堤防生态建设在丹江老河坎下游段的应用

□何 康 □任泽垠 □张竟之

（1国务院南水北调办公室稽察大队；2南阳市水利建筑勘测设计院；3河南灵捷水利勘测设计研究有限公司）

1 生态护岸的功能

生态护岸作为一种新型的护岸型式，其功能主要体现在以下几点：一是防洪效应：生态护岸作为一种更加高级的护岸形式，当洪水来临时，洪水通过坡面植被大量地向堤中渗透储存，便可以起到削弱洪峰、延滞径流的作用；二是生态效应：生态护岸的修建，在发挥相应防洪效果的同时，可以把水、河道、堤防、河畔植被等连成一体，构成一个完整的河流生态系统；三是景观效应：生态大堤能够形成树木与水生植物交相辉映的绿色长廊，使得昔日的碧水漪漪、青草涟涟的动态美得以重现；四是自净效应：生态护岸系统中种植有大量的水生植物，能从水中吸收无机盐类营养物质，其庞大的根系还是大量微生物吸附的良好介质，从而起到水质净化的作用。

丹江流经荆紫关镇老河坎下游河段，由于河槽滚动无常，河道冲淤不定，加之丹江属于山区性河流，年际和年内流量变幅大，洪水暴涨暴落，水位变幅达5.00m深，导致该河段历史上曾多次出现洪涝灾害，严重威胁着两岸人民生命财产的安全，影响社会稳定，制约经济社会可持续协调发展，受到各级党和政府的高度重视。为充分发挥防洪效益，长江水利委员会建议开展老河坎下游河段防洪治理工程，防洪治理工程内容主要为左岸长523m堤防工程。

2 工程概况

2.1 基本情况

丹江荆紫关镇老河坎下游河段防洪治理工程位于丹江中游左岸豫鄂两省水事纠纷河段下游处，该工程河段左岸为河南省淅川县荆紫关镇史村，右岸为荆紫关镇吴村。

丹江荆紫关镇老河坎下游河段河谷开阔，水位变幅较大，每遇洪水经常发生洪涝灾害，危及沿岸居民安全，毁坏农田。淅川县荆紫关镇地处山区，山多地少，土地资源极为宝贵，加之当地经济落后，群众收入较低，为了保护耕地，当地群众在老河坎下游沿岸修建了一些沙堤来抵御洪水袭击。修建的沙堤防洪标准低，工程质量差，遇上稍大一点的洪水便被冲毁。2005年8月，老河坎下游约650m长的沙堤被洪水冲毁，吞噬沿岸农田近20hm2。

2.2 洪峰流量

通过对历史洪水和实测洪峰资料的分析，根据《水利水电工程设计洪水计算规范》和洪水资料，通过洪水频率复核计算，原荆紫关水文站20a一遇设计洪水流量为4640m3/s，和1987年洪水流量4860m3/s接近。将收集到的35a来实测年最大洪峰流量资料，按变量大小递减排列，并计算各变量的经验频率，点绘在频率格纸上，计算水文系列的统计参数Q、CV。

采用皮尔逊Ⅲ型曲线法，经过分析论证，选出一条与经验点据配合最好的曲线，作为计算结果见表1，从该曲线读出对应设计频率设计洪峰特征。

表1 荆紫关水文站洪峰流量频率计算成果表

由于丹江老河坎段无实测洪水资料，无法直接计算工程所在河段的洪水，但同一流域丹江上设有荆紫关水文站，和本工程的位置十分接近。因此，可通过荆紫关水文站洪水资料按面积比法间接推求本工程的设计洪峰流量。鉴于水文站与本工程同处一镇，两者的距离十分接近，且区间没有支流汇入，两者的计算洪水差异很小。因此，直接采用荆紫关水文站的洪水计算成果，即老河坎下游段工程位置处20a一遇设计洪水洪峰流量为4350m3/s。

2.3 工程地质

丹江荆紫关镇老河坎下游河段防洪工程堤防坐落在宽阔的河滩地上。1995年9月，长江水利委员会汉江水文水资源勘测局在丹江左岸老河坎上游约1800m处进行了浅层坑探，从地面至地面以下2m皆为细砂，地面以下2～2.05m为粗砂，2.05～2.15m又为细砂，2.15～2.25m为卵石类砂层，河床组成主要为卵石夹砂。

3 堤防生态建设措施

3.1 修复河道形态

大江大河在枯水期水量较小甚至长期断流，而在汛期则水量激增甚至造成河流改道。经过长期的河道演变及变迁，从而形成了现在深浅交错、流向多变的河道形态。但是，正是这种弯曲多变的河流系统，却具有高效的生态效益，如减少水土流失、扩大生态环境面积、增加生态多样性等。

3.2 修复河床断面

传统的河道治理工程造成了河道景观遭到破坏，河流中生物赖以生存的自然环境也随之消失，水环境逐渐恶化。修复河床断面，主要是改造河流中被硬化覆盖了的河床，恢复河床的多孔质化、多样性，同时建设生态型河堤，为水生动植物重建生长及栖息环境，这将使河流集防洪、生态功能于一体。

3.3 修复河岸生态系统

河岸在陆地和水系之间进行着营养物质及能量的转换，两者相辅相成，互为补充，且作为湿地的组成部分之一，河岸带具备湿地几乎所有的功能。因此，有必要在河流护岸工程设计时改变传统的设计思路，引入生态护岸的理念。

4 本工程生态护岸设计

4.1 原传统护岸设计

4.1.1 桩号0+000～0+225段

堤防断面采用梯形断面。临水侧和背水侧均采用浆砌石挡土墙，墙顶宽均为0.40m，水泥砂浆标号为M5，临水侧及背水侧挡土墙临水面坡比均为1:0.20，背水面为铅直面。临水侧和背水侧浆砌石挡土墙之间回填砂卵石，砂卵石干密度≥19.40kN/m3。堤防顶采用0.20m厚的细石混凝土砌卵石封顶，堤顶宽为4.00m。

4.1.2 桩号0+225～0+235段

该段为过渡段，对两段不同断面形式的护坡，采用浆砌石扭曲面平顺连接，连接段厚0.80m，长10.00m。

4.1.3 桩号0+235～0+523段

对原砂堤进行加宽培厚，并在迎水侧和背水侧均采用浆砌石护坡，迎水侧及背水侧浆砌石护坡厚度均为0.30m，护坡坡比均为1:1.73，坡脚设浆砌石挡墙。堤防顶采用0.20m厚的细石混凝土砌卵石封顶，堤顶宽为4.00m。

4.1.4 稳定计算

桩号0+000～0+225段堤防结构形式为重力式挡土墙，其建筑物等级为4级，根据地质条件，堤防基础均为砂基，挡土墙底部与砂基的摩擦系数取0.30，地基允许承载力为180kN/m2，最小抗滑稳定安全系数［Kc］=1.20，允许最大地基应力不均匀系数为2，最小抗倾覆安全系数［K0］=1.40，填土湿容重19kN/m3，浆砌石容重22kN/m3。

计算条件：根据实际情况计算两种工况:1、外江水位为20a一遇洪水，堤内无水；2、施工完建期。计算结果见表2。

表2 堤防稳定计算成果表

从上表可以看出，挡土墙的抗滑稳定安全系数>1.20，抗倾覆安全系数>1.40，地基应力小于地基承载能力,地基应力不均匀系数小于允许不均匀系数，满足要求。

桩号0+230～0+523段堤防结构形式为贴坡式护堤段，该段堤防填筑为砂砾石，设定边坡1:1.73，根据《堤防工程设计规范》（GB50286—2013），堤坡稳定计算按瑞典圆弧滑动法计算。经计算，堤坡施工期水位降落抗滑稳定安全系数为1.25，堤坡稳定期抗滑稳定安全系数为1.33，满足规范规定要求。

4.1.5 传统护岸的预算投资如下

一是主要工程量：土砂方开挖5185m3，土砂方回填5336m3，砌体3855m3，混凝土161m3。二是主要材料用量：水泥398.60t，碎石475.19m3，砂1587.48m3，块石3885.84m3，柴油2.22t，总工时54382个。三是工程预算总投资为110.32万元。其中，建筑工程86.63万元，临时工程2.00万元，其他费用21.69万元。

4.2 格宾挡墙设计

格宾是将低碳钢丝经机器编制而成的双绞合六边形金属网格组合的工程构件，在构件中填石构成主要用于支挡防护的结构。格宾重力式挡墙的基本稳定原理与浆砌石重力挡墙和混凝土重力挡墙相同，均是通过墙体自身重量来维持挡墙在土压力下的稳定。格宾重力式挡墙的外形通常有外台阶、内台阶、宝塔式三种。

在桩号0+000～0+230堤防段采用镀高尔凡格宾生态挡墙，面墙退台0.50m。根据墙前冲刷防护形式的不同，护脚采用增加格宾挡墙埋深防止墙趾冲刷。格宾挡墙+增加挡墙埋深防冲，挡墙底部埋深应在最大冲刷深度以下≥0.50m处。

4.3 雷诺护垫设计

当雷诺护垫防护体系的抗冲能力大于实际的冲刷时，该防护体系就可以认为是成功的。而雷诺护垫的抗冲能力主要由两方面因素所提供：雷诺护垫内部填石自身的抗冲能力，以及钢丝网箱所能提供的限制石料位移的能力。然而在实际工程设计中，通常不会将这两方面因素分开考虑，而是采用将整个雷诺护垫防护体系视做一个整体进行考虑。

根据防冲刷稳定分析的两种思路（允许剪应力法和允许流速法），通过详尽的雷诺护垫的抗冲刷模型和原型试验，可以得出其允许流速，见表3。

表3 雷诺护垫系列防护与流速关系表

在桩号0+230～0+523堤防段采用镀高尔凡雷诺护垫生态护坡防护，厚度为30cm（双隔板），边坡坡比1：1.73，根据坡脚冲刷防护形式的不同，采用延长雷诺护垫护脚。雷诺护垫护坡+延长雷诺护垫护脚，延长长度为最大冲刷深度的1.50～2倍。

5 预算投资比较

一是主要工程量为：土砂方开挖3630m3，土砂方回填3575m3，格宾1955m3，双隔板雷诺护垫2784m2。二是主要材料用量：石料（鹅卵石或块石）2790m3，土工布（250g/m2）4739m2，柴油1.08 t，总工时19034个。三是工程预算总投资为88.41万元。其中，建筑工程69.39万元，临时工程1.70万元，其他费用17.32万元。

采用传统的浆砌石护岸，总投资为110.32万元，而采用生态格宾和雷诺护垫护岸，总投资88.41万元。经比较，采用混合型生态护岸，可节省投资21.91万元。

6 结论

传统的堤防建设大多采用硬质护岸，从而破坏了河流自身生态系统的多样性。研究探索在保证河道防洪安全的同时又能改善河道周围生态环境的堤防建设新技术，并深入了解人水和谐的生态理念。在今后的河流整治中，不仅仅要考虑其安全性还要注重生态景观建设，不仅仅要满足人们物质的需求更要满足精神上的需求，修复更多的生态河流是全社会的共同目标。这对提高堤防抗御洪水能力，构建人水和谐的社会环境，有着重要的理论意义和实际应用价值。