生態(tài)潛壩在武夷山“水美城市”工程中的應(yīng)用

陳開宇

（上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海市200061）

0 引言

隨著武夷山城市建設(shè)理念的發(fā)展和民眾生活需求的提高，河道的生態(tài)化改造已經(jīng)成為“水美城市”建設(shè)中的一個重要的環(huán)節(jié)。在加強(qiáng)水利基礎(chǔ)性工程建設(shè)，滿足水利設(shè)施系統(tǒng)防洪、排洪、灌溉等功能的同時，保護(hù)、修復(fù)原有水系的生態(tài)系統(tǒng)、提升水環(huán)境景觀效果已經(jīng)成為新時期河道建設(shè)的重要因素[1]。加強(qiáng)河道的生態(tài)化改造，不僅是滿足當(dāng)前人民生產(chǎn)生活的需要，更關(guān)系到未來社會的可持續(xù)發(fā)展。在河道生態(tài)化改造的過程中，首先需要攔蓄水體，保證枯水期有一定的水位，以此營造水景觀。因此，生態(tài)潛壩在河道治理工程中的應(yīng)用越來越廣泛。

1 工程概況

武夷山地處福建省北部，三面環(huán)山。東鄰蒲城縣，南接建陽縣，西與光澤縣毗連，北部與江西鉛山縣交界，隸屬福建省南平市。崇陽溪作為武夷山市最大的溪流穿過武夷山市區(qū)，流經(jīng)景區(qū)，構(gòu)成整個武夷山市水系的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[2]。武夷山“水美城市”工程分三期實(shí)施，實(shí)施對象為崇陽溪。其中，一期工程起點(diǎn)為崇陽溪馬廠洲大橋，終點(diǎn)為武夷大橋，整治河道長度5085 m，防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 a 一遇。

2 生態(tài)潛壩壩型選擇

根據(jù)崇陽溪的河流特點(diǎn)，汛期豐水季節(jié)，上游來水豐沛，河道水位較高；冬春枯水季節(jié)，上游來水較少，河道水位較低。選擇壩型時應(yīng)充分考慮減小對河道防洪影響和蓄水面最寬廣的要求[3]。

經(jīng)對山區(qū)河道生態(tài)潛壩型的調(diào)查分析并比較，適合該工程的生態(tài)潛壩型式有：橡膠壩、翻板壩、砌石壩和鋼壩閘等[4]?，F(xiàn)對其進(jìn)行方案比選如下：

2.1 橡膠壩

橡膠壩由上游連接段、橡膠壩段、下游連接段及橡膠壩控制系統(tǒng)四部分組成。其主要作用是控制水位和下泄流量。橡膠壩方案，非汛期采用充水橡膠壩體擋水，形成上游水面。行洪時，排空壩袋過水。該方案需在岸側(cè)布置控制室，采用水泵充、排水。

2.2 翻板壩

自動翻板壩多位于平原河道，要求河道底坡降較小。采用自動翻板，轉(zhuǎn)軸位于擋水高度約2/3 位置處，非汛期采用翻板閘門擋水，形成上游水面。當(dāng)汛期來臨或壩上水位上漲至預(yù)設(shè)水位時，閘門自動翻轉(zhuǎn)，排泄河道上游來水。洪水過后，水位降至預(yù)設(shè)水位，閘門自動復(fù)位重新?lián)跛?/p>

2.3 鋼壩閘

鋼壩閘屬于動力機(jī)控生態(tài)潛壩型，其中：山區(qū)河道主要可用來蓄水營造水景觀。采用動力翻板，非汛期采用鋼閘門擋水，形成上游水面；汛期來臨時，閘門動力向下游臥倒，排泄上游來水，行洪后，鋼壩動力恢復(fù)擋水狀態(tài)。

2.4 砌石壩

砌石壩是山區(qū)較大坡降河道常用生態(tài)潛壩型，采用砌石攔河形成固定壩體。河道非汛期，采用壩體擋水，形成上游水面。當(dāng)汛期來臨時，洪水需漫過壩頂過流。由于固定壩體的存在，原設(shè)計洪水過壩時形成壅高，對兩側(cè)防洪有一定的影響，需同步加高加固。

以上4 個方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體比選見表1所列。

表1 壩型方案比選表

根據(jù)Hec-Ras 軟件計算結(jié)果，設(shè)壩后水面線抬高1～10 cm，影響范圍約為壩上游2 km，未超出工程范圍，對工程安全及堤防工程投資影響不大。因此，該工程設(shè)壩后對河道行洪影響較小，對行洪水位抬升影響較小，僅需簡單加高兩岸堤頂部分。

從景觀、投資、運(yùn)行、維護(hù)、行洪等方面綜合考量，該工程選用砌石壩方案。

3 生態(tài)潛壩設(shè)計

3.1 生態(tài)潛壩布置

該項目新建生態(tài)潛壩2 座，可以形成多級水面，豐富水景觀效果，同時可以減少對河道沖刷，達(dá)到穩(wěn)定河床的效果。表2 為新建生態(tài)潛壩平面特性表。

為了營造水體，兼顧自然、寫意，該生態(tài)潛壩主體采用砌石結(jié)構(gòu)，可與山區(qū)河道砂石環(huán)境相融合，并易構(gòu)造壩身造型。1#壩采用曲線造型，壩型似片片魚鱗，壩上幽靜的水面粼粼，壩下為原始粗獷的跌瀑。2#壩采用多級跌水造型，與景觀設(shè)計中的濕地公園融為一體。為了使壩身結(jié)構(gòu)更貼近真實(shí)，兩座壩的壩身外側(cè)面均鑲嵌河床石子。這些獨(dú)具特色的自然元素構(gòu)思將寫實(shí)與寫意相融合，重現(xiàn)了崇陽溪鳶飛魚躍的動人情景，是自然、是生命，是原生態(tài)治理的延續(xù)和升華，同時也訴傾了水利景觀的內(nèi)涵和真諦，是該項設(shè)計的重點(diǎn)所在。生態(tài)潛壩工程實(shí)景見圖1 所示。

表2 新建生態(tài)潛壩平面特性表

圖1 生態(tài)潛壩工程之實(shí)景

3.2 生態(tài)潛壩設(shè)計

生態(tài)潛壩在順?biāo)飨蛴缮隙路謩e布置上游海漫、壩身、消力池和下游海漫，海漫末端設(shè)防沖槽。生態(tài)潛壩設(shè)計以2#潛壩為例。

3.2.1 壩體

壩身上部采用砌石結(jié)構(gòu)，擋水高度為2.0 m ，下部設(shè)鋼筋混凝土底板。底板厚取0.8 m，上下游底部設(shè)0.5 m 深齒坎抗滑，下游端部設(shè)0.5 m 高消能坎，壩身砌石和鋼筋混凝土底板之間設(shè)石筍固結(jié)。壩身根據(jù)安全穩(wěn)定、防滲及造型需要進(jìn)行布置，長度25 m，并利用壩身下游段兼作消力池。

2#壩基礎(chǔ)坐落于卵石層，屬于中等透水層，下臥基巖層埋深約1～2 m。2# 壩壩基推薦采用組合防滲方案，垂直截滲采用素混凝土截滲墻，水平鋪蓋采用防滲土工膜。

3.2.2 沖砂閘

為減輕壩前淤積，沿壩軸線1/4 及3/4 長度位置處，在壩身設(shè)置2 孔沖砂閘，單孔尺寸1 m×1 m（寬×高），采用鑄鐵直升門，配備手動螺桿啟閉機(jī)。

3.2.3 上游海漫段

上游海漫段由干砌塊石段和灌砌塊石段組成，分別長15 m 和5 m。干砌塊石段采用400 厚干砌塊石，下設(shè)100 厚碎石墊層及防滲土工膜。灌砌塊石段采用400 厚灌砌塊石，下設(shè)100 厚碎石墊層及防滲土工膜。

3.2.4 下游海漫段

下游海漫段采用灌砌塊石結(jié)構(gòu)，2# 壩為多級跌水，海漫長度取20 m。采用400 厚灌砌塊石，下設(shè)100 厚碎石墊層及無紡?fù)凉げ?。海漫末端設(shè)5 m長的拋石防沖槽，槽深按構(gòu)造考慮，取為1 m。

3.2.5 漂流槽

漂流槽靠岸設(shè)置，利用潛壩岸墻兼作漂流槽的臨土側(cè)擋墻，另一側(cè)采用L 型鋼筋混凝土擋墻與岸墻底板連接，底板上部依次設(shè)置埋石混凝土基礎(chǔ)及鋼筋混凝土漂流槽底板，形成封閉的U 型槽結(jié)構(gòu)，為確保安全，兩側(cè)墻身高出槽底板頂面1 m。經(jīng)調(diào)查，當(dāng)?shù)仄魉弥穹らL約9 m，寬約2 m，常規(guī)吃水深度約0.1～0.2 m?？紤]槽身兩側(cè)富余寬度及吃水富余深度，槽身凈寬取3 m，漂流槽起始端底板面高程較壩頂?shù)?.5 m。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，為確保漂流竹筏的安全，槽身縱向坡比為1∶50，按照上下游水位差1 m 左右考慮，槽身長度取50 m。

生態(tài)潛壩順?biāo)飨驍嗝嬉妶D2 所示。

4 施工注意事項

4.1 施工導(dǎo)流

該項工程因河道較寬，過水流量較大，采用分期導(dǎo)流，在河道中心側(cè)修建縱向圍堰，在上、下游側(cè)修建橫向圍堰，形成干地施工條件。一期工程先施工右岸側(cè)潛壩，利用左側(cè)束窄的河道進(jìn)行導(dǎo)流。二期時，拆除一期圍堰，利用已建潛壩壩頂過流，在河道左側(cè)填筑二期圍堰，形成干地施工條件[5]。

4.2 圍堰設(shè)計

潛壩工程圍堰高程為非汛期5 a 一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)水位+0.5 m 安全超高。圍堰頂寬3 m，迎水面邊坡1∶1.5，用兩層編織袋裝碎石護(hù)面，下設(shè)380 g/m2防滲土工膜一層；背水坡為1∶1.5 兩層袋裝土填壓，下設(shè)400 g/m2反濾土工布一層，中間填筑砂石料，兩坡腳設(shè)置尼龍網(wǎng)石籠進(jìn)行鎮(zhèn)腳。圍堰采用帷幕灌漿，截滲帷幕灌漿范圍為堰頂至強(qiáng)風(fēng)化基巖與中風(fēng)化基巖交界位置，有效寬度不小于0.6 m。在圍堰坡腳一定范圍設(shè)置排水溝和集水坑，及時進(jìn)行抽排水，保證基坑內(nèi)干地施工條件。圖3 為潛壩圍堰斷面圖。

圖3 潛壩圍堰斷面圖（單位：mm）

4.3 基坑排水及泥漿控制

基坑排水分初期排水和經(jīng)常性排水。初期排水主要包括基坑積水、圍堰及地基滲水。初期排水時，對基坑水位下降速度應(yīng)加以控制，以每晝夜不超1.0m 為宜，以免影響圍堰邊坡穩(wěn)定。經(jīng)常性排水主要包括：圍堰及地基滲水、降水及施工棄水等。圍堰滲水主要考慮圍堰基礎(chǔ)滲水?；优潘O(shè)備主要按滿足經(jīng)常性排水要求進(jìn)行配置。對于基坑開挖深度較淺的部位，采用排水溝排水；對于開挖深度較深的部位，采用排水溝與深井排水相結(jié)合排水，以保證開挖邊坡的穩(wěn)定。生態(tài)潛壩施工過程會因基坑排水及壩體填筑產(chǎn)生懸浮物影響崇陽溪水質(zhì)。對此，潛壩施工期的環(huán)保措施，宜設(shè)置沉淀池、圍擋，控制濁水?dāng)U散。

5 結(jié) 論

該項工程采用的砌石壩能夠與山區(qū)河道砂石環(huán)境相融合，并易構(gòu)造壩身造型，兼顧寫實(shí)、寫意，具有投資低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、施工期短、運(yùn)維方便、造型多變、視覺效果好等特點(diǎn)，同時對汛期河道的行洪影響較小，兼顧了河道行洪與生態(tài)景觀功能。

圖2 生態(tài)潛壩順?biāo)飨驍嗝鎴D

修筑梯級生態(tài)潛壩，擴(kuò)大溪水面，增強(qiáng)河道靈氣，并與陸域景觀建設(shè)相互映襯，給人與自然提供了一處合寫的河岸空間。同時，造成曝氣效果，有利于水質(zhì)凈化，并豐富河流生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)生物多樣性，建立完整的水生態(tài)系統(tǒng)，使得此結(jié)構(gòu)形式在今后“水美城市”工程中有著較為廣泛的應(yīng)用前景。