姜延宏
(甘肅省武威市涼州區(qū)雜木河水利管理處,甘肅 武威 733000)
柵格結(jié)構(gòu)是一種網(wǎng)格狀的護岸,柵格內(nèi)可填充砂石,種植植物;底部有孔,可以與坡底土壤相連,形成一個“水下- 岸坡- 水上”的共生系統(tǒng),對提高河道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有積極幫助。近年來,柵格結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于河道治理中,現(xiàn)結(jié)合某護城河的改造實例,對生態(tài)河道柵格結(jié)構(gòu)的規(guī)劃要點和應(yīng)用實踐展開分析。
某地護城河修建于1994 年,長度13.07 km,橫斷面呈梯形,河底寬度14.7~21.1 m,上口寬度29.4~46.2 m,深度5.0~14.4 m,見圖1。該護城河兼有蓄積雨水和排水泄洪功能。近年來,隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)進程的加快,該護城河的污染問題也變得愈發(fā)嚴(yán)重。從2011 年開始,該市投入大量資金、人力、設(shè)備實施護城河改造工程,在改善水質(zhì)、景觀營造等方面取得了顯著成效。但是在部分河段,還存在河道過分硬化、岸坡植被稀疏、親水平臺的親水性差等問題?;诖?,本研究提出了一種基于生態(tài)水利工程理念的河道柵格結(jié)構(gòu)改造方案。
圖1 護城河實景
對河道的護岸結(jié)構(gòu)進行改良設(shè)計,替換成綠濱墊型護岸,坡腳選擇固濱籠護砌。其中,綠濱墊的垂直防護高度為3.66 m,護岸迎水面邊坡的坡長為7.7 m,岸坡坡度1:2,在護岸的頂部使用0.6 m 寬的壓頂。充分利用護岸頂部空間,栽種垂柳、榆葉梅等樹木。樹間距統(tǒng)一設(shè)計為1.5 m,定期修剪樹枝使樹高控制在2.0~2.5 m。為提高護岸景觀效果,在綠濱墊塊石上平鋪厚度為30 cm 的生態(tài)袋。同時用石籠網(wǎng)兜住塊石與生態(tài)袋,起到固定效果。生態(tài)袋內(nèi)含有草籽,一段時間后長出草本植物,起到固土、綠化的效果[1]。綠濱墊的下方為一層厚度約30 cm 的砂礫墊層,該墊層以下是無紡?fù)凉げ?,一直延伸到護腳。護岸回填部分要注意保證密實,可在分層填土?xí)r使用工具夯實。賓格石籠內(nèi)裝填塊石,對塊石的具體要求見表1。
表1 格賓石籠填充物的性能指標(biāo)
河道護岸使用“綠濱墊+固濱籠”相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式,進一步提高了河道護岸的防洪性能。
擋土墻適用于岸坡坡度>1:1.5 的河道,根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同,又可分為墻背擋土墻、坡面擋土墻、網(wǎng)箱擋土墻等若干種型式。在本次生態(tài)河道柵格結(jié)構(gòu)設(shè)計中選擇網(wǎng)箱擋土墻,并做如下設(shè)計:
網(wǎng)箱擋土墻的上、下側(cè)均需要設(shè)置扶壁,其中上游扶壁在距離護城河上游邊界3.0 m 處,下游扶壁在距離護城河下游5.5 m 處,伸入河岸部分不得低于4.0 m。根據(jù)往年護城河的水位變化規(guī)律,確定網(wǎng)箱擋土墻的基礎(chǔ)埋深,一般要求網(wǎng)線擋土墻的基礎(chǔ)部分埋設(shè)于最大沖刷深度以下。對于護城河的彎曲段,考慮到河水沖刷較為明顯,因此在設(shè)置網(wǎng)箱擋土墻時,還應(yīng)增加網(wǎng)墊護坦。網(wǎng)箱擋土墻必須同時具備較強的擋土能力和一定的透水效果。因此網(wǎng)線擋土墻的填料選型十分關(guān)鍵??蛇x擇粒徑在10~30 cm 的碎石,同時回填一層粒徑在2~3 cm 的細(xì)砂,形成濾層。網(wǎng)箱擋土墻的土壓力(K)可根據(jù)“數(shù)解法”求出:
式中:q 表示地表均勻荷載;γ 表示填土重量;H 表示擋土墻高度;α 表示墻背與水平面的夾角;β 表示填土表面與水平面之間的夾角。要求擋土墻能夠承受的土壓力必須大于擋土墻后土體的實際壓力,才能保證整體的穩(wěn)定性。
生態(tài)格網(wǎng)由鋼絲、填石、濾層三部分組成,各組成成分的設(shè)計要求見表2。
表2 生態(tài)格網(wǎng)的材料組成及要求
在生態(tài)格網(wǎng)設(shè)計中,還應(yīng)注意以下技術(shù)要點:(1)科學(xué)選用生態(tài)格網(wǎng)的規(guī)格。該設(shè)計方案中使用到2 種規(guī)格的生態(tài)格網(wǎng),一種是網(wǎng)孔60 mm×100 mm,鋼絲直徑2.5 mm~3.0 mm;另一種是網(wǎng)孔100 mm×150 mm,鋼絲直徑3.5 mm~4.0 mm。將鋼絲圍繞4 倍于直徑的芯軸纏繞5 圈后,用尖針刮擦鍍層,可避免生態(tài)格網(wǎng)開裂或脫落的情況[2]。(2) 對填石進行篩選,要求生態(tài)格網(wǎng)中粒徑小于網(wǎng)目的石料不得超過10%。在放置填石時,應(yīng)按照“外大內(nèi)小”的原則,用砂礫填充石料的縫隙,保證外部裸露的石料擺放整齊、力求美觀。(3) 在垂直方向上,每隔40 cm 設(shè)置一道水平拉筋,按照由外向內(nèi)的方向張拉,使拉筋張緊,保證內(nèi)部的土石料穩(wěn)定,可有效避免河水沖刷導(dǎo)致土石料流失的問題。(4) 濾層所用的土工織物,優(yōu)先考慮耐沖磨、易滲透的無紡?fù)凉た椢铩?/p>
根據(jù)實地勘察結(jié)果,該護城河部分河段由于水流平緩,河底淤泥較多,主河槽的寬度不足原來的2 3 ,不利于洪水排泄,因此在河道改造中需要進行清淤拓寬設(shè)計。清淤寬度100~280 m,在原始河道范圍之內(nèi)。清淤拓寬以后,可使河水流速有一定的增加,增強對河底泥沙的沖刷能力,形成良性循環(huán)。在河段清淤作業(yè)中,開挖出來的土方可作為砌筑護岸的材料,其他剩余的材料可集中清運到附近的坑塘,用于保護岸灘。
該護城河現(xiàn)有的溢水堰屬于梯形型式,從測量數(shù)據(jù)來看,高水位與低水位之間的落差超過了2 m。在雨季雨水較多的情況下,水流會漫過溢水堰;在旱季雨水偏少的情況下,水流則經(jīng)過溢水堰底部的排水孔流出。這種型式不利于堰壩頂部植被的生長,無法發(fā)揮護城河的景觀效益。因此,在生態(tài)河道的景觀柵格結(jié)構(gòu)改造中,將梯形直立的溢水堰改造成為斜面柵格形式,并且在柵格中填充生態(tài)袋和砂石。生態(tài)袋內(nèi)為蘆葦?shù)人参锏姆N子。這樣當(dāng)雨季來臨,河流水漫過溢水堰的斜面后,可以為水生植物提供良好的生長環(huán)境,達(dá)到景觀綠化的效果;而進入旱季后,斜面柵格本身有一定的蓄水能力,也能滿足水生植物的生長所需[3]。采用這種結(jié)構(gòu)進行溢水堰改造,可以兼顧生態(tài)效益和觀賞價值。河道溢水堰的斷面設(shè)計見圖2。
圖2 河道堰壩縱向斷面設(shè)計
從調(diào)查情況來看,該護城河現(xiàn)有的幾處親水平臺,都是采用直接臨水的設(shè)計,由于采用的是直立式的砌墻結(jié)構(gòu),使人產(chǎn)生一種突兀感?;谏鷳B(tài)河道的柵格改造,是將直立式的砌墻結(jié)構(gòu)改為斜面柵格結(jié)構(gòu),并且保證斜面柵格均勻分布在人行道以外、近水面以上,利用斜面柵格結(jié)構(gòu)將河面、河道以及沿河步行道連接成為有機整體,改善河道生態(tài)。柵格空間內(nèi)可以填充生態(tài)袋或者普通的砂土,并且種植一些草本植物或灌木,起到綠化河岸、蓄水保土的效果。需要注意的是,親水平臺的柵格結(jié)構(gòu)并不是獨立的系統(tǒng),而是要與岸邊深層土質(zhì)相互聯(lián)系。這樣一來,當(dāng)雨季河道水位上漲時,河流水就能通過柵格空間向深部土層滲透,起到補充地下水的效果;在進入旱季以后,親水植物則可以從深層土壤中吸收水分維持自身的生長。采用這種斜面柵格式的親水平臺設(shè)計,可以進一步增強親水平臺,改善了河岸景觀。親水平臺以下河道堤岸的結(jié)構(gòu)見圖3。
圖3 親水平臺以下河道堤岸橫斷面設(shè)計
護城河的堤岸大部分區(qū)域采用了磚砌結(jié)構(gòu),使得護坡隔水面顯著增加。雖然客觀上起到了疏導(dǎo)水流的作用,但是削弱了河道堤岸的景觀效益。因此,基于生態(tài)理念對河道堤岸進行改造,應(yīng)兼顧生態(tài)效益和實用功能。在現(xiàn)有的堤岸坡面上進行小孔徑孔隙柵格化處理,使用鉆機垂直于坡面鉆孔,孔徑為2 cm,孔深為1.0~1.2 m,孔間距為30 cm,排間距為50 cm,保證小孔均勻排列,提高美觀性[4]。然后向小孔內(nèi)填塞草籽,或者是種植花卉。通過合理布局,無論是在雨季高水位時,還是旱季低水位時,都能保證護城河堤岸上有可以欣賞的景觀,同時發(fā)揮了生態(tài)效益、觀賞價值和實用功能。
該護城河的河道統(tǒng)一采用矩形混凝土隔水凹槽式結(jié)構(gòu),屬于典型的“三面光”結(jié)構(gòu)。由于混凝土本身有良好的防滲性能,因此使河道內(nèi)外環(huán)境相互獨立,河道可以看作是一個獨立的儲水系統(tǒng)。這種河道設(shè)計不僅導(dǎo)致河道底部容易出現(xiàn)淤積,而且不利于河流水生態(tài)的穩(wěn)定性,容易出現(xiàn)水質(zhì)變差問題。針對這一現(xiàn)象,基于生態(tài)河道理念對該護城河的河道進行了改良設(shè)計。具體內(nèi)容如下:
首先是在河床的底部,靠近兩岸親水平臺的地方,修建了柵格結(jié)構(gòu)的箱狀構(gòu)筑物。在具體的布局上,以河道兩岸為中心,依次向外延伸,直到擋土墻處。這些構(gòu)筑物高低不同,呈錯落分布狀,并且分隔出若干深淺不同的箱狀空間??梢韵蜻@些空間中人工填筑一些砂石,并根據(jù)水位的高低種植不同的水生植物。在距離堤岸較近的淺水區(qū),可種植一些挺水植物,如荷花、菖蒲等;而距離堤岸較遠(yuǎn)的深水區(qū),則種植一些沉水植物,如黑藻、金魚藻等[5]。這些水生植物除了發(fā)揮美化河道經(jīng)過的作用外,還能為水生動物提供棲息地,對提高河道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有積極效果。經(jīng)過改造后的生態(tài)河道斷面見圖4。
圖4 河道平面設(shè)計
在硬質(zhì)河床的生態(tài)化改造中,使用柵格形式代替原來光滑的硬質(zhì)河床是一種理想的選擇。但是要想達(dá)到理想的改造效果,還應(yīng)根據(jù)河道內(nèi)水流的流速以及河水的水質(zhì)等,確定柵格規(guī)格的大小。這是因為河道柵格有一定的阻水效果,如果盲目增加?xùn)鸥竦囊?guī)格,可能會導(dǎo)致護城河的水流速度嚴(yán)重減緩,加重泥沙的沉積。如圖4 所示,該護城河的河道柵格結(jié)構(gòu)規(guī)劃中,將河道兩側(cè)柵格的規(guī)格控制在2 m 左右,可以取得較好的綜合效益。
在生態(tài)河道治理中,推廣生態(tài)河道柵格結(jié)構(gòu),可以在生態(tài)效益、觀賞價值、防洪效果等方面達(dá)到統(tǒng)籌兼顧。生態(tài)河道柵格作為一種硬性網(wǎng)格結(jié)構(gòu),不僅起到了加固堤岸、保水固土的效果,而且還能在柵格內(nèi)種植植物、花卉甚至是樹木,發(fā)揮了景觀綠化的作用,對切實改善河道整體生態(tài)有積極幫助。在河道柵格結(jié)構(gòu)的規(guī)劃設(shè)計與實踐應(yīng)用中,應(yīng)做好河道沿線調(diào)查,掌握岸坡坡度、水位變化等基本信息,然后基于生態(tài)理念提出河道柵格結(jié)構(gòu)的改造方案。其中,河道堤岸改造、親水平臺改造、溢水堰改造等,都是生態(tài)河道柵格改造設(shè)計的重點內(nèi)容。只有進行科學(xué)的改造設(shè)計,才能保證河道柵格結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用效果達(dá)到最優(yōu)。