生态潜坝在武夷山“水美城市”工程中的应用

2019-11-23陈开宇

城市道桥与防洪 2019年11期

陈开宇

（上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市200061）

0 引言

随着武夷山城市建设理念的发展和民众生活需求的提高，河道的生态化改造已经成为“水美城市”建设中的一个重要的环节。在加强水利基础性工程建设，满足水利设施系统防洪、排洪、灌溉等功能的同时，保护、修复原有水系的生态系统、提升水环境景观效果已经成为新时期河道建设的重要因素[1]。加强河道的生态化改造，不仅是满足当前人民生产生活的需要，更关系到未来社会的可持续发展。在河道生态化改造的过程中，首先需要拦蓄水体，保证枯水期有一定的水位，以此营造水景观。因此，生态潜坝在河道治理工程中的应用越来越广泛。

1 工程概况

武夷山地处福建省北部，三面环山。东邻蒲城县，南接建阳县，西与光泽县毗连，北部与江西铅山县交界，隶属福建省南平市。崇阳溪作为武夷山市最大的溪流穿过武夷山市区，流经景区，构成整个武夷山市水系的生态网络[2]。武夷山“水美城市”工程分三期实施，实施对象为崇阳溪。其中，一期工程起点为崇阳溪马厂洲大桥，终点为武夷大桥，整治河道长度5085 m，防洪标准为30 a 一遇。

2 生态潜坝坝型选择

根据崇阳溪的河流特点，汛期丰水季节，上游来水丰沛，河道水位较高；冬春枯水季节，上游来水较少，河道水位较低。选择坝型时应充分考虑减小对河道防洪影响和蓄水面最宽广的要求[3]。

经对山区河道生态潜坝型的调查分析并比较，适合该工程的生态潜坝型式有：橡胶坝、翻板坝、砌石坝和钢坝闸等[4]。现对其进行方案比选如下：

2.1 橡胶坝

橡胶坝由上游连接段、橡胶坝段、下游连接段及橡胶坝控制系统四部分组成。其主要作用是控制水位和下泄流量。橡胶坝方案，非汛期采用充水橡胶坝体挡水，形成上游水面。行洪时，排空坝袋过水。该方案需在岸侧布置控制室，采用水泵充、排水。

2.2 翻板坝

自动翻板坝多位于平原河道，要求河道底坡降较小。采用自动翻板，转轴位于挡水高度约2/3 位置处，非汛期采用翻板闸门挡水，形成上游水面。当汛期来临或坝上水位上涨至预设水位时，闸门自动翻转，排泄河道上游来水。洪水过后，水位降至预设水位，闸门自动复位重新挡水。

2.3 钢坝闸

钢坝闸属于动力机控生态潜坝型，其中：山区河道主要可用来蓄水营造水景观。采用动力翻板，非汛期采用钢闸门挡水，形成上游水面；汛期来临时，闸门动力向下游卧倒，排泄上游来水，行洪后，钢坝动力恢复挡水状态。

2.4 砌石坝

砌石坝是山区较大坡降河道常用生态潜坝型，采用砌石拦河形成固定坝体。河道非汛期，采用坝体挡水，形成上游水面。当汛期来临时，洪水需漫过坝顶过流。由于固定坝体的存在，原设计洪水过坝时形成壅高，对两侧防洪有一定的影响，需同步加高加固。

以上4 个方案各有优缺点，具体比选见表1所列。

表1 坝型方案比选表

根据Hec-Ras 软件计算结果，设坝后水面线抬高1～10 cm，影响范围约为坝上游2 km，未超出工程范围，对工程安全及堤防工程投资影响不大。因此，该工程设坝后对河道行洪影响较小，对行洪水位抬升影响较小，仅需简单加高两岸堤顶部分。

从景观、投资、运行、维护、行洪等方面综合考量，该工程选用砌石坝方案。

3 生态潜坝设计

3.1 生态潜坝布置

该项目新建生态潜坝2 座，可以形成多级水面，丰富水景观效果，同时可以减少对河道冲刷，达到稳定河床的效果。表2 为新建生态潜坝平面特性表。

为了营造水体，兼顾自然、写意，该生态潜坝主体采用砌石结构，可与山区河道砂石环境相融合，并易构造坝身造型。1#坝采用曲线造型，坝型似片片鱼鳞，坝上幽静的水面粼粼，坝下为原始粗犷的跌瀑。2#坝采用多级跌水造型，与景观设计中的湿地公园融为一体。为了使坝身结构更贴近真实，两座坝的坝身外侧面均镶嵌河床石子。这些独具特色的自然元素构思将写实与写意相融合，重现了崇阳溪鸢飞鱼跃的动人情景，是自然、是生命，是原生态治理的延续和升华，同时也诉倾了水利景观的内涵和真谛，是该项设计的重点所在。生态潜坝工程实景见图1 所示。

表2 新建生态潜坝平面特性表

图1 生态潜坝工程之实景

3.2 生态潜坝设计

生态潜坝在顺水流向由上而下分别布置上游海漫、坝身、消力池和下游海漫，海漫末端设防冲槽。生态潜坝设计以2#潜坝为例。

3.2.1 坝体

坝身上部采用砌石结构，挡水高度为2.0 m ，下部设钢筋混凝土底板。底板厚取0.8 m，上下游底部设0.5 m 深齿坎抗滑，下游端部设0.5 m 高消能坎，坝身砌石和钢筋混凝土底板之间设石笋固结。坝身根据安全稳定、防渗及造型需要进行布置，长度25 m，并利用坝身下游段兼作消力池。

2#坝基础坐落于卵石层，属于中等透水层，下卧基岩层埋深约1～2 m。2# 坝坝基推荐采用组合防渗方案，垂直截渗采用素混凝土截渗墙，水平铺盖采用防渗土工膜。

3.2.2 冲砂闸

为减轻坝前淤积，沿坝轴线1/4 及3/4 长度位置处，在坝身设置2 孔冲砂闸，单孔尺寸1 m×1 m（宽×高），采用铸铁直升门，配备手动螺杆启闭机。

3.2.3 上游海漫段

上游海漫段由干砌块石段和灌砌块石段组成，分别长15 m 和5 m。干砌块石段采用400 厚干砌块石，下设100 厚碎石垫层及防渗土工膜。灌砌块石段采用400 厚灌砌块石，下设100 厚碎石垫层及防渗土工膜。

3.2.4 下游海漫段

下游海漫段采用灌砌块石结构，2# 坝为多级跌水，海漫长度取20 m。采用400 厚灌砌块石，下设100 厚碎石垫层及无纺土工布。海漫末端设5 m长的抛石防冲槽，槽深按构造考虑，取为1 m。

3.2.5 漂流槽

漂流槽靠岸设置，利用潜坝岸墙兼作漂流槽的临土侧挡墙，另一侧采用L 型钢筋混凝土挡墙与岸墙底板连接，底板上部依次设置埋石混凝土基础及钢筋混凝土漂流槽底板，形成封闭的U 型槽结构，为确保安全，两侧墙身高出槽底板顶面1 m。经调查，当地漂流所用竹筏长约9 m，宽约2 m，常规吃水深度约0.1～0.2 m。考虑槽身两侧富余宽度及吃水富余深度，槽身净宽取3 m，漂流槽起始端底板面高程较坝顶低0.5 m。根据类似工程经验，为确保漂流竹筏的安全，槽身纵向坡比为1∶50，按照上下游水位差1 m 左右考虑，槽身长度取50 m。

生态潜坝顺水流向断面见图2 所示。

4 施工注意事项

4.1 施工导流

该项工程因河道较宽，过水流量较大，采用分期导流，在河道中心侧修建纵向围堰，在上、下游侧修建横向围堰，形成干地施工条件。一期工程先施工右岸侧潜坝，利用左侧束窄的河道进行导流。二期时，拆除一期围堰，利用已建潜坝坝顶过流，在河道左侧填筑二期围堰，形成干地施工条件[5]。

4.2 围堰设计

潜坝工程围堰高程为非汛期5 a 一遇洪水标准水位+0.5 m 安全超高。围堰顶宽3 m，迎水面边坡1∶1.5，用两层编织袋装碎石护面，下设380 g/m2防渗土工膜一层；背水坡为1∶1.5 两层袋装土填压，下设400 g/m2反滤土工布一层，中间填筑砂石料，两坡脚设置尼龙网石笼进行镇脚。围堰采用帷幕灌浆，截渗帷幕灌浆范围为堰顶至强风化基岩与中风化基岩交界位置，有效宽度不小于0.6 m。在围堰坡脚一定范围设置排水沟和集水坑，及时进行抽排水，保证基坑内干地施工条件。图3 为潜坝围堰断面图。

图3 潜坝围堰断面图（单位：mm）

4.3 基坑排水及泥浆控制

基坑排水分初期排水和经常性排水。初期排水主要包括基坑积水、围堰及地基渗水。初期排水时，对基坑水位下降速度应加以控制，以每昼夜不超1.0m 为宜，以免影响围堰边坡稳定。经常性排水主要包括：围堰及地基渗水、降水及施工弃水等。围堰渗水主要考虑围堰基础渗水。基坑排水设备主要按满足经常性排水要求进行配置。对于基坑开挖深度较浅的部位，采用排水沟排水；对于开挖深度较深的部位，采用排水沟与深井排水相结合排水，以保证开挖边坡的稳定。生态潜坝施工过程会因基坑排水及坝体填筑产生悬浮物影响崇阳溪水质。对此，潜坝施工期的环保措施，宜设置沉淀池、围挡，控制浊水扩散。