华 杰

(江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029)

灌区是由水库、渠道、田地、作物组成的综合体，其在国民经济和社会发展中起着重要支撑作用[1- 2]。我国许多灌区由于建设时间较长，受当时技术限制，加上多年运营，老化失修严重，处于超期服役或带病运行状态，导致灌区水资源浪费严重，水资源利用效率低，经济效益大幅下降[3- 4]。因此，灌区生态化改造设计是现代灌区急需解决的问题[5]。

以水生态理论为基础，以建设生态灌区为出发点，在灌区现有配套设施基础上，对灌区进行生态化改造设计，提高灌区水资源利用效率，保证灌区可持续性发展。

1 水生态理论

水生态是生态科学与水利学相互渗透的交叉学科。我国生态学家马世骏等提出的社会-经济-自然复合生态系统理论认为，人类社会是一个以人的行为为主导、自然环境为依托、资源流动为命脉、社会体制为经络的社会-经济-自然复合生态系统[6- 7]，如图1所示。

图1 社会-经济-自然复杂生态系统

整个灌区空间范围内，以农业生产和人居环境质量为导向，以农业生物为主的各种生物成分和非生物成分组成复合生态系统，其包括农业生态系统、沟渠生态系统及水生态等。其水生态是将生态学原理纳入水利工程，一方面强调了水利工程建设过程中必须重视对水生态环境的影响；另一方面是以水生态修复为目的水利工程建设。因此，在人工-自然二元状态下的水资源系统的可持续性对灌区这一带有社会性质的复杂生态系统的发展起着重要支撑作用[8]。

2 潦河灌区生态化改造

2.1 潦河灌区概况

潦河灌区地处江西省西北部，宜春市东北部，位于宜春市奉新、靖安及南昌市安义三县境内，属修河支流潦河流域。灌区内总土地面积706.25km2，现有耕地面积48.3万亩(其中水田40.76万亩，旱地面积7.54万亩)，山地面积43.44万亩，其中果园林地5.39万亩，现有灌溉面积33.6万亩，实际灌溉面积25.4万亩。灌区内有7座引水大坝，灌溉工程由奉新南潦干渠、安义南潦干渠、解放干渠、洋河干渠、北潦干渠、西潦北干渠、西潦南干渠等7条主干渠、148条支渠、456条斗农毛渠组成，其中干渠总长151km，支渠总长439km，支渠以下斗、农、毛渠总长788.5km。各类渠系建筑物362座。

受工程建设时历史环境和经济条件所限，工程标准偏低、配套不全，加上年久失修，使灌区水利用系数逐年下降，灌区灌溉面积由33.6万亩下降到了现在的25.4万亩，属典型的工程型缺水灌区，急需对灌区进行续建、配套和节水改造建设。本次改造设计范围为西潦北干渠、安义南潦干渠及附属工程。

2.2 灌区现状及存在问题

灌区大部分工程建于上世纪五十年代末，目前灌区灌溉面积仅达到设计灌溉面积约45%。灌区主要存在以下问题：

(1)建设标准低。工程规模偏小或工程质量低，造成引水或供水不足，灌区用水量得不到保证；灌区渠道基本沿等高线布置，渠系及建筑物配套简单，设计标准低，施工质量差，工程大部分年久失修，普遍存在垮、漏、淤积、堵塞等现象，部分渠道已严重损坏，危及安全运行。渠系水利用系数低，输水损失较大。

(2)田间工程落后、不配套。

(3)灌溉制度落后，先进的节水技术、方式和措施得不到推广应用，水资源浪费严重。

(4)用水计量设施不配套，灌区水费征收制度急需改革，灌区运行调度缺乏科学性和合理性。

(5)灌区管理水平低。灌区管理沿用传统方式方法，经营方式单一，不能适应市场经济要求。

2.3 灌区生态化改造设计

针对灌区存在主要问题，基于水生态理论研究，以生态灌区为导向，对灌区水利工程进行生态化改造设计，其主要见容包括：对渠道进行开挖、削坡、断面整治，使其达到设计断面尺寸要求，渠顶高程达规范要求超高，渠道两侧边坡根据实际情况及生态要求采用不同的护坡类型。依据潦河地区工程经验，同时考虑打造生态灌区的迫切要求，选择生态挡墙对渠道进行衬砌，具体见表1。

西潦北干渠桩号11+087～11+626段主要为填方渠道，局部为半挖半填方渠道，渠道两侧为农田，且渠岸冲刷淘蚀倒塌严重，设计采用重力式挡墙护岸，渠底设采用现浇混凝土护底，墙顶以上采用联锁式生态护坡。联锁式生态护坡具有全方位的连锁效果，护坡砖类型统一，可透水，减少基土内的静水压力，防止出现管涌现象，同时具有抗冻融、耐腐蚀性，人工铺设，施工方便快捷，易维护、经济，如图2所示。

图2 联锁式生态护坡及示意图

西潦北干渠桩号12+916～13+533段主要为傍山渠道，主要为左傍山挖方、右半挖半填方或填方渠道，大部分渠段杂草丛生，渠岸冲刷淘蚀倒塌及淤塞易造成过水断面较窄。由于为傍山渠道，易产生塌方、滑坡，存在安全陷患。考虑该段渠道位于穿越人类活动密集的山下村，结合水生态美观需求，该渠段采用自嵌式生态挡墙护岸，下设C25混凝土基础，墙背厚30cm內用级配碎石回填。

安义南潦干渠桩号19+400～20+100段以傍山为主，一侧为挖方，另一侧以半挖半填方渠道为主，局部填方，其中山沟或低洼处左、右岸均为半挖半填方渠道。大部分渠段杂草丛生，渠岸冲刷淘蚀倒塌及淤塞易造成过水断面较窄，考虑该段渠道位于人类活动密集区，结合水生态美观需求，该渠段采用自卡锁生态挡墙护岸，下设C25混凝土基础，墙背厚30cm內级配碎石回填。

自嵌式生态挡墙、自卡锁生态挡墙及常用浆砌块石挡墙的结构及特点[9- 10]，见表2。

针对西潦北干渠和安义南潦干渠采用的生态挡墙护坡——面板加筋土挡土墙，选取安义南潦干渠桩号20+000作为典型断面对生态挡墙稳定性进行计算。

表1 渠道生态化改造设计

表2 生态挡墙结构及特点

2.3.1 内部稳定性计算

(1)筋带抗拉强度

作用于墙面板上的水平土压力按式(1)计算公式为：

∑σEi=σzi+σai+σbi

(1)

式中，σzi—加筋土填料作用于深度zi处墙面板上的水平土压应力，kPa；σai—车辆(或人群)附加荷载作用于深度zi处墙面板上的水平土压应力，kPa；σbi—加筋体顶面以上填土重力换算均布土厚所引起的深度zi处墙面板上的水平土压应力，kPa。

筋带截面的抗拉强度应符合式(2)要求为：

γ0Ti0≤Afk/(1000γfγR2)

(2)

式中，A—筋带截面的有效净截面积，mm2；fk—筋带材料强度标准值，MPa；γf—筋带材料抗拉性能的分项系数，取γf=1.25；γR2—拉筋材料抗拉计算调节系数，取γR2=2.0。

计算结果见表3和表4。筋带材料强度标准计算最大值fk为40.31kN/m，选用的单向拉伸塑料土工格栅拉力Ts=60kN/m，筋带材料强度满足要求。

(2)筋带抗拔强度

根据生态挡墙设计断面的结构尺寸，初拟筋带总长2.5m，其中入土长2.1m。通过土工格栅所受压力及其与填土之间的摩擦系数，计算筋带可产生的抗拔力及筋带有效锚固长度，验算设计筋带长度是否满足要求。

一个筋带结点的抗拔稳定性按下式验算：

γ0Ti0≤Tpi/γR1

(3)

Ti0=γQ1Ti

(4)

(5)

Ti=SxSy∑σEi

(6)

式中，γ0—结构重要性系数，取0.95；Ti0—zi层深度处的筋带所承受的水平拉力设计值，kN；Ti—zi层深度处的筋带所承受的水平拉力，kN；∑σEi—在zi层深度处，面板上的水平土压应力，kPa；γQ1—加筋体及墙顶填土主动土压力或附加荷载土压力的分项系数，取1.4；Tpi—永久荷载重力作用下，zi层深度处，筋带有效长度所提供的抗拔力，kN；γR1—筋带抗拔力计算调节系数，取γR1=1.4；Sx—筋带结点水平间距，m，取1.0m；Sy—筋带结点垂直间距，m；f′—填料与筋带间的似摩擦系数，取0.25；bi—结点上的筋带总宽度，

表3 施工期筋带所受拉力

表4 设计洪水期筋带所受拉力

表5 施工期筋带抗拔力及长度计算表

表6 设计洪水期筋带抗拔力

m；Lai—筋带在稳定区的有效锚固长度，m。

计算筋带抗拔力时，不计基本可变荷载的作用效应。计算结果见表5和表6。

由计算结果可知，设计的筋带总长度均大于计算要求的筋带总长度值，满足规范要求。

2.3.2 外部稳定性计算

生态挡墙的稳定应力分析考虑设计洪水位及施工期墙前无水两种情况，按墙体自重、水压力、浪压力、扬压力、土压力及土重等荷载的不同组合，分析墙体的抗滑、抗倾稳定性，并核算地基承载力。

(1)抗滑稳定验算

KC=f∑G/∑P

(7)

式中，Kc—抗滑稳定安全系数；∑G—垂直荷载之和；∑P—水平荷载之和；f—墙与地基土的摩擦系数。

(2)抗倾稳定验算

K0=∑M1/∑M2

(8)

式中，K0—抗倾稳定安全系数；∑M1—抗倾力矩；∑M2—倾覆力矩。

(3)墙底应力验算

σ=∑G/A+6∑M/B2

(9)

式中，σ—墙底的最大、最小应力,kPa；∑M—所有作用力对基础面形心的力矩总和,kN·m；A、B—墙底单宽面积和基底宽度,m2、m；∑G—垂直荷载,kN。

挡墙稳定应力计算结果见表7。由计算结果可知，生态挡墙的稳定及应力均满足规范要求。

3 结语

生态化改造是灌区水利工程可持续发展的重要措施。针对江西潦河灌区建设标准低、水利工程老化、灌溉制度落后等问题，以生态学理论为基础，在灌区现有配套设施基础上，对灌区进行生态化改造设计，即西潦北干渠11+087～11+626段墙顶以上采用联锁式生态护坡，12+916～13+533段采用自嵌式生态挡墙护岸；安义南潦干渠19+400～20+100段采用自卡锁生态挡墙护岸。生态灌区建设一方面提高了灌区水资源利用效率，保持灌区水土资源平衡；另一方面改善了灌区生态环境，增加生态多样性，促进灌区可持续、和谐发展，对我国灌区的生态化改造提供科学依据。

表7 挡墙稳定应力计算结果