砂质河道治理防护方案选择

2016-02-04王恒

治淮 2016年9期

王　恒

砂质河道治理防护方案选择

王恒

随着经济社会的快速发展，人类与河道之间的关系越来越密切，同时两者之间的矛盾也日益突出。如何协调好人类社会发展与河流健康发展之间的关系，是今后河道治理过程中的一个重要课题。长期以来，传统的河道治理往往只重视防洪兴利等基本功能，而忽略了对生态环境的保护，使得河道的生态多样性越来越差。近年来，随着人们认知水平的进一步提高，逐渐意识到河道治理中生态建设的重要性，所以针对不同土质的河道，根据其地质情况、材料特性、景观要求及经济性等多方面因素，选择能够结合防洪兴利与生态两方面要求的护砌型式来进行综合治理是非常必要的。

一、工程概况

北汝河是淮河流域沙颍河水系的主要支流，西南与沙河毗邻，西北以伏牛山为界，东北与颍河相接。北汝河发源于伏牛山区，流经嵩县、汝阳县、汝州、宝丰、郏县、叶县和襄城县，干流河道长250km，控制流域面积6080km2。北汝河在紫罗山以上属山区河道，河道宽200～1000m，河床质为卵石夹砂，河底比降1%～0.33%，河道比降较陡；紫罗山至襄城段为浅山丘陵区，河槽骤然变宽，河道行洪宽度为1000～2000m，河床质为卵石夹砂，河床比降0.30%～0.17%；襄城以下为平原区，河道变窄，最窄处仅有100～200m，河床质为砂，河道比降平缓（见《北汝河汝州和郏县河段治理工程实施方案》）。北汝河复杂的自然地理和水文特征造就了其独有的河道特征。

1.河道堤防质量差，防洪标准低，现状砂堤难以控制洪水

建国以来，北汝河未经系统治理，两岸现状堤防长约130km，但现状堤防矮小、质量差，防洪标准不足10年一遇。特别是上、中游堤防多采用砂砾石堆筑，因风浪冲蚀体系已不完整，且许多地段无堤防，现存堤防高度1～3m，堤顶宽1～4m，堤防工程不达标；下游堤防虽较完整，多采用粘土筑堤，堤高4.5～5.0m，堤顶宽4～7m，但砂质河岸险工较多。汛期暴雨来临时原有堤防难以约束峰高量大流急的洪水，河道漫堤行洪，严重威胁着沿河两岸人民群众生命和财产安全。

2.砂质河床稳定性差，主河槽游荡不定，极易淘冲堤脚

北汝河干流无大型洪水控制工程，上游山区雨量不均，河道来水量变化过程复杂，各河段的比降变化大，河床内乱掘地多，坑洼不平，河床形态复杂，造床流量范围广。因此北汝河上游段主流深泓经常偏移，游荡不定，甚至局部存在横流现象，水流往往直逼堤脚，影响河势稳定；下游床道弯道多变，迎流顶冲造成滩地陡峭，形成了大量险工段。

3.砂质堤防防渗能力差，抗冲能力不强，堤防防护困难

汛期洪水高水位时，堤基、堤身渗漏，堤防边坡失稳、坍塌现象严重。河床宽阔，风大浪急，砂卵石堤防自身防护性能差，风雨侵蚀严重。

另外，根据平顶山市城市发展规划需结合考虑河道治理后与汝州、郏县城区发展相匹配，在保证人民生命财产安全的前提下建设绿色宜居的生态环境，美化城市，促进周围经济的可持续性发展。

二、岸坡防护方案的类型及特点

1.传统岸坡

传统的岸坡护砌常以混凝土、砌石等硬性材料为主，护砌方法由早期的沉柴排、抛石、浆砌（干）石发展至混凝土铰链排、模袋混凝土等新技术。设计上主要考虑岸坡的稳定，以安全经济为主，其主要特点为：（1）抗冲刷能力强，整体稳定性好，可以充分发挥河道的行洪、排涝等功能；（2）材料常规，料源丰富，可以就地取材，同时机械化施工程度高，施工速度快（3）适应变形能力差，遇到较差的地质情况容易产生结构破坏，不便修复；（4）分割了水陆之间的连续性，忽略了生态及环境方面的要求，无法实现绿色效应。

2.生态岸坡

目前国内外采用较多采用的生态护砌类型主要有以下三大类：

（1）植被护坡，包括人工种草，人工铺草皮，栽种岸坡乔、灌木等，主要是利用植被根系网络固结土壤，增强坡面的抗侵蚀性，减少坡面土壤流失。该种方法主要用于设计高水位以上部分或与亲水景观相接部分，护坡效果明显，投资经济。

（2）生态袋护坡，通过土工织物或者编制袋填土，由土工合成材料在岸坡土壤表层形成覆盖网，再按一定组合和间距种植多种植物，通过植物生长达到根部加筋的目的，增强岸坡稳定性和抗侵蚀能力，可用于水流较大河道。

（3）格宾网笼护砌，由箱笼加上填充物构成，填充物可以就地取材，具备抗风化能力即可，外部网笼一般采用热镀锌工艺制成的高镀锌低碳钢丝，耐久性强。网笼既能够适应地基不均匀沉降的变形，又可以抵御水流的拖曳、冲刷作用，还为植物提供了生长条件，改善自然生态环境，在河流流速较大或近河流深泓的岸坡上均可适用。

三、岸坡防护设计

据现场调查和砂砾石土的散粒特征，北汝河现状堤防岸坡破坏的主要形式为渗透破坏和水流冲刷破坏，同时结合城市发展的景观需要，做好砂砾石堤防岸坡的防渗、防冲以及生态设计是该河道治理的关键所在。

1.防渗设计

由于北汝河治理河段堤防较长，填筑土方约400万m3，工程量较大，若采用常规粘性土筑堤，需征用大量土地（包括耕地），与国家的土地政策不相适应，在经济及政策方面都是不可行的。同时北汝河河道内砂卵石料丰富，就地取用河道内的砂砾石填筑堤防成了最终设计方案。由于砂砾石层渗透性强，抗冲刷能力低，渗透系数A×10-2cm/s，允许水力坡降0.20，工程地质条件分类为C类。通过渗透稳定计算，无防渗措施情况下计算堤身水力坡降大于0.20，因此采用合理的防渗措施保证堤防安全是非常必要的。通过对斜墙防渗和垂直防渗两种方案的对比，由于堤基砂卵石层较厚，采用垂直截渗深度大，造价高，故最终选择采用斜墙防渗。即在迎水面混凝土护坡下布置防渗体，防渗体采用重度500g/m2的复合土工膜，PE膜厚0.5mm，土工膜顶高程超过洪水位0.50m。堤基防渗比选了水平防渗和垂直防渗两种方案，考虑北汝河上中游段洪水历时短的特点和便于施工等因素，堤基防渗结合混凝土护坡镇脚布置，采用垂直防渗，即将迎水面斜坡上的土工膜埋设于镇脚底，深2.0m。通过对设置防渗体的设计堤防断面进行渗透稳定计算，计算水力坡降小于0.14，堤身、堤基能够满足渗透稳定要求。

2.防冲设计

北汝河汝州至郏县段10年一遇设计洪水流量3520～4420m3/s，水流流速高、风浪大，两岸岸坡易发生冲刷损坏，因此必须对砂卵石堤迎水坡采取防冲措施。经多方案比选，汝州、郏县城区段大堤迎水面采用C20现浇混凝土护坡，护坡混凝土板厚0.12m，分块尺寸4.0m×4.0m。对于非城区段，堤身迎水侧防冲采用格宾网防冲措施。格宾网箱内就地取用河床的卵砾石填充，各箱体之间采用格宾材料链接形成整体。北汝河上中游河道砂卵石河床稳定性差，主流摆动经常直逼堤脚。为防止水流淘冲堤脚，需在堤防护坡下设置镇脚，镇脚顶高程与河床平齐，断面为高2.0m、顶宽0.45m、底宽0.85m的直角梯形混凝土结构。根据冲刷深度计算结果，冲坑深度达1.5m，根据镇脚抗倾稳定安全计算系数需大于1.0的要求，镇脚前设置底宽1.0m、顶宽3.4m、深2.0m的抛石防冲槽，防冲槽结合镇脚基坑开挖布置，并充分利用当地材料资源，选择河床内的大粒径卵砾石抛填，要求卵石粒径大于100mm。北汝河许多河段滩地较窄，中小洪水时主流贴岸冲刷，迎流顶冲，岸坡崩退速度快、控制难，许多地段已严重威胁堤防的安全，并对河势发展产生了不利影响。此次治理上游段河槽水深度0.5～2m，主要采用格宾网护岸，坡比较缓的滩岸采用30cm厚格宾网护砌，岸坡陡直段采用格宾挡墙护岸。北汝河下游段水深7～8m，采用格宾网护岸施工难度较大，主要采用施工相对容易的抛石护岸，为防止抛石被水流冲走，抛石护岸底部设置一块或数块尺寸1.5m×1.5m× 1.5m的格宾箱护脚。

3.生态防护

砂堤容易遭受雨雪侵蚀，工程经验证明，未采取防护措施的砂堤上雨淋沟密布，滑坡、坍塌现象严重。为保证堤坡能够植草护砌，堤防背水坡及迎水坡未采用护坡的堤面设置0.5m厚种植土保护层，种植土与砂卵石料同时填筑，然后在种植土上采用植草护坡。为保证堤身内渗水及时排出，堤防背水坡堤脚耕植土防护层上设置一定数量的砂卵石排水带，局部堤段采用格宾护砌，效果均较好。

北汝河汝州、郏县段河段治理工程根据砂质河道独有的特点，采取了传统防护与生态防护相结合的工程措施，对透水性较强的砂砾石岸坡采取迎水侧混凝土护坡下设置斜墙防渗，并使用复合土工膜、格宾等新材料和新工艺，将防渗、防冲、生态防护三者有机组合，降低了工程造价，加快了施工速度，保持河道生态发展。既达到了防洪护岸目的，又使河道增强了自修复的功能，与两岸城市的发展规划相适应，取得良好的生态效益，一举多得。