度在140米以上。樹立親水理念，營造人與自然和諧相處的水環境。經過反復優化和布局，濾壩被選定在水庫中心以東，大壩軸線與水庫右岸基本平行，并在濾壩兩端安裝排水管。

2.1 壩基處理

某水壩項目的基礎主要是淤泥層，其主要物理性質是大量的細顆粒和大量的深灰色有機腐殖質，其自然水分含量為40%至70%，另外一些超過70%并且孔隙率為1.0，機械性能是低強度、高可壓縮性和低滲透性。由于粉砂土的承載力低，可壓縮性高，滲透性低，因此難以滿足地基的設計要求，因此需要進行處理。由于開挖的淤泥量大，施工不便，因此采用兩層雙向土工格柵和填料處理壩基。雙向土工格柵具有較高的抗拉強度，較高的摩擦系數，優異的抗蠕變性，較低的變形率和牢固的網絡結構[3]。通過在土壩底部鋪設土工格柵和砂卵石以形成加固墊層，可以保持基礎的完整性和連續性，抑制淺層基礎的軟土地基的側向變形，并消除位移和應力場。軟基礎的淺層部分已得到改善，可以改善應力分布，提高基礎的承載能力和穩定性，并針對不均勻沉降進行調整。具體方法是首先在底部放置一層雙向土工格柵，并用0.5米厚的沙子和卵石填充，然后再鋪一層雙向土工格柵。某生態水壩設計圖如圖1所示。

圖1 某生態水壩設計圖

2.2 大壩設計

考慮到當前地形和水庫區域的水流方向，水壩軸線被設計為沿水流方向彎曲，水壩主體考慮行人和景觀將水庫區域分開。壩體和格柵填料均由沙子制成，卵石的相對密度為0.65或更高，密實度為0.90或更高[4]。當河水通過水壩進入湖泊區域時，由水壩的沙子和卵石填充物形成的過濾介質會阻塞水中的懸浮物，分解并減少水中的有機物，其他污染物的含量降低了大壩后面水的濁度和水的顏色。

2.3 壩頂路面設計

生態大壩的外殼充滿了大石頭，這是一種完全滲透或高度滲透的填料。對于相對不透水的壩基，可采用心墻壩來防止壩體滲透。心墻可以是粘土心墻、復合土工膜心墻和瀝青混凝土心墻。斜墻也可用于防止滲透，對于斜墻，可采用粘土斜墻和復合隔音斜墻壩[5]。對于透水壩基，宜采用復合隔音斜墻和水平墊層，以防止滲透。如果壩址上下游有粘性土材料，出于經濟考慮，可優先使用粘土芯土防滲體。但是，由于土壤防滲材料的粒徑遠小于堆石的孔隙，因此在接觸區容易發生防滲材料的滲透變形，需要設置有效反過濾的墊層。

大壩表面的寬度為3.6米，泥巖路面的厚度為30厘米，泥巖路面的材料為粘土、礫石和碎石塊，道路兩側固定有矩形水池，種植了兩排灌木。泥石路面和大壩頂部需要在大壩上部的沉降基本完成后進行綠化[6]。某水壩一側生態設計如圖2所示。

圖2 某水壩一側生態設計

路面施工過程應在壩體沉降后進行，當過濾壩的上游部分實際運行時，會受到水流的沖刷，這會導致壩腳被水沖刷，從而導致沖刷坑問題和地基不均勻沉降。為了確保過濾壩的安全可靠運行，兩排圓形石籠護坡腳對于上游壩頭端樁號在0+000和0+140之間以及上壩腳的位置有效，應設置在河邊。石籠的直徑應為502毫米。石籠中應填充滿適當的碎屑，石籠必須用鐵絲完全連接，內部的石籠和土工格柵必須用鐵絲連接。當河水穿過濾水壩并進入湖泊區域時，濾水壩本身中的沙子和礫石填充物可以形成更多的過濾介質，并有效地過濾懸浮物質。在運行過程中，壩體形成一個微生物膜，該膜吸附有機物并分解水中有機物和其他污染物，從而降低了壩體過濾后水的濁度，并保證了正常的水質指標，可以有效改善水景觀以滿足需求。

2.4 大壩邊坡設計

大壩的建筑材料是沙子和卵石，沙子和鵝卵石之間的摩擦角為42度。在自然堆積物中，沙子和卵石的陡度小于1:1.5。根據工程特點，坡比為1:2.5，采用聯鎖混凝土砌塊邊坡防護，每平方米300g土工布過濾，土工布和聯鎖磚之間有10c米礫石層，聯鎖磚和泥土路面在頂部通過混凝土壓力連接，土工格柵在大壩上，從基礎層向外延伸。用沙子和小卵石包裹起來，形成大壩的坡腳，然后用砂漿和石料打底。將聯鎖的混凝土砌塊連接到土工格柵包裹的沙子和礫石斜坡的坡腳，防止大壩斜坡上的混凝土砌塊由于重力而滑落。

聯鎖混凝土砌塊的厚度和質量應設置為100毫米和13.62千克，開孔率應設置為25%，抗壓強度應超過27.5米Pa。聯鎖混凝土砌塊的邊坡防護和泥石路的位置均由C20混凝土澆筑料連接，大壩底部應采用土工格柵，并應延伸沙子和卵石以形成壩腳，包裹的長度在主河道一側應為1米，高度應在0.5米之內。米7.5砂漿砌筑基礎在促進聯鎖混凝土砌塊的邊坡防護中的應用可以有效地與包裹在土工格柵中的砂礫和碎石坡腳相連接。另外，需要防止大壩斜坡上的混凝土塊在重力作用下不會滑落。在填充壩腳土工格柵并包裹沙子和卵石坡腳的過程中，坡腳的外邊緣應稍高一些，并從外到內形成恒定角度，以避免出現基座沿著網格滑動等現象。此外，應在坡腳外緣沿壩腳打一排松樹樁，以確保水壩腳的整體穩定性。用鐵絲和一根木棍將土工格柵綁在斜坡腳的位置，主要目的是確保它構成一個完全連接的整體。樁的距離為0.5米，深度為1.5米，使網格頂部與坡腳平行，樁的直徑設置為10厘米，樁的長度設置為2米。

2.5 大壩的上游和下游連接

為了減少沖刷對大壩與壩兩側的碼頭之間的接觸面所造成的損害，將核心墻插入大壩上游和下游水頭處的碼頭中，并且將兩側的墻牢固地連接至碼頭。具體方法是沿軸心用砂漿砌塊砌筑心墻，同時開挖齒槽，將心墻插入岸壁的齒槽中，并在兩側打成兩排木樁。

3 結語

綜上所述，生態慮水壩可以對河道水體進行凈化，并且具有較好的截污能力，可以緩減上游污染物對下游河道水體的污染，可以更好地用于有效改善河流的水環境。在實施項目之前，需要測試部分水過濾項目。主要目的是充分理解河水被沙子和小卵石過濾后的基本水質狀況。同時，需要加強濾水區的總體規劃，以利于項目的正常建設。具有生態滲透性的水壩對農業面源的阻斷能力極強，在雨季可作為調節池塘的水庫，并為隨后的人工濕地提供出色的抗沖擊性。