柔性防護(hù)技術(shù)在河道生態(tài)防洪堤工程中的應(yīng)用

盧鳳麗

(遼寧省本溪市水庫(kù)移民管理局，遼寧 本溪 117000)

中小河流在我國(guó)分布廣泛，與人類生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，其構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)、自然景觀、水域環(huán)境和人文生態(tài)等服務(wù)于人類并同人類共同進(jìn)步發(fā)展；而人類活動(dòng)又會(huì)對(duì)河流的降雨時(shí)空分布、徑流量和生態(tài)環(huán)境帶來影響[1]。常規(guī)堤防工程建設(shè)中存在“重工程、輕人文，重硬化防洪、輕柔性生態(tài)”等現(xiàn)象，主要關(guān)注水資源利用、防洪等功能需求，而忽視了河流自身的生態(tài)環(huán)境和人文景觀需求，河流自凈功能和生態(tài)功能不斷弱化，生態(tài)鏈遭受破壞。為了人、水和自然的和諧相處及發(fā)展，2010年《國(guó)務(wù)院關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)中小河流治理和山洪地質(zhì)災(zāi)害防治的若干意見》(國(guó)發(fā)〔2010〕31號(hào))明確指出：要充分發(fā)揮中小型河流的減災(zāi)、興利和生態(tài)環(huán)境的綜合效益，實(shí)現(xiàn)水利建設(shè)可持續(xù)發(fā)展。因此，在中小河流治理工程建設(shè)中，除了要考慮防洪堤的強(qiáng)度、安全性和耐久性外，還需考慮其生態(tài)環(huán)境效果，探討融合工程結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境為一體的護(hù)岸形式，充分發(fā)揮堤防的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益[2- 5]。

1 工程概況

長(zhǎng)寧河系長(zhǎng)江上游地區(qū)較大的一級(jí)支流，發(fā)源于宜賓市興文縣玉秀鄉(xiāng)，經(jīng)珙縣、長(zhǎng)寧縣，從江安縣城西注入長(zhǎng)江，全長(zhǎng)110.1km。治理河段位于江安縣紅橋鎮(zhèn)境內(nèi)，全長(zhǎng)2.20km，區(qū)域內(nèi)無大的支溝匯入。治理河段的河道較寬，河谷為基本對(duì)稱“U”形谷，河岸以土質(zhì)邊坡為主。治理河流屬典型山區(qū)型河流，具有源短流急、短時(shí)匯流集中、洪峰流量大和水位變幅大等特點(diǎn)[6- 7]，且兩岸未修建任何防洪措施，每逢雨季強(qiáng)降雨即發(fā)生洪澇災(zāi)害，河水上岸，良田損毀，城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施及居民住宅被淹，損失極大。

根據(jù)長(zhǎng)寧河紅橋鎮(zhèn)河段的水文氣象、地質(zhì)地形和長(zhǎng)寧河整體水系分布，為促進(jìn)古鎮(zhèn)保護(hù)與觀音橋村集中安置點(diǎn)協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展，需修建防洪堤，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，整治河道全長(zhǎng)2.20km。按照“防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)，防洪治理河段河暢、水清、路通、岸綠、景美”的治理目標(biāo)，通過生態(tài)防護(hù)加固兩岸，并協(xié)調(diào)江紅公路近河路景觀改造項(xiàng)目，將防洪堤與古鎮(zhèn)保護(hù)、旅游開發(fā)和人文景觀建設(shè)相融合，改善水環(huán)境，并打造良好水生態(tài)[8]。

2 河段防洪現(xiàn)狀及治理措施

紅橋鎮(zhèn)依河而建，由于居民建房侵占河道，加上日常生活垃圾無序堆放，河道淤積嚴(yán)重，行洪斷面狹窄，汛期雍水嚴(yán)重。河岸未修建任何防洪措施，僅有的兩條排洪涵也存在嚴(yán)重堵塞問題，5年一遇以上洪水就會(huì)出現(xiàn)水位暴漲、行洪不暢，河水上岸，造成良田損毀和城鎮(zhèn)被淹。河岸以土質(zhì)邊坡為主，因水流侵蝕形成的深槽，凹岸(左岸)的穩(wěn)定性極差。根據(jù)長(zhǎng)寧水文站(國(guó)家基本二類精度水文站)監(jiān)測(cè)資料，采用HEC-RAS水面線分析軟件計(jì)算得出典型斷面現(xiàn)狀行洪能力，見表1。

由表1可知，長(zhǎng)寧河紅橋鎮(zhèn)河段重現(xiàn)期P=20%的洪峰流量為1680m3/s，而治理河段河道現(xiàn)狀最大行洪能力僅為946.2m3/s，不能滿足安全行洪要求。根據(jù)GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合長(zhǎng)寧河封閉防洪規(guī)劃和紅橋鎮(zhèn)防洪保護(hù)區(qū)現(xiàn)狀及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，按20年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，即對(duì)七道坎(干0+000)至玉屏橋(干1+350)和霸柳灣(支0+000)至回水陀(支0+850)，總長(zhǎng)2.20km的干流和支流河段采取生態(tài)防洪堤進(jìn)行防護(hù)加固處理。在滿足河道正常行洪、排澇等基本功能的同時(shí)，通過生態(tài)河床、生態(tài)護(hù)岸等生態(tài)工程措施修復(fù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)人與水環(huán)境、人與自然的和諧發(fā)展。

表1 長(zhǎng)寧河紅橋鎮(zhèn)治理河段典型斷面現(xiàn)狀行洪能力

3 防洪堤設(shè)計(jì)

3.1 堤型比選

防洪堤設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分把握安全性、耐久性和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等原則。治理河段內(nèi)出露地層巖性主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟上亞組(J2S2)砂巖，破碎泥巖覆蓋層厚1.5～2.2m，無不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，工程地質(zhì)條件滿足工程建設(shè)要求。治理河段覆蓋層總體較厚，土體結(jié)構(gòu)較松，不利于修建剛性結(jié)構(gòu)堤型，宜優(yōu)選柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)。按“因地制宜、就地取材”經(jīng)濟(jì)適用原則，結(jié)合長(zhǎng)寧河紅橋鎮(zhèn)治理河段的地形地勢(shì)、水文地質(zhì)、堤基條件、建筑材料等條件，充分考慮到古鎮(zhèn)保護(hù)和旅游開發(fā)規(guī)劃，新建防洪堤型優(yōu)選柔性生態(tài)型防洪堤和衡重式重力堤2種堤型3種除險(xiǎn)加固方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。

(1)方案一

防洪堤堤型為“漿砌石擋墻+六角空心預(yù)制塊+鍍高爾凡加筋麥克墊”，如圖1所示。

圖1 六角空心預(yù)制塊生態(tài)防洪堤斷面(單位：mm)

根據(jù)長(zhǎng)寧河紅橋鎮(zhèn)治理河段特征水位及防洪堤功能，設(shè)置馬道和人行休閑步道，其中，馬道P=50%(2年一遇)的水位為227.07m，高0.2m，寬3.0m；人行休閑步道P=20%(5年一遇)的水位為231.34m，高0.3m，寬3.0m。步道以下迎水面采用六角空心預(yù)制塊(植草護(hù)坡)，步道以上采用鍍高爾凡加筋麥克墊進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡(U型釘固定)，坡比為1∶1.5。馬道以下采用M7.5漿砌石重力式擋墻護(hù)腳，底寬為2.9m，迎水面坡比為1∶0.3，墻背鉛直。壩坡按1∶1開挖至清挖線，采用土石渣回填夯實(shí)。

(2)方案二

防洪堤堤型為“漿砌石擋墻+鍍高爾凡雷諾護(hù)墊+鍍高爾凡加筋麥克墊”，其設(shè)計(jì)水位和整體防護(hù)結(jié)構(gòu)與方案一完全相同，僅馬道和人行休閑步道間的護(hù)坡采用鍍高爾凡雷諾護(hù)墊(聚酯長(zhǎng)纖無紡布?jí)|層)。

(3)方案三

防洪堤堤型為“漿砌石擋墻+鍍高爾凡加筋麥克墊”的衡重式重力堤，如圖2所示。

圖2 衡重式重力堤斷面(單位：mm)

設(shè)置一條馬道兼人行休閑步道，寬3.0m。步道以下采用漿砌石重力式擋墻護(hù)腳，底寬為2.92m，迎、背水面坡比均為1∶0.3；步道以上采用鍍高爾凡加筋麥克墊進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡(U型釘固定)，坡比為1∶1.5。壩坡按1∶1開挖至清挖線，采用土石渣回填夯實(shí)。

(4)比選結(jié)果

對(duì)地形地質(zhì)適應(yīng)性、工程占地、生態(tài)環(huán)保、城鎮(zhèn)景觀協(xié)調(diào)性、工程造價(jià)等方面進(jìn)行綜合比較可知，①地形地質(zhì)適應(yīng)性：生態(tài)堤較衡重式重力堤，除漿砌石擋墻護(hù)腳外均為柔性結(jié)構(gòu)，其地質(zhì)變形適應(yīng)性更強(qiáng)；②工程占地：衡重式重力堤的工程占地要比生態(tài)堤小，但其砌石量約為生態(tài)堤的2倍，僅M7.5漿砌石量就達(dá)到256850m3；③生態(tài)環(huán)保：生態(tài)堤的開挖量較衡重式重力堤小，區(qū)域生態(tài)破壞小，生態(tài)及環(huán)保影響較??；④城鎮(zhèn)景觀協(xié)調(diào)性：采用生態(tài)堤方案更利于生態(tài)修復(fù)和古城保護(hù)旅游生態(tài)景觀建設(shè)；⑤工程造價(jià)：衡重式重力堤方案總投資為5750.52萬元；而六角空心預(yù)制塊生態(tài)堤投資為4512.36萬元，雷諾護(hù)墊生態(tài)堤投資為4708.19萬元。因此，設(shè)計(jì)優(yōu)選六角空心預(yù)制塊生態(tài)堤，其工作造價(jià)最低，且比衡重式重力堤更接近自然，更利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)和人文景觀建設(shè)。

3.2 堤壩滲透變形分析

生態(tài)堤可實(shí)現(xiàn)資源回用，降低工程造價(jià)，采用堤基開挖料進(jìn)行夯實(shí)回填，其中表層開挖料主要為雜填土，主要成分為建筑廢棄料及建筑垃圾，不能用作回填料。雜填土下部為砂質(zhì)黏土層，夾雜較厚砂質(zhì)泥巖與粉砂巖等。堤身回填料主要為砂質(zhì)黏土、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖等混合料；堤基置于砂質(zhì)泥巖與粉砂巖上。試驗(yàn)獲得工程材料容重，漿砌塊石為23kN/m3；回填土(碴)為18kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=18°。根據(jù)規(guī)范GB 50287—99《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中附錄M，對(duì)堤基進(jìn)行滲透變形判別，即

(1)

式中，Pc—土的細(xì)粒顆粒含量，以質(zhì)量百分率計(jì)，%；n—土的孔隙率，%。

3.3 堤壩穩(wěn)定性分析

采用SLOPE/W邊坡穩(wěn)定性分析軟件，分別在設(shè)計(jì)洪水位有水工況和枯水位無水工況條件下，對(duì)生態(tài)堤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計(jì)算成果見表2。

表2 生態(tài)防洪堤穩(wěn)定性分析成果

由表2可知，在無水工況下，防洪堤最小安全系數(shù)為1.375；在有水工況下，防洪堤最小安全系數(shù)為1.269，均滿足規(guī)范要求。基底最大應(yīng)力為83.2kPa，小于地基允許承載力450kPa，防洪堤堤型結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性好。

4 結(jié)論

(1)治理河段總長(zhǎng)2.20km，按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，堤線按原河道走向布置，治理后既要提高河段防洪能力以確保安全行洪，又要美化城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境。

(2)六角空心預(yù)制塊生態(tài)堤相比衡重式重力堤和雷諾護(hù)墊生態(tài)堤，在地形地質(zhì)適應(yīng)性、施工條件、生態(tài)環(huán)保、工程造價(jià)等方面均較優(yōu)，具有較高技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。

(3)堤壩滲透變形和穩(wěn)定性分析成果表明，六角空心預(yù)制塊生態(tài)堤不會(huì)發(fā)生滲透變形破壞，結(jié)構(gòu)應(yīng)力及穩(wěn)定安全系數(shù)均在規(guī)范允許限值指標(biāo)，整體安全可靠。