混凝土生態(tài)框在河道改線工程中的方案比選與應(yīng)用

金子嵩

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006）

1 前言

河道整治工程中護(hù)岸是最為常見的工程形式，長期以來，河道邊坡防護(hù)主要采用漿砌或干砌塊石護(hù)坡、現(xiàn)澆混凝土擋墻等硬質(zhì)材料[1]，這類工程型式可以發(fā)揮出河道的行洪、排澇、安全性以及水土保持等功效[2]，卻不利于河流生態(tài)系統(tǒng)多樣性的發(fā)展，引起生態(tài)系統(tǒng)功能退化。近年來，全國開始倡導(dǎo)生態(tài)治河的理念，遼寧省內(nèi)多采用格賓石籠的型式，格賓石籠雖然具有生態(tài)效果好的優(yōu)點(diǎn)，然而也有很多局限性，譬如景觀效果較差，同時格賓石籠多為坡式，減小河道行洪面積，立式石籠穩(wěn)定性難以保證?；炷辽鷳B(tài)框作為一種新的護(hù)岸型式，具有生態(tài)效果好、景觀效果好，增大河道行洪面積等優(yōu)勢，有廣闊的應(yīng)用前景。本文以沈東四路跨小沙河處河道改線工程為例，對不同的護(hù)岸工程型式進(jìn)行分析比選，并最終確定混凝土生態(tài)框的應(yīng)用方案。

2 工程概況

小沙河為天然河道，遼寧省沈撫新區(qū)域內(nèi)小沙河長度為19 km，河道平均比降1.22‰，非汛期日均流量約0.2 m3/s。針對沈撫新區(qū)規(guī)劃路網(wǎng)情況，在沈東四路跨越小沙河處擬對小沙河平面走向進(jìn)行局部調(diào)整，調(diào)整后河道相對順直，水流流態(tài)更好，調(diào)整后沈東四路與四環(huán)路連接道路工程只跨越小沙河1 次，橋梁由3 座減少為1 座，可有效減少橋梁建設(shè)投資。綜合考慮河道過流能力需求及工程占地，確定設(shè)計河道頂寬為33 m。工程平面布置見圖1。

圖1 小沙河改線工程平面布置示意圖

3 方案比選

3.1 方案初選

本次小沙河河道改線工程設(shè)計河道均為重新疏挖的，河道兩岸需要布設(shè)防護(hù)工程?？紤]到本段河道臨近規(guī)劃道路，加之沈撫新區(qū)為生態(tài)建設(shè)示范區(qū)，因此防護(hù)工程需要綜合考慮河道過流能力能力及生態(tài)景觀效果。擬定三種工程型式作為比選方案，分別為漿砌石擋墻（方案1）、固濱籠擋墻（方案2）、混凝土生態(tài)框（方案3）。

方案1：本方案河道斷面型式參考《沈撫新區(qū)水利專項(xiàng)規(guī)劃》中的成果，采用復(fù)式斷面，復(fù)式斷面底部為矩形，主槽兩側(cè)采用漿砌石擋墻防護(hù)，河道底寬22.5 m。從漿砌石墻頂直接以1∶2 向上放坡至現(xiàn)狀地面，保證河道頂寬為33 m 左右，下端向河道內(nèi)布設(shè)2.5 倍沖刷深長的水平石籠，提升河道的抗沖性。斷面圖見圖2。

圖2 漿砌石擋墻型式設(shè)計橫斷面圖

方案2：本方案也采用復(fù)式斷面，復(fù)式斷面底部為矩形，主槽兩側(cè)采用固濱籠擋墻防護(hù)。從固濱籠墻頂直接以1:2 向上放坡至現(xiàn)狀地面，河道底寬15.3m。其余型式與漿砌石擋墻一致。斷面圖見圖3。

圖3 固濱籠擋墻型式設(shè)計橫斷面圖

方案3：本方案采用混凝土生態(tài)框擋墻，生態(tài)框內(nèi)填充種植土。格室寬1 m，高0.5 m，間隔0.4 m 錯臺擺放，邊坡1∶0.46，生態(tài)框錯臺底部設(shè)置3.5 m 土工格柵。生態(tài)框底部采用毛石混凝土護(hù)腳。河道底寬20.9 m，從設(shè)計河底以下一直堆至現(xiàn)狀地面。斷面圖見圖4。

圖4 混凝土生態(tài)框型式設(shè)計橫斷面圖

3.2 過流能力驗(yàn)算

河道治理工程設(shè)計型式需要滿足對應(yīng)頻率洪水條件下的過流能力，因此需要對不同型式的設(shè)計斷面進(jìn)行過流能力驗(yàn)算，判斷是否滿足對應(yīng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

本次水力計算采用DHI 公司開發(fā)的MIKE 軟件建立一維水流分析模型。MIK11 水動力學(xué)模型的微分方程為一維明渠非恒定流方程，即圣維南(Saint-Venant)方程組[3]。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014），確定本工程的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，因此采用20年一遇流量進(jìn)行計算。

選取合適的起點(diǎn)水位，分別對以上3 種型式的設(shè)計斷面進(jìn)行計算。經(jīng)計算可知，在頂寬固定的前提下，方案1、方案3 對應(yīng)的設(shè)計水位均在設(shè)計岸頂以下0.5 m 左右，滿足過流能力要求，方案2 由于邊坡較長導(dǎo)致過流面積較小，設(shè)計水位勉強(qiáng)平設(shè)計岸頂，局部甚至出現(xiàn)漫灘，不滿足過流能力要求。

3.3 方案比較

選一個典型斷面進(jìn)行斷面設(shè)計，選取單位長度分別計算各個方案的工程量和相應(yīng)投資；根據(jù)過流能力驗(yàn)算結(jié)果；根據(jù)工程范圍內(nèi)的地形、地質(zhì)條件、河道水流形態(tài)、建筑材料料場、儲量及工程要求等，經(jīng)綜合比較后確定防護(hù)型式。本護(hù)岸方案主要優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

表1 工程型式比較表

經(jīng)過水力計算可知，方案1 和方案3 的河道斷面過流能力較好，能夠滿足20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，方案2 不滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)，因此不作考慮，方案1 生態(tài)效果差、施工質(zhì)量難以保證。考慮到沈撫新區(qū)是生態(tài)建設(shè)示范區(qū)，因此在兼顧防洪標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)效果的前提下，因方案3 生態(tài)景觀效果較好，本次確定采用方案3。

4 方案設(shè)計

混凝土生態(tài)框型式的主要特點(diǎn)在于生態(tài)景觀效果好，生態(tài)框內(nèi)可以種草，提升河道兩岸的生態(tài)效果，也可以結(jié)合市政景觀建設(shè)要求，栽種小植株、花朵等。此外，生態(tài)框采用的混凝土結(jié)構(gòu)耐腐蝕，荷載作用下不易變形，耐久性好，而且其裝配式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使其施工方法簡單靈活，可以從廠家購置、外運(yùn)也可以就近預(yù)制。

護(hù)岸整體設(shè)計：生態(tài)框護(hù)岸底部高程取自設(shè)計河底高程，向上0.4 m 錯臺擺放。在滿足設(shè)計河道防洪標(biāo)準(zhǔn)，同時不浪費(fèi)材料的前提下，經(jīng)過設(shè)計河道過流能力計算，確定共擺放7 層，此時設(shè)計水位剛好位于設(shè)計岸頂以下0.1 m～0.2 m。繼續(xù)以1∶2邊坡向上，考慮到與生態(tài)框護(hù)岸的生態(tài)景觀相結(jié)合，生態(tài)框以上邊坡采用草皮護(hù)坡防護(hù)至設(shè)計岸頂。

生態(tài)框護(hù)岸細(xì)部設(shè)計：單個生態(tài)框尺寸為2 m×1 m×0.5 m（長×寬×高），豎向上下采用錯臺方式疊放，橫向相鄰生態(tài)框間采用防腐螺栓側(cè)向連接。單個生態(tài)框上部不封閉，前后立面及兩側(cè)均有孔洞，利于植被生長。生態(tài)框內(nèi)部回填土料及撒草籽，生態(tài)框有孔洞部位內(nèi)襯土工布。生態(tài)框錯臺底部設(shè)置3.5m 高韌性聚酯紗線集束格柵，以滿足邊坡穩(wěn)定要求。草皮護(hù)岸設(shè)計：設(shè)計邊坡為1∶2，草皮護(hù)坡。生態(tài)框結(jié)構(gòu)及縱向連接見圖5～圖7。

圖5 混凝土生態(tài)框護(hù)岸設(shè)計橫斷面圖

圖6 混凝土生態(tài)框結(jié)構(gòu)圖

圖7 混凝土生態(tài)框縱向連接圖

護(hù)腳設(shè)計：直立式毛石混凝土護(hù)腳，護(hù)腳深度為設(shè)計沖刷深1.7 m，即護(hù)腳高度為1.7 m，下設(shè)0.1 m 厚素混凝土墊層。

5 結(jié)論

河道整治工程設(shè)計時要充分貫徹生態(tài)治河的思想，即在滿足河道行洪能力的前提下，恢復(fù)河道生態(tài)植被，營造良好的水環(huán)境，進(jìn)而維護(hù)河道區(qū)域的生物多樣性[4]。本工程所采用的混凝土生態(tài)框型式，既能留出足夠的過流面積，保證河道過流能力滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)，又能最大限度地打造親水性生態(tài)景觀型河道，符合現(xiàn)今流行的生態(tài)治河理念。

近年來遼寧省內(nèi)河道護(hù)岸工程多采用格賓石籠型式，顯得千篇一律，本文也為致力于建設(shè)生態(tài)型河道的工程人員提供參考。