基于生態(tài)理念的防洪工程優(yōu)化設計分析

吳培軍，葛旭峰，徐繼銘

（1.江西省鄱陽湖水利樞紐建設辦公室，江西 南昌 330046；2.陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710000）

0 前言

城鎮(zhèn)防洪工程建設不僅要發(fā)揮水利工程的功效，而且要融入城鎮(zhèn)生態(tài)保護、園林景觀、建筑藝術等多種內(nèi)容[1-2]。近年來，隨著河道整治工程建設力度的加大，在實施過程中，截彎取直，占河占灘，束窄河床等現(xiàn)象屢見不鮮，一定程度上破壞了河流的自然生態(tài)。因此，將生態(tài)理念融入防洪工程的規(guī)劃、設計階段，恢復河流自然生態(tài)環(huán)境，維持河流系統(tǒng)生態(tài)和功能的多樣性，營造人水和諧、濱水宜居的水生態(tài)系統(tǒng)，成為近幾年各地在防洪工程建設中重點。

本工程充分結合工程地理位置和區(qū)域規(guī)劃的要求，遵從“恢復自然、生態(tài)優(yōu)先”的理念，在堤身加固、護坡及配套設施完善方面體現(xiàn)生態(tài)理念，并通過優(yōu)化堤防布置和結構型式，在解決防洪的同時兼顧景觀生態(tài)和市政交通，有效的改善了周邊生態(tài)環(huán)境，形成一個新的水利景觀，促進經(jīng)濟發(fā)展。

工程位于陜西南部某城鎮(zhèn)物流園區(qū)，是城市西北的門戶，附近交通條件便利，區(qū)位優(yōu)勢明顯。防護區(qū)位于饒峰河、珍珠河道及漢江交匯處，受三條河流來水影響，歷史上洪水災害頻發(fā)，每遇漢江2年一遇以上洪水就汪洋一片，防洪形勢嚴峻。

根據(jù)規(guī)劃，周邊物流園區(qū)總面積為54.7畝，到2020年總人口0.3萬人，國民生產(chǎn)總值2000萬元。通過對工程建設，使得物流園區(qū)防洪標準達到20年一遇，相應洪峰流量16000m3/s，在滿足防洪要求的同時，結合規(guī)劃，建設城鎮(zhèn)新區(qū)、物流園區(qū)及濕地公園，兼顧市政、交通的需要，改善區(qū)域環(huán)境，產(chǎn)生生態(tài)效益。

1 工程的生態(tài)理念

1.1 利用棄渣填筑料

本堤防工程需加高10～13m，填筑量近70萬m3（防洪工程回填量為23萬m3，城市建設回填量約47萬m3），填筑料的開挖、運輸對工程影響較大，填筑料及料場的選擇不僅是堤身斷面設計的依據(jù)，也是影響工程理念和投資的關鍵。經(jīng)過對周邊實地調(diào)查和試驗資料，綜合對比后，確定利用周邊高速公路隧洞的棄渣作為填筑料。高速公路隧洞采用光面爆破施工，新出石碴皆為棱角狀，其中5～80 mm的粒徑含量約占45%～60%，是堤身回填較好用料，儲量約100萬m3，滿足填筑要求（物理力學指標見表1）。通過棄渣填筑堤身，即解決了高速公路處理棄渣的問題，又為堤防工程提供了較好的填筑料，體現(xiàn)了生態(tài)理念。

表1 料場石渣物理力學指標匯總表

1.2 三維植被網(wǎng)生態(tài)護坡

三維植被網(wǎng)護坡是指利用活性植物并結合土工合成材料等，在坡面構建一個具有自身生長能力的防護系統(tǒng)，通過植物的生長對邊坡進行加固的一門新技術，具有固土性能優(yōu)良、消能作用明顯、網(wǎng)絡加筋作用突出、保溫促進植物生長等特點，可有效地解決巖質(zhì)邊坡、高陡邊坡防護問題。根據(jù)廠家及工程經(jīng)驗，三維植被網(wǎng)抗沖流速是一般植物防護的2倍，待植物生長茂盛時，能抵抗沖刷的徑流流速達6m/s。

本工程斜坡式土堤，臨水面設計坡比為1∶2.5，三維植被上部覆0.1m厚種植土以滿足植草覆蓋需要，下部設0.4m厚沙壤種植土滿足植物生長需要，種植壤土底面設置復合反慮土工布防止堤身填筑料滲流，土工布底部設置0.2 m厚砂卵石保護墊層防止土工布被回填石渣刺穿或頂破（見圖1）。

圖1 三維植被網(wǎng)護坡橫斷面圖

1.3 堤腳規(guī)劃公園

堤腳與下河路之間規(guī)劃為堤腳公園，面積2.4畝，配合建筑藝術設計，打造一個休閑場地；設計堤腳與現(xiàn)狀護岸之間規(guī)劃濕地公園，長度33~60m，結合園林景觀種植，為周邊群眾提供一個親水平臺。布置平面圖見圖2。

圖2 工程及堤腳公園平面布置圖

表2 防洪工程堤型方案比較表

2 堤型方案選擇及斷面型式優(yōu)化

根據(jù)饒峰河和珍珠河周邊地形和區(qū)域防洪要求，結合規(guī)劃用地范圍、地基承載能力、景觀效果和工程投資及優(yōu)缺點等選擇三種堤型斷面比較見表2。

通過上述三種堤型比較，綜合規(guī)劃用地范圍、場地限制和不同堤型斷面銜接以及后期規(guī)劃等，確定：饒峰河段采用斜坡式土堤斷面，珍珠河段采用C25鋼筋砼輕型扶壁式擋墻，其銜接段堤身斷面為“上部防浪墻+中部斜坡式土堤+下部輕型鋼筋砼擋墻”復合斷面。

（1）饒峰河段，設計堤線長度306m，斷面型式見圖3。

圖3 物流園區(qū)饒峰河斷面圖

（2）珍珠河段：設計堤線長度227m，高度13.5～14m，墻面板厚度0.6m（見圖4）。

圖4 物流園區(qū)珍珠河斷面圖

（3）珍珠河與饒峰河銜接段：設計堤頂長度85m，堤身斷面為“上部防浪墻+中部斜坡式土堤+下部輕型鋼筋砼擋墻”復合斷面。見圖5。

圖5 物流園區(qū)饒峰河與珍珠河銜接段斷面圖

3 堤防設計

3.1 沖刷計算和基礎埋深

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013）[3]附錄中D.2.2-1和D.2.2-2計算公式，平行岸坡沖刷計算公式如下：

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；U為斷面平均流速，m/s；

η為水流流速不均勻系數(shù)，m/s，可查附表D2.2；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關，取n=1/4～1/6。Uc為泥沙起動流速，m/s，按照規(guī)范附錄D.2.1-5張瑞瑾公式計算，中值粒徑d50=2～3 cm偏于安全本次取饒峰河遭遇20年一遇洪水計算新建堤防沖刷深度，計算成果見表3。

表3 新建堤防沖刷計算表

由表3沖刷計算成果表明，局部沖刷深度很小，但根據(jù)水工擋墻基礎和護岸腳槽埋置深度一般應不小于1.0m，考慮到本工程堤身高度較大確定基礎埋置深控制在1.0～1.5m。

3.2 堤防穩(wěn)定分析

3.2.1 斜坡式土堤及護岸穩(wěn)定分析

工程位于三條河流交叉口，主要受漢江水位影響，堤身滲流以漢江設計洪水漲落工況進行計算；整體穩(wěn)定計算選擇斷面高和坡面較陡的三個典型斷面,抗滑穩(wěn)定采用瑞典條分法。

堤身填筑土料、新近回填石渣和河床砂卵石均為非粘性土，計算工況典型斷面和不同時刻堤坡穩(wěn)定安全系數(shù)匯總見表4。

表4 工況2堤坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)匯總表

通過計算知，典型斷面各種運用情況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.2.2 輕型鋼筋砼擋墻穩(wěn)定分析

對不同高度扶壁式鋼筋砼擋墻選取4個典型斷面以及擋墻前后無水（工況1）和水位差0.5～1.0 m（工況2）兩種工況計算，并考慮墻自重、土壓力、車輛等荷載，計算結果見表5。

表5 鋼筋砼擋墻穩(wěn)定及應力計算成果表

由上表計算成果知，擋墻抗滑、抗傾穩(wěn)定系數(shù)、基底應力和應力比均滿足規(guī)范要求[4-5]。

4 結語

本工程結合實際情況和城鎮(zhèn)區(qū)域規(guī)劃，采取輕型鋼筋砼擋墻和斜坡式土堤以及兩者結合的斷面形式，既滿足了物流園區(qū)的防洪要求，又通過完善堤頂?shù)缆泛偷棠_濕地公園等基礎設施建設，為人們提供了一個親水平臺，產(chǎn)生生態(tài)效益，促進了區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展，為類似工程建設提供了借鑒。

[1]孫東亞，董哲仁.關于堤防工程規(guī)范中增加生態(tài)技術內(nèi)容的建議[J].水利水電技術，2005,36（3）:4-7.

[2]嚴飛.生態(tài)景觀型江堤設計理念在城市防洪工程中的應用[J].中國市政工程，2013,10:48-53.

[3]GB 50286-2013.堤防工程設計規(guī)范 [S].北京：中國計劃出版社，2013，5.

[4]GB/T 50805-2012.城市防洪工程設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2013，12.

[5]SL 379-2007.水工擋土墻設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2007，5.