中小河道生態(tài)水利設(shè)計實踐

肖 江，趙斯佳，胡 斌

(1.北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100045；2.北京東方利禾景觀設(shè)計有限公司，北京 100020)

我國眾多的中小河道既肩負(fù)著保障人民財產(chǎn)安全的重任，又與人民日益增長的美好生活需求密切相關(guān)。中小河道生態(tài)治理項目往往具有較為獨特的現(xiàn)狀問題，相對于大江大河也更能提出靈活性的治理方案。

中小河道生態(tài)治理的規(guī)劃設(shè)計除了滿足防洪、水質(zhì)等基本要求外，還需要盡可能地將生態(tài)理念植入在整個方案當(dāng)中，為水景觀、水文化、水管理等內(nèi)容提供基本條件。因為中小河道涉及的問題多、專業(yè)多，實際中對中小河道的治理往往過于單一簡化，基于此，筆者以山東省濟寧市某中小河道生態(tài)治理項目為例，簡述該河的設(shè)計思路及河道典型橫斷面設(shè)計方案，以此為設(shè)計師提供中小河道生態(tài)水利規(guī)劃設(shè)計的實踐經(jīng)驗。

1 現(xiàn)狀問題分析

該中小河流河道全長約25km，流域面積約208km2。治理段河道位于該河的上游位置，走向大致由北向南，治理段長度約3km，現(xiàn)狀河寬在30～50m范圍內(nèi)變化，河底比降約0.2‰，河道兩岸一定范圍外用地性質(zhì)為基本農(nóng)田。

1.1 河道淤積嚴(yán)重，行洪困難

治理段現(xiàn)狀河道淤積嚴(yán)重，河道中雜草叢生，占據(jù)了河道行洪斷面，導(dǎo)致汛期面臨洪災(zāi)威脅。

1.2 土質(zhì)邊坡?lián)p壞，水土流失

治理段現(xiàn)狀河道兩岸沿途均為土質(zhì)邊坡且無植被覆蓋，雨期水土流失嚴(yán)重，雨水與河道行洪水對土質(zhì)邊坡的淘刷導(dǎo)致河岸存在后移失穩(wěn)的隱患。

1.3 河道斷面單一，同質(zhì)嚴(yán)重，水景觀效果差

河道現(xiàn)狀橫斷面均為無變化的倒梯形，態(tài)勢筆直，斷面單一，缺乏美感。無親水空間的打造，周邊居民無法從河流中找尋到幸福感。

1.4 水量不足，水生態(tài)效果差

河道季節(jié)性流量變化大，冬季甚至春秋季斷流，水生動植物無生存空間，生態(tài)基流難以保障。

2 設(shè)計思路及主要措施

2.1 設(shè)計思路

通過對當(dāng)?shù)乩嫦嚓P(guān)者(政府主管部門和獲益居民)的需求收集整理，制訂了相應(yīng)的水環(huán)境治理策略，經(jīng)過多輪內(nèi)審、外審后確定了較為詳細的治理方案。該治理河段的整體建設(shè)目標(biāo)為“上游重要水生態(tài)保障地與郊野休閑地”，以“人-水-生態(tài)”為基本理念，圍繞“水安全”、“水生態(tài)”的子目標(biāo)實現(xiàn)進行設(shè)計。

對于“水安全”的子目標(biāo)實現(xiàn)，主要考慮的是防洪安全、水質(zhì)安全、生態(tài)基流和水生動植物的保障。

2.2 主要措施

針對已經(jīng)提出的目標(biāo)和著手治理的方向，主要解決措施分為工程措施和非工程措施。工程措施包括河道疏浚清淤、堤防邊坡重建、中水回用工程、引水工程、人工濕地等；非工程措施包括水生動植物的投放等等。

3 重要過程及結(jié)果展示

鑒于河道生態(tài)治理往往涉及專業(yè)多、綜合性強，筆者將主要圍繞該段河道治理的典型水利斷面設(shè)計展開，對相關(guān)重要過程及結(jié)果進行展示。在生態(tài)水利的設(shè)計思想下，滿足防洪安全的同時結(jié)合生態(tài)措施，為水生態(tài)目標(biāo)的實現(xiàn)提供相應(yīng)的基礎(chǔ)條件。

結(jié)合當(dāng)?shù)亍冻鞘锌傮w規(guī)劃》、《河道防洪規(guī)劃》等資料，確定治理段河道為20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，Q20=64.1m3/s，河道態(tài)勢基本維持原狀。對現(xiàn)狀河道進行清淤后，設(shè)計河底高程34.00～34.40m，結(jié)合水景觀設(shè)計需求，設(shè)計常水位維持在37.00m。

設(shè)計方案確定河道防護主要采用土石籠袋，該材質(zhì)具有固土、防沖、護坡、植生等功能，同時具有良好的變形能力、透水性、工藝簡單等優(yōu)點，屬于當(dāng)下生態(tài)水利設(shè)計中使用較為廣泛的護坡形式，例如肖陽[1]和王海濱[2]已經(jīng)對石籠等生態(tài)護坡材料在河道整治中的應(yīng)用和施工工藝等內(nèi)容做出了詳細的闡述。

為平衡河道防洪需求和親水關(guān)系，在河道兩側(cè)可利用土地的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有河道進行適當(dāng)拓寬，合理地采用復(fù)式斷面，同時新增一條巡河路。景觀園路與親水側(cè)擋墻之間設(shè)置了淺灘濕地，河道典型設(shè)計斷面如圖1所示。

依據(jù)GB 50707—2011《河道整治設(shè)計規(guī)范》5.1.3條：“計算斷面間距宜在1～4倍河槽寬范圍內(nèi)取值。計算斷面間距在比降較大河段宜取小值，比降較小河段宜取大值?！盵3]本河段比降較小，河寬30～50m左右，故按照每100m劃分一個斷面。

由GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》表3.1.3和表3.2.1可知，治理段堤防工程等級為4級，不允許越浪的安全加高值為0.6m[4]。

3.1 邊坡及河底

3.1.1邊坡

本復(fù)式斷面存在上、下兩級邊坡，其中上級邊坡坡比為1∶3.0～1∶5.0，位于常水位以上，適合多種植被種植；下級邊坡坡比為1∶1.8～1∶2.0，位于常水位以下。

對下級邊坡進行計算，由CECS 456—2016《格網(wǎng)土石籠袋、護坡工程袋應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》4.2.1條：“坡比i≤1∶1.5的邊坡，可采用直接將護坡工程袋順坡平鋪于坡面的方式?！盵5]故采用貼坡式布置。

土石籠袋的防護厚度多為0.2～0.5m，目前市面上石籠類型眾多，質(zhì)量參差不齊。

根據(jù)GB 50286—2013附錄D.3按下式計算護坡厚度：

(1)

式中，t—護坡厚度，m；K1—系數(shù)，土石籠袋可參照砌方石取值；γb、γ—塊石和水的容重，kN/m3；d—岸坡前水深，m；Lm—平均波長，m；hp—不同累計頻率下的計算波高，m，當(dāng)d/Lm≥0.125，取h4%，當(dāng)d/Lm<0.125，取h13%；m—邊坡坡率。

(2)

Lm=0.389vaD0.5

(3)

圖1 河道典型設(shè)計斷面圖

式中，hm—平均波高，m；Lm—平均波長，m；va—計算風(fēng)速，m/s，查詢汛期當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)速；D—風(fēng)區(qū)長度，m，根據(jù)地形圖測量計算點逆風(fēng)吹向?qū)Π兜木嚯x。

由不同累計頻率波高換算表可得到h4%或h13%，再將計算出的波浪要素帶入護坡厚度計算公式即可得到護坡厚度t。經(jīng)計算，hm=1.57m，Lm=8.95m，d/Lm=0.358≥0.125，故換算后h4%=2.33m，得t=0.45m。

為方便施工和考慮一定程度的富裕量，本設(shè)計邊坡采用厚度0.5m的土石籠袋。根據(jù)CECS 353—2013《生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》條文說明7.2.2，選擇填石粒徑為0.1～0.25m，在填石不發(fā)生移動下的臨界流速為5.8～6.4m[6]。該數(shù)值與市面上主流土石籠袋的防沖流速大體吻合。經(jīng)復(fù)核，均大于各個斷面計算出的斷面平均流速，符合表面抗沖要求。

土石籠袋邊坡均置于設(shè)計常水位之下，相較于直接暴露在空氣或處于水位變幅區(qū)時，能夠起到較好的防腐蝕效果，延長了土石籠袋的使用壽命。同時在土石籠袋上覆種植土，厚度不低于0.2m，能夠為水生植物提供生長基礎(chǔ)，水生植物根系進入土石籠袋也能促進兩者更好地形成整體，提高穩(wěn)定性。

邊坡穩(wěn)定計算依據(jù)SL 379—2007《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》表3.2.7和3.2.12確定抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)[7]。本次邊坡為4級，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在基本組合下為1.40，特殊組合下為1.05；抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)在基本組合下為1.40，特殊組合下為1.30。選取不利斷面，借助北京理正巖土軟件中擋土墻設(shè)計模塊，對截取出的邊坡進行復(fù)核，在各不利組合工況下均滿足地基承載力、抗滑和抗傾覆穩(wěn)定要求。

3.1.2河底

本次設(shè)計考慮對河底建設(shè)相應(yīng)的礫石群，故河底防護同邊坡防護采用土石籠袋，厚度0.5m，因河道底寬較窄，采用全斷面防護。土石籠袋上覆0.1m厚碎石層，用于改善河床基質(zhì)。在河底處選擇行洪斷面較大位置處隨機布置大塊石群體。美國俄勒岡州高速公路部門建議，在河流橫截面上礫石的放置應(yīng)不能阻塞超過1/3的通道面積，合理限制值應(yīng)在20%到30%[8]。本設(shè)計因河道較窄，河道斷面面積對行洪影響較大，可將礫石斷面面積與河道行洪斷面面積之比控制在10%以下，且盡可能布置在行洪斷面較大處，在一定程度上為魚類提供異質(zhì)化生活空間。

3.1.3沖刷處防護

現(xiàn)狀河床為砂質(zhì)，根據(jù)GB 50286—2013附錄D.2按下式計算泥沙起動流速(張瑞瑾公式)：

(4)

式中，vc—泥沙起動流速，m/s；H0—行近水深，m；d50—床砂中值粒徑，m；γs、γ—床砂、水的容重，kN/m3。

因本治理段河道走向大體一致，按照水流平行于岸坡計算近岸垂線平均速度和沖刷深度，公式如下：

(5)

式中，vcp—近岸垂線平均流速，m/s；vw—水流行近流速，m/s；η—水流流速不均勻系數(shù)。

(6)

式中，hs—沖刷深度，m；H0—行近水深，m；vcp—近岸垂線平均流速，m/s；vc—泥沙起動流速，m/s；n—系數(shù)，一般取值1/4～1/6。

帶入數(shù)據(jù)計算，得泥沙起動流速vc=0.31m/s，近岸垂線平均流速vcp=1.10m/s，沖刷深度hs=0.75m。

在坡腳處、防護段與上下游現(xiàn)狀土質(zhì)河床、邊坡銜接處需設(shè)置相應(yīng)的防沖刷設(shè)施。參照CECS 456:2016的4.1.2條：“基礎(chǔ)底面應(yīng)設(shè)置在計算沖刷深度之下0.5～1.0m?！逼履_處采用厚度0.5m的格賓石籠，錯縫設(shè)置兩層，底部設(shè)置塊石墊層；在防護段與上下游現(xiàn)狀土質(zhì)河床、邊坡銜接處設(shè)置垂直齒墻或傾斜延伸段。故基礎(chǔ)底面距離河床底面不小于1.25m。

3.1.4防水毯

本次設(shè)計采用天然鈉基膨潤土防水毯，置于土石籠袋底部。該種防水毯具有滲流系數(shù)小、保水性好、耐久性強、施工工期短、施工簡單，同時也不會阻斷水體與河床土基之間的物質(zhì)能量交換。

3.1.5土方回填要求

河床土質(zhì)為黏性土，對河床及邊坡土方回填要求參照GB 50286—2013的7.2.4條，屬于堤身高度低于6m的3級以下堤防，壓實度不低于0.91。

3.2 擋墻

河道設(shè)計為復(fù)式斷面，中間平臺處設(shè)置兩座重力式擋墻，材質(zhì)為混凝土，按間距2m梅花狀布設(shè)排水管，管口用土工布包裹，起到濾土排水、釋放墻后水壓力的作用。每隔10m分縫，底部鋪設(shè)砂礫料墊層。兩擋墻斷面尺寸一致，擋墻之間為淺灘濕地。

近河水側(cè)擋墻頂部沿水流方向每隔50cm留置一道20cm×20cm的流槽，營造跌水景觀效果。按照GB 50420—2007《城市綠地設(shè)計規(guī)范》4.0.9條和GB 51192—2016《公園設(shè)計規(guī)范》5.3.3條[9- 10]，本次設(shè)計擋墻頂部(流槽底高)距離設(shè)計常水位高差為0.5m，近岸側(cè)2m范圍內(nèi)設(shè)計常水位水深0.5m(<0.7m)。

遠河水側(cè)擋墻與景觀規(guī)劃園路銜接，兩擋墻之間可根據(jù)需求設(shè)置懸挑休憩平臺，作為園路的配套設(shè)施，同時也更好地增加了親水性。

擋墻的穩(wěn)定與邊坡穩(wěn)定驗算方法基本一致，通過優(yōu)化斷面尺寸可節(jié)省混凝土方量，從而節(jié)省造價，具體方法不再贅述。

3.3 景觀規(guī)劃園路及堤頂巡河路

景觀規(guī)劃園路主要考慮兩個方面：一是結(jié)合“海綿城市”理念，采用透水性路面材質(zhì)；二是考慮路面材質(zhì)的平整舒適度和綠色環(huán)保。園路汛期可臨時行洪，園路寬度擬訂為4m，一側(cè)臨近淺灘濕地，在部分淺灘較寬處設(shè)置懸挑平臺，配置休憩座椅及設(shè)施；另一側(cè)為綠植緩坡，坡度控制在1∶3.0～1∶5.0，以避免較陡邊坡對行人的壓迫感。

巡河路位于河道堤防之上，堤防起到防洪作用，堤防高程=設(shè)計洪水位+堤頂超高，堤頂超高包括三部分?jǐn)?shù)值，分別是波浪爬高、風(fēng)壅水面高度及安全加高。因本次設(shè)計對二級平臺進行了拓寬，確保了良好的親水性的同時增加了蓄滯洪區(qū)域，上級邊坡的坡比設(shè)計也是為景觀植入提供了基礎(chǔ)條件，對比規(guī)范后發(fā)現(xiàn)因二級平臺寬度和坡度數(shù)值無法套用GB 50286—2013及《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》中復(fù)式斜坡堤的波浪爬高計算公式。暫且按照GB 50286—2013中單一斜坡計算。

按照GB 50286—2013附錄C.2和C.3計算波浪爬高及風(fēng)壅水面高度公式如下：

(7)

m=cotα

式中，Rp—累計頻率為P的波浪爬高，m；KΔ—斜坡糙率及滲透性系數(shù)；Kv—經(jīng)驗系數(shù)；Kp—爬高累計頻率換算系數(shù)；m—斜坡坡率；α—斜坡坡角；hm—平均波高，m；Lm—平均波長，m。

(8)

式中，e—風(fēng)壅水面高度，m；K—磨阻綜合系數(shù)，取3.6×10-6；D—風(fēng)區(qū)長度，m；g—重力加速度，9.80m/s2；d—岸坡前水深，m；β—風(fēng)向與軸堤線法線的夾角。

經(jīng)計算，上級邊坡為1∶3.0時，波浪爬高值較大，為1.15m，風(fēng)壅水面高度為0.006m。故堤頂超高為1.76m。設(shè)計洪水位介于36.11～37.15m之間，故堤頂計算高程介于37.87～38.90m之間。因原堤頂存在現(xiàn)狀土路，用于農(nóng)業(yè)機械設(shè)施下地，故本次設(shè)計盡可能不擾動原狀地基土，暫不考慮堤防地基沉降量。結(jié)合堤頂巡河路高程要求，堤頂設(shè)計高程不低于39.00m，滿足防洪要求。

巡河路路面寬度擬定為4.5m，兩側(cè)可設(shè)置樹木庇蔭，在滿足巡河功能下連接了南北兩側(cè)市政路，進一步完善了市政道路網(wǎng)。

3.4 水生動植物

為恢復(fù)原河道水生動植物體系，通過調(diào)查當(dāng)?shù)刂饕~類品種，人工投放一定數(shù)量的當(dāng)?shù)赝林鷦游?，例如蟹類、魚類等，嘗試構(gòu)建較為完善的食物鏈。同時在不影響行洪前提下，選擇河道部分較為寬廣的彎曲段設(shè)計成淺灘，作為魚類繁衍空間。魚類傾向于選擇在彎曲度較大的河流，特別是河灣的凹岸處產(chǎn)卵，當(dāng)主河道發(fā)生大水時凹岸區(qū)域便成為幼魚的避難所，幫助幼魚發(fā)育度過脆弱期、降低幼魚的死亡率[11]。

水生植物的選擇盡可能滿足存活率高、生命周期長、根系發(fā)達、自凈效果強、美觀性好且便于后期運維管理的特點。在空間層次上可進行沉水、挺水、浮水植物的組合搭配。水生植物總覆蓋度控制在水域面積的30%～50%左右。

4 結(jié)語

本文通過對山東濟寧市某中小河道治理工程的現(xiàn)狀問題，提出相應(yīng)的設(shè)計思路和采取的主要措施，堅持“人-水-生態(tài)”的理念，運用生態(tài)水利的設(shè)計思想，主要對河道典型橫斷面的設(shè)計進行了較為詳細的描述，包括采取的柔性駁岸材質(zhì)及相關(guān)重要指標(biāo)的計算確定，以此為設(shè)計師提供參考。

當(dāng)下設(shè)計院已經(jīng)逐步適應(yīng)了生態(tài)水利的設(shè)計理念，“粗老笨重”的傳統(tǒng)水利工程已經(jīng)逐漸淡出視野，如何更好的結(jié)合生態(tài)措施還需要多加思考。在實際設(shè)計中，設(shè)計師應(yīng)盡可能保持知識更新，將較為前沿的知識應(yīng)用在實際項目當(dāng)中，根據(jù)實施效果不斷反饋調(diào)節(jié)設(shè)計，以求實現(xiàn)設(shè)計創(chuàng)新。