新開西河生態(tài)護(hù)岸工程設(shè)計(jì)探析

曹 崢

(遼寧石佛寺供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110001)

1 概述

新開西河位于大洼區(qū)北部，南北走向，下游河口與南河沿河相連，是區(qū)內(nèi)主要的排澇和灌溉蓄水河道。旱季可通過沿線抽水站抽水灌溉；汛期可通過開啟擋潮閘進(jìn)行澇水自排，當(dāng)遼河水位相對(duì)較高時(shí)，可通過南沿河和南沿河排灌站進(jìn)行機(jī)排。河道全長(zhǎng)約17.65km，現(xiàn)狀河底寬8～23m，河口寬14～30m，邊坡1∶1～1∶2.0，比降1/20000。兩岸多為農(nóng)田及村莊，部分段河道已種植楊樹，河道交叉建筑物較多。

2 岸坡工程現(xiàn)狀

項(xiàng)目區(qū)河道屬于平原地區(qū)，地勢(shì)較為平坦，岸坡基本為自然土坡，未做任何防護(hù)，迎流頂沖部位經(jīng)過多年雨水沖刷，現(xiàn)狀岸坡不整，水土流失嚴(yán)重，威脅到河堤的安全。

岸坡整治工程本著全面規(guī)劃、綜合治理的原則，根據(jù)工程區(qū)內(nèi)現(xiàn)有護(hù)坡、護(hù)岸布置，協(xié)調(diào)上下游、左右岸關(guān)系，確定防沖保護(hù)區(qū)域。據(jù)工程區(qū)保護(hù)范圍，考慮地形、河勢(shì)發(fā)展、洪水流向、流速、基礎(chǔ)土質(zhì)、規(guī)劃要求、周邊環(huán)境等因素，通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，河道按護(hù)岸工程盡可能利用現(xiàn)有地形，修筑在較穩(wěn)定的灘岸上，并盡可能避開軟弱地基、深水地帶、古河道、強(qiáng)透水地基。在滿足防洪前提下合理確定河寬，盡量減少占地、房屋拆遷，并利于防汛搶險(xiǎn)和管理的情況下布置。

3 護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 護(hù)岸型式比選

針對(duì)上述存在問題擬溝河兩側(cè)迎流頂沖部位岸坡進(jìn)行護(hù)砌，以保證河道順暢、岸坡安全穩(wěn)定。溝河的護(hù)岸，主要以安全、穩(wěn)定、景觀、生態(tài)、自然親水性的完美結(jié)合，選擇適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)型護(hù)岸結(jié)構(gòu)和護(hù)岸材料，對(duì)著力構(gòu)建親水型防洪減災(zāi)、自然型生態(tài)修復(fù)、景觀型岸線利用為重點(diǎn)的生態(tài)護(hù)岸型式具有重要意義。常見的護(hù)岸型式主要有坡式護(hù)岸、壩式護(hù)岸、墻式護(hù)岸、樁式護(hù)岸、生物護(hù)岸等，根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則結(jié)合實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)擬選擇坡式護(hù)岸、墻式護(hù)岸進(jìn)行比選。

方案一：河底至設(shè)計(jì)水位+0.5m采用1∶2的聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊護(hù)坡，坡腳設(shè)C20素混凝土鎮(zhèn)腳，0.4m×0.6m(深×寬)，坡頂設(shè)C20素混凝土壓頂，0.3m×0.5m(深×寬)，設(shè)計(jì)水位+0.5以上至地面采用1∶2的三維植被網(wǎng)護(hù)坡，地面布置景觀帶，斷面結(jié)構(gòu)布置型式見圖1。

方案二：設(shè)置親水平臺(tái)，親水平臺(tái)上布置仿木欄桿，平臺(tái)下采用1∶2的聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊護(hù)坡，坡腳設(shè)C20素混凝土鎮(zhèn)腳，0.4m×0.6m(深×寬)，坡頂設(shè)C20素混凝土壓頂，0.3m×0.5m(深×寬)，平臺(tái)至地面采用1∶2的三維植被網(wǎng)護(hù)坡，地面布置景觀帶，斷面結(jié)構(gòu)布置型式見圖2。

方案三：河底至地面采用直立式擋墻，墻頂設(shè)0.5m×0.2m(寬×高)的C20素混凝土壓頂，墻身為M10漿砌石，背水側(cè)坡度為1∶0.5，底部為厚0.5m的C20素混凝土底板，底板向臨水側(cè)、背水側(cè)各延伸0.5m，底板下做0.1m厚的碎石墊層，地面布置景觀帶，斷面結(jié)構(gòu)布置型式見圖3。

圖2 方案二斷面結(jié)構(gòu)布置型式

圖1 方案一斷面結(jié)構(gòu)布置型式

圖3 方案三斷面結(jié)構(gòu)布置型式

三種方案優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

三種方案(每延米)工程量及投資比選見表2。

根據(jù)方案比選結(jié)果，從生態(tài)、景觀效果及施工、技術(shù)實(shí)用和工程投資等方面綜合考慮，并結(jié)合治理河道多、范圍廣的特點(diǎn)，本次河道護(hù)岸型式主要采用方案一。

表1 護(hù)岸型式優(yōu)缺點(diǎn)比選

表2 三種方案(每延米)工程量及投資比選表

3.2 護(hù)坡材料選擇

常見的護(hù)坡材料有草皮、三維植被網(wǎng)、砌石、現(xiàn)澆混凝土、生態(tài)混凝土預(yù)制塊、生態(tài)袋、模袋混凝土等。綜合考慮河道地形、地質(zhì)、水流、工程造價(jià)、施工條件和河道總體布置等因素，結(jié)合近年來河道整治工程中取得的成功經(jīng)驗(yàn)，迎水側(cè)斜式護(hù)坡結(jié)構(gòu)選擇草皮護(hù)坡、砌石護(hù)坡、生態(tài)砌塊護(hù)坡、混凝土預(yù)制塊護(hù)坡、生態(tài)袋護(hù)坡等幾種常見的護(hù)坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。

(1)草皮護(hù)坡：造價(jià)最低，但易受人畜破壞，且抗沖刷能力差，不宜用于存在急流的岸坡迎水面。

(2)三維植被網(wǎng)護(hù)坡：三維植被網(wǎng)護(hù)坡對(duì)邊坡的穩(wěn)定極為有利，防護(hù)效果非常好。近年來出現(xiàn)的三維植被網(wǎng)護(hù)坡技術(shù)不僅顯著提高了邊坡的整體和局部穩(wěn)定性，而且有利于邊坡植被的生長(zhǎng)，同時(shí)工程造價(jià)較低?？梢员３植葑丫鶆虻姆植荚谄旅嫔?，免受風(fēng)吹雨淋而散失。網(wǎng)墊能大量吸收熱能、增強(qiáng)地溫、促進(jìn)草籽發(fā)芽、延長(zhǎng)植物的生長(zhǎng)期。植物生長(zhǎng)起來形成的復(fù)合保護(hù)層可經(jīng)受高水位、大流速的水流沖刷。

(3)砌石護(hù)坡：包括干砌石護(hù)坡、漿砌石護(hù)坡等。砌石護(hù)坡一般能就地取材，充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，由于塊石表面粗糙不平，與水體之間摩擦大，能夠起到一定的消浪作用，同時(shí)砌石護(hù)坡本身能很好的經(jīng)受風(fēng)浪水流沖刷，其中干砌石適應(yīng)變形能力強(qiáng)，漿砌石較差。但不能機(jī)械化操作，受當(dāng)?shù)夭馁|(zhì)、石料尺寸影響大，護(hù)砌厚度難以保證，且漿砌石將坡面完全封閉，隔絕了坡面與水體間的聯(lián)系，生態(tài)和景觀效果較差。

(4)六菱塊護(hù)坡：造價(jià)略高，但整體性好，強(qiáng)度高，本身受風(fēng)浪水流的影響小，能機(jī)械化施工，工期短；因其表面平滑，消浪作用小，對(duì)堤坡變形適應(yīng)性較差，如開孔種植草皮，需在護(hù)坡下設(shè)置反濾層和土工布防止邊坡土體的掏空，草皮覆蓋率也較低。

(5)生態(tài)袋護(hù)坡：整體受力，穩(wěn)定性好，對(duì)沖擊力有很好的緩沖作用，抗震效果好，適應(yīng)地基變形性好，施工方便，生態(tài)及景觀效果好；但造價(jià)較高，且抗沖刷能力稍差。

(6)聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊護(hù)坡：聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊是由干硬性細(xì)石混凝土經(jīng)全自動(dòng)混凝土成型機(jī)高速振動(dòng)加高壓制成，每個(gè)砌塊與周圍砌塊共同聯(lián)鎖咬合固定，形成整體性護(hù)坡，聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊通常采用開孔型護(hù)坡磚，并在混凝土中添加了醋酸纖維等高分子物質(zhì)，有助于種植植被，綠化護(hù)坡，增強(qiáng)水體的自凈能力，改善河道水質(zhì)，聯(lián)鎖式生態(tài)砌塊將水、河道、岸坡植被連成一體，在自然地形、地貌的基礎(chǔ)上，建立陽光、水、植物、生物、土體、護(hù)坡之間的河道生態(tài)系統(tǒng)。

(7)模袋混凝土護(hù)坡：模袋混凝土護(hù)坡技術(shù)由于具有施工簡(jiǎn)單、效率高且可直接在水上或水下進(jìn)行施工等特點(diǎn)，其主要作用為防風(fēng)浪、抗沖刷。采用模袋混凝土護(hù)坡結(jié)構(gòu)，不僅可以加快施工進(jìn)度，減少施工期干擾，而且減少護(hù)坡維修工程量，且有利于工程日常管理，護(hù)坡外觀整齊美觀。但生態(tài)和景觀效果較差。

以上7種護(hù)坡型式工程造價(jià)對(duì)比見表3。

表3 護(hù)坡型式工程造價(jià)對(duì)比表 單位：元/m2

綜合以上對(duì)生態(tài)及投資影響，本工程設(shè)計(jì)河道護(hù)坡主要采用三維植被網(wǎng)護(hù)坡，考慮河道存在多處迎流頂沖段，為減少水流對(duì)河道兩岸的沖刷，擬在河道迎流頂沖段及居民區(qū)段采用生態(tài)砌塊護(hù)坡。

3.3 護(hù)坡設(shè)計(jì)

3.3.1 護(hù)坡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

護(hù)坡：C20混凝土自鎖式混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，厚0.12m；護(hù)坡頂至設(shè)計(jì)水位+0.5m。

壓頂：坡頂設(shè)C20現(xiàn)澆混凝土壓頂，橫斷面尺寸0.3m×0.5m(寬×高)；框格隔?。貉仄戮€每隔20m設(shè)置一道C20現(xiàn)澆混凝土框格，橫斷面尺寸0.3m×0.4m(寬×高)。

固腳：坡底設(shè)C20現(xiàn)澆混凝土固腳，橫斷面尺寸0.4m×0.6m(寬×高)。

3.3.2 護(hù)坡厚度復(fù)核

護(hù)坡厚度計(jì)算參照GB50286- 2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D.3.3，計(jì)算在波浪作用下護(hù)坡的護(hù)面厚度，計(jì)算結(jié)果t=0.03m，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和方便施工要求，設(shè)計(jì)取護(hù)坡厚度為0.12m。

3.4 護(hù)坡工程布置

岸坡整治工程本著全面規(guī)劃、綜合治理的原則，結(jié)合河道現(xiàn)狀，本項(xiàng)目區(qū)西開西河和螃蟹溝需要岸坡整治的工程河段主要為迎流頂沖段部位及居民區(qū)，護(hù)岸總長(zhǎng)11.95km，型式為生態(tài)砌塊護(hù)坡。

3.4.1 岸坡穩(wěn)定現(xiàn)狀

項(xiàng)目區(qū)河道屬于平原地區(qū)，地勢(shì)較為平坦，岸坡為自然土坡，基本未做任何防護(hù)，部分岸坡崩塌，坡面不規(guī)則，水土流失嚴(yán)重。但從堤防多年運(yùn)行情況來看，大堤歷經(jīng)多次洪水考驗(yàn)，絕大多數(shù)堤防基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡現(xiàn)象并不多見。

3.4.2斷面選取

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，結(jié)合地形條件、堤身高度及堤基、堤身填土條件、歷年汛期出險(xiǎn)情況等因素，選取5個(gè)具有代表性的斷面進(jìn)行分析。

3.4.2 計(jì)算方法

根據(jù)GB50286- 2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算工況選取以下工況：水位驟降期(設(shè)計(jì)洪水位)和施工期。其中水位驟降期工況水位為洪水位驟降0.5m，施工期為墻前后無水，采用瑞典圓弧滑動(dòng)計(jì)算法中的有效應(yīng)力簡(jiǎn)化法計(jì)算，公式如下：

(1)

式中，b—條塊寬度，m；W1—在堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2—在堤坡外水位以下的條塊重力，kN；β—條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，度；γω—水的重度，kN/m3；C′、φ′—土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，kN/m2、度。

各土層的C′、φ′取值詳見工程地質(zhì)設(shè)計(jì)值。由于大堤形成年代久遠(yuǎn)，堤防基本固結(jié)，堤坡穩(wěn)定計(jì)算中C′、φ′值取值如下：堤身土質(zhì)取飽快小值均值，堤基各土層取自快小值均值，砂層C′=0、φ′=300。

計(jì)算成果見表4。

4 結(jié)語

計(jì)算結(jié)果表明，現(xiàn)狀堤身大部分堤段是穩(wěn)定的，故本次設(shè)計(jì)河道護(hù)坡主要采用三維植被網(wǎng)護(hù)坡，但考慮到河道存在多處迎流頂沖段，為減少水流對(duì)河道兩岸的沖刷，對(duì)河道順直段，設(shè)計(jì)水位以上0.5m至河岸采用三維土工植被網(wǎng)草皮護(hù)坡，設(shè)計(jì)河底至設(shè)計(jì)水位以上0.5m進(jìn)行岸坡平整，并在水位變動(dòng)區(qū)種植水生植物；局部易沖刷段村鎮(zhèn)等居民密集區(qū)(總長(zhǎng)11.95km)，設(shè)計(jì)河底至設(shè)計(jì)水位以上0.5m采用多孔生態(tài)砌塊進(jìn)行護(hù)砌，設(shè)計(jì)水位以上0.5m至河岸仍采用三維土工植被網(wǎng)草皮護(hù)坡。

表4 現(xiàn)狀岸坡穩(wěn)定計(jì)算成果表