鹽城市區(qū)飲用水源生態(tài)凈化工程庫區(qū)生態(tài)堤防設(shè)計

朱冬舟，陸惠萍，倉基俊，商志清

（1.上?？睖y設(shè)計研究院，200434，上海；2.江蘇省鹽城市水利科學(xué)研究所，224000，鹽城）

江蘇省鹽城市區(qū)飲用水源生態(tài)凈化工程（簡稱“鹽龍湖工程”）位于鹽都區(qū)龍岡鎮(zhèn)境內(nèi)，蟒蛇河南岸，東側(cè)以通岡河為界，西南側(cè)以朱瀝溝及東渦河為界，工程建成后,水面積約3 040 畝（202.67 hm2）。鹽龍湖工程占地 3 342 畝（222.8 hm2），根據(jù)水生態(tài)凈化工藝布置，工程共分為預(yù)處理區(qū)、生態(tài)濕地凈化區(qū)、深度凈化區(qū)三個區(qū)塊，各區(qū)塊由外圍生態(tài)圍堤、庫區(qū)隔堤分割成三大既獨(dú)立又通過取水泵站、涵閘、溢流堰調(diào)節(jié)閘、配水閘及管理區(qū)等控制建筑有機(jī)統(tǒng)一的功能區(qū)。

本文主要討論生態(tài)堤防的設(shè)計，主要從堤線布置、斷面型式、堤頂結(jié)構(gòu)、護(hù)坡型式、地基處理及防滲處理等方面考慮。本工程堤防主要包括工程范圍內(nèi)的圍堤及各功能分區(qū)間的隔堤。堤防的工程等別為Ⅱ等，級別為2級水工建筑物。

一、堤防堤線布置

堤防堤線布置應(yīng)遵循以下原則：滿足防洪要求；滿足大堤邊坡穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定要求；滿足對內(nèi)、對外交通要求；滿足生態(tài)、環(huán)保及水土保持要求；滿足施工方便，盡可能減少臨時工程費(fèi)用等。

鹽龍湖工程區(qū)域外圍河道規(guī)模、功能各不相同，東、南兩側(cè)分別為非通航河道通岡河、五河，西側(cè)為朱瀝溝及東渦河，北側(cè)為蟒蛇河，朱瀝溝、蟒蛇河為規(guī)劃Ⅲ級航道，最高通航水位2.3 m，最低通航水位0.5m。上述河道泄洪流量差別較大?，F(xiàn)狀蟒蛇河北岸沖刷嚴(yán)重，南岸灘地較寬，灘地最寬處有30 m左右，河勢較為平順；朱瀝溝西岸淤積嚴(yán)重，東岸沖刷明顯，大部分堤岸已成直立陡坎，灘地明顯，河勢已不太平順；東渦河與朱瀝溝類似。三條主要河道均為通航河道，沖刷明顯，作為通航河道的堤防與水源地的圍堤，堤線必須進(jìn)行重新合理規(guī)劃。根據(jù)設(shè)計原則及上述實際情況，堤線布置設(shè)計中著重考慮了如下幾個方面。

1.外圍大堤

①外圍河堤堤線與外側(cè)河道功能、河勢流向相適應(yīng)。須確保一個河段河口寬度相近，且能平順銜接，避免出現(xiàn)突然放大或縮小的現(xiàn)象，通航河道同時滿足相應(yīng)規(guī)劃航道等級通航寬度、水深要求。朱瀝溝和東渦河沖刷嚴(yán)重，東岸為凹岸，有進(jìn)一步凹陷的可能，因此為了堤線與河勢相適應(yīng)，需避免堤線急彎產(chǎn)生水流、漩渦等現(xiàn)象，防止加重岸坡沖刷，對通航產(chǎn)生更大的安全隱患。

②堤線力求平順。根據(jù)實測斷面，對蟒蛇河、朱瀝溝和東渦河進(jìn)行了整體堤線走勢的布置，中間均采用圓弧平順光滑連接。對原堆堤上的舊水閘、舊泵站和舊橋梁等影響堤線平順的舊建筑物均予以拆除，拆除部分或以直線，或以圓弧與現(xiàn)大堤平順連接，使得外河通航河道水流平順，水庫內(nèi)側(cè)水力流態(tài)均勻，不出現(xiàn)死水區(qū)。

③充分利用現(xiàn)有堤防和有利地形。將圍堤盡量修筑在土質(zhì)較好、比較穩(wěn)定的灘地上，并留有適當(dāng)寬度的灘地作為戧臺，增加圍堤的穩(wěn)定性，減少填筑工程量及臨時工程措施。

④結(jié)合內(nèi)側(cè)各功能分區(qū)的庫容、工藝進(jìn)行布置。鹽龍湖工程外圍大堤外坡為外圍蟒蛇河、朱瀝溝等河道，內(nèi)坡側(cè)即為水源地三個功能庫區(qū)，堤線的布置不僅要滿足外圍河道的功能要求，更要滿足飲用水水源地工程的水生態(tài)凈化工藝要求，主要包括各庫區(qū)水流流態(tài)、流速、工藝、庫容、庫區(qū)灘面高程等要求。

2.庫區(qū)隔堤

根據(jù)水生態(tài)工藝布置，隔堤主要用于庫區(qū)分隔預(yù)處理區(qū)、生態(tài)濕地凈化區(qū)、深度凈化區(qū)三個區(qū)塊。其堤線走向首先根據(jù)功能分區(qū)確定，其次綜合考慮各功能分區(qū)工藝特點，根據(jù)水流流線、流場分布、流速、流量、對內(nèi)和對外交通、管理等因素進(jìn)行堤線布置，隔堤主要布置在原地面高程較低的稻田上，地形較簡單，為新填筑堤防，填筑高度約2.6m，主要考慮以下方面：盡可能使庫區(qū)內(nèi)水力流態(tài)平穩(wěn)均勻，避免出現(xiàn)紊流或死水區(qū)；滿足對內(nèi)、對外交通要求；滿足各區(qū)內(nèi)部運(yùn)行管理需求等。

二、堤防斷面型式設(shè)計

圍堤外側(cè)為通航河道，水庫占地有限，堤身占地不宜過大，結(jié)合以上特點以及水源地生態(tài)修復(fù)的要求，選擇斜坡堤和直立式防洪墻兩種堤型，各堤型的主要特點見表1。

方案二的直立式硬質(zhì)擋墻雖然斷面小，占地面積小，但不利于河道水生態(tài)修復(fù)，景觀效果差。生態(tài)堤防工程位于外圍大堤，作為市區(qū)飲用水源生態(tài)凈化工程的主要結(jié)構(gòu)，水生態(tài)修復(fù)是其主要目標(biāo)之一，因此，生態(tài)要求較高，生硬的直立防洪墻斷面不宜采用。方案一的斜坡堤不僅內(nèi)坡有草皮綠化，外坡面水上、水下均能給河道水土保持、水生態(tài)修復(fù)提供條件，突出親水、生態(tài)要求，體現(xiàn)濱水空間的開放性、生態(tài)性、景觀性和親水性，本工程的圍堤斷面設(shè)計，在滿足大堤防洪的前提下，結(jié)合水庫外圍河道水生態(tài)修復(fù)，盡可能阻斷河道水體富營養(yǎng)化發(fā)生條件，改善外圍河道水環(huán)境等方面綜合因素，庫區(qū)大堤均以斜坡式生態(tài)斷面作為設(shè)計斷面，為外圍河道水生態(tài)修復(fù)創(chuàng)造有利條件。因此，本工程選擇了方案一，邊坡系數(shù)為1∶3。結(jié)合圍堤布置原則，隔堤也采用斜坡式堤防。

表1 堤型斷面方案綜合比較

三、堤頂?shù)缆仿访娼Y(jié)構(gòu)及材料布置

圍堤與隔堤堤頂主要作為對外、對內(nèi)交通要道，滿足水庫運(yùn)行管理的正常需求，堤頂應(yīng)做硬化路面。常見的路面有水泥路面及瀝青路面。水泥路面價格便宜，耐久性好，但施工時間長，維修繁瑣，行駛舒適度較差；而瀝青路面施工時間短，維修簡單方便，行駛舒適度好，但造價高，維護(hù)費(fèi)高，使用年限短。考慮到水庫道路合計長度并不長，維修作業(yè)面小，運(yùn)行過程中應(yīng)急響應(yīng)要求高，決定外圍大堤采用瀝青路面，路面雨水收集后排入外圍河道。

圍堤堤頂寬10 m，作為外庫區(qū)連接外側(cè)的主要通道，瀝青路面寬度取7 m，滿足雙向單車道需求。設(shè)雙向2%橫坡排水，內(nèi)側(cè)路面雨水收集后經(jīng)排水管排入外圍河道，考慮到行車頻率及外河側(cè)為通航河道，兩側(cè)各設(shè)1.5 m綠化帶作為緩沖帶；內(nèi)部隔堤堤頂寬6 m，設(shè)雙向1.5%橫坡排水，采用素混凝土路面結(jié)構(gòu)，避免瀝青路面對水源地庫區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生安全隱患。

四、護(hù)坡型式設(shè)計

建設(shè)惠澤百姓的水利工程，堤防斷面的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念最關(guān)鍵，對此，鹽城飲用水水源地工程將傳統(tǒng)的單一水利功能同水生態(tài)、水景觀工程有機(jī)結(jié)合。外側(cè)蟒蛇河屬于Ⅲ級通航河道，朱瀝溝和東渦河為等外級航道，主要考慮船行波長期影響下的支護(hù)；隔堤基本為新筑堤防，主要考慮水土保持及水位變動區(qū)的防護(hù)。

圍堤外河側(cè)根據(jù)船行波長期影響范圍，護(hù)砌方案選擇兩種方案進(jìn)行比選。方案一：坡面采用漿砌石護(hù)坡，在船行波下滾高程設(shè)鋼筋混凝土導(dǎo)梁。方案二：船行波影響范圍坡面采用生態(tài)石籠護(hù)坡，在船行波下滾高程設(shè)生態(tài)石籠陣腳，在其外側(cè)拋石護(hù)腳。兩種方案優(yōu)缺點見表2。

表2 外河護(hù)砌方案綜合比較

方案二：石籠護(hù)坡、護(hù)腳具有生態(tài)性好、可水下施工、不影響河道通航等優(yōu)點，因此，本工程采用方案二，即外河坡面采用生態(tài)石籠護(hù)坡、護(hù)腳材料。主要結(jié)構(gòu)層為：石籠護(hù)墊厚300mm，下設(shè)土工布300g/m2一層，石籠護(hù)墊上側(cè)回填10 cm耕植土，坡面種植綠化，使水土保持及植物造景渾然一體。據(jù)此，鹽龍湖水源地堤防結(jié)構(gòu)在滿足水利工程功能的同時，巧妙地與自然、和諧、生態(tài)的兩岸景觀結(jié)合在一起。運(yùn)行過程中，在枯水位期，船行波的影響會使部分石籠護(hù)墊裸露，但是豐水期的重新淤積帶來肥沃土壤，水生植物或草皮重新自行生長、自然更替，更適應(yīng)自然規(guī)律。

圍堤庫區(qū)側(cè)及隔堤水位變動區(qū)也需進(jìn)行護(hù)砌，護(hù)砌同樣選擇以下方案進(jìn)行比選，方案一選擇生態(tài)石籠，方案二選擇生態(tài)磚。根據(jù)表2，生態(tài)石籠可以水下施工，有一定的柔韌性，適應(yīng)地形能力強(qiáng)，比生態(tài)磚有優(yōu)勢，所以庫區(qū)內(nèi)部也采用生態(tài)石籠護(hù)坡。但同時，庫區(qū)內(nèi)側(cè)有部分區(qū)塊建筑物集中，地形變化復(fù)雜，或者轉(zhuǎn)彎半徑較小，石籠網(wǎng)箱制作難以適應(yīng)不規(guī)則地形的變化，因此采用生態(tài)磚進(jìn)行防護(hù)，既滿足了抗沖刷要求，又起到了生態(tài)修復(fù)的作用。

五、地基處理

圍堤隔堤勘探深度范圍內(nèi)，主要軟土層有③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及第3A層粉砂夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。③層承載力特征值為65 kPa，直剪指標(biāo)C=12 kPa，φ=3.5°， 固快指標(biāo) C=15 kPa，φ=5.4°，3A層承載力特征值為 75 kPa，直剪指標(biāo) C=9 kPa，φ=19.8°。

經(jīng)過穩(wěn)定計算，圍堤外河側(cè)及隔堤預(yù)處理區(qū)、生態(tài)濕地凈化區(qū)側(cè)1∶3設(shè)計邊坡下，基本能滿足規(guī)范要求，但對局部淤泥較深及庫底挖深大的岸段如圍堤預(yù)處理區(qū)外側(cè)邊坡、圍堤及隔堤的第Ⅲ深度凈化區(qū)邊坡，因挖深達(dá)8.5 m，1∶3的設(shè)計邊坡不能滿足邊坡穩(wěn)定要求。

為滿足堤防穩(wěn)定要求，圍堤外河側(cè)堤防在0.50 m高程結(jié)合現(xiàn)有灘地，設(shè)置5～30 m的平臺種植水生植物，既提高邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)和消浪能力，又提高河道水生態(tài)凈化能力。圍堤及隔堤的第Ⅲ深度凈化區(qū)邊坡結(jié)合水生植物種植需要及庫區(qū)邊坡消浪需要，設(shè)置兩級平臺，平臺高程根據(jù)庫區(qū)水位及水生植物的生長要求確定，根據(jù)綜合分析，在2.20 m高程設(shè)置2 m寬消浪平臺，種植耐濕植物，在0.50 m高程設(shè)置寬20 m的挺水植物種植平臺，主要種植蘆葦、菖蒲等，這樣不僅增加消浪設(shè)施，而且增加了水生植物的種植面積，提高了穩(wěn)定水質(zhì)的能力，同時更有利于庫區(qū)邊坡穩(wěn)定。

六、防滲處理

作為飲用水水源地工程，防滲措施對水庫能否保證設(shè)計供水量至關(guān)重要。本工程根據(jù)各區(qū)特征水位及內(nèi)外水位差采用不同的防滲措施。圍堤預(yù)處理區(qū)、生態(tài)濕地凈化區(qū)處，庫區(qū)水位為2.00～3.40 m，外河常水位為0.91 m，內(nèi)外水位差較大，防滲要求更嚴(yán)格，通過對防滲效果、工程投資等方面進(jìn)行綜合比較，采用雙頭攪拌樁密排(樁徑 Φ600 mm，搭接 200 mm)；圍堤深度凈化區(qū)處，庫區(qū)水位為1.70 m，外河常水位仍為0.91 m，內(nèi)外水位差相對較小，因此采用壓密注漿防滲處理，注漿孔垂直堤軸線方向3排，孔距1.0 m,梅花形布置，孔深5.3 m。

隔堤兩側(cè)水位差較小，通過滲流穩(wěn)定復(fù)核，滿足滲透穩(wěn)定要求。在滲透穩(wěn)定安全的前提下，經(jīng)過隔堤土體的少量滲流，有利于水體凈化，可起到過濾凈化水質(zhì)的作用，因此隔堤不采取防滲處理措施。

七、結(jié) 語

鹽龍湖的堤防工程最大的創(chuàng)新之處就在于理念的轉(zhuǎn)變，堤身結(jié)構(gòu)、堤線布置、坡面材料、基礎(chǔ)處理等各環(huán)節(jié)緊扣生態(tài)設(shè)計理念，由過去的硬質(zhì)化堤防全部改變?yōu)樯鷳B(tài)堤防結(jié)構(gòu)，采用的生態(tài)自然斜坡為水生動植物及綠化提供必要的生長空間；堤頂?shù)缆方Y(jié)構(gòu)不僅滿足交通、日常運(yùn)行維護(hù)管理需求，更從水安全、水景觀理念進(jìn)行設(shè)計；采用生態(tài)理念，通過增設(shè)戧臺，不僅提高岸坡的穩(wěn)定性，有利于消浪,更為水陸植物提供布置空間；防滲處理根據(jù)水位差不同的特點選用經(jīng)濟(jì)、合理、可靠的處理方式，為水質(zhì)凈化創(chuàng)造條件。