某河道治理断面护坡比选及清淤体系设计

焦文娟

(水利部新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

河道对于区域防洪有着重要作用，但很多地区存在河道标准低、堵塞严重、流域环境差、水土流失严重等问题，河道治理工程成为“民生与环境”建设的重要部分。目前，打造流域景观成为很多地区河道典型治理方案，兼顾了防洪和环保，而且也能促进当地旅游业发展。因此，根据河道实际情况设计生态治理方案，成为决定治理工程成功与否的重要因素。

1 项目区概况

某河流由多个山区支流汇集而成，本文所研究河段为山溪性河流，河道宽48～85 m，全长2.5 km，由于流域植被覆盖率小、河道坡度较大，导致调节蓄水能力差，河水平均含沙量达到13.4 kg/m3。该支流严重影响了河流水质，同时对两岸土地腐蚀日益严重，因此在2018年4月，相关部门决定对该段河流进行生态治理。

2 河道洪峰流量计算及断面、护坡比选分析

2.1 河道洪峰流量计算

洪峰流量Qp是河道治理的最基础依据，在此采用“推理公式法”结合水文站实际测得数据来确定该河段不同频率下洪峰流量，见公式(1)[1]，经查水文手册，相关结果见表1所示。

表1 河道洪峰流量计算结果

Qp=0.278×φp×Sp×F/Tn

(1)

式中：Φp为洪峰径流系数；Sp为单位时间雨量，mm/h；F为流域面积，7.5 km2；n为相关指数，0.875；T为集流时间，h。

2.2 河道断面比选分析

经现场勘察，本项目段河道受泥沙淤积、生活垃圾影响严重，行洪能力大打折扣，部分河段甚至仅为设计值的50%左右，因此决定对河道断面进行开挖、塑形治理。经估算，只要无堵塞问题，项目河道便可满足行洪要求。

河道断面主要有3种：矩形、梯形、复合型，断面示意图见图1所示；各自优缺点及适用条件见表2所示[2]。结合本项目河段实际情况，首先排除不利于生态景观的矩形断面；在居民区附近采用梯形断面，在上游洪水流量较小河段采用复合型断面。

图1 河道断面：矩形(左)、梯形(中)、复合型(右)

表2 各类型河道断面对比分析

2.3 河道护坡比选分析

在本项目中，河道护坡不仅要固结坡土，通洪排涝，而且是河道边坡生态的重要载体，因此设计采用生态护坡，同时满足景观性和经济性要求，针对不同河道断面，护坡形式有所差别，具体如下：

2.3.1 块石植物护坡

设计在本项目上游河段设计块石植物护坡，护坡主要结构为天然块石，块石之间用壤土充填，为保证护脚强度，利用水泥浆砌筑(见图2)[3]。该型护坡上部平地种植乔木，主要防止水土流失，边坡种植灌木和草木，保护了生物多样性，利于河道生态恢复，为发展旅游业奠定基础。

图2 块石植物护坡示意图

2.3.2 生态混凝土砖护坡

在本项目下游河段，设计采用生态混凝土砖护坡，该型护坡主体由正六边形混凝土砖铺砌而成，中间用壤土填充，具有良好的透水性，且能适应地基一定程度的不均匀沉降[4]。该型护坡河岸可打造沿河运动公园等场所，有利于提高居民的生活环境水平(见图3)。

图3 生态混凝土护坡示意图

3 河道清淤及水质净化体系设计

由于本项目河道泥沙含量较大，必须进行清淤及水质净化处理，本项目采用的手段包括“蓄水湖+沉沙湖+湿地湖体系”和“控制侵蚀基准跌水墙”共同完成这一设计。

3.1 河道清淤体系设计

3.1.1 跌水墙参数设计

本项目跌水墙设计在人工湖体系上游，主要是控制河道侵蚀基准面，保护下游湖口。通过实地勘察，本项目跌水墙水流落差约为11.7 m，设计采用3级跌水，每级跌水3.9 m(见图4)。参照其他工程经验，对应的三处消能池参数见表3所示[5]。河流经过跌水墙后，流速急剧下降，有效保护了下游控制侵蚀基准。

表3 消能池参数设计

图4 三级跌水结构示意图

3.1.2 “沉沙湖+湿地湖+蓄水湖”设计

除了跌水墙外，该项目河道清淤体系还包括沿河床开挖的三处人工湖(从上至下游依次为：沉沙湖、湿地湖、蓄水湖)，利用跌水防护功能来控制河水侵蚀，并利用水流冲刷作用清除部分淤泥，三处人工湖设计如下：

(1)蓄水湖设计位于最下游位置，主要作用是收集上游河段少量泥沙，并且承担景观打造及蓄水任务。蓄水湖面积较大，深度较小，水流缓，便于以后清淤作业。而且为发展旅游业，本项目充分考虑了交通便利性[6]；

(2)沉沙湖位置设计在跌水墙下游约500 m位置，其主要任务是将水流大颗粒推移质在湖中沉降；湿地湖设计在沉沙湖下游1.0 km位置，除了进一步收集泥沙外，还承担净化水质、打造旅游景点的作用。

3.2 水质净化体系设计

本项目河段水质净化任务主要由湿地湖完成，当水流通过跌水墙、沉沙湖之后，速度降低，在湿地湖中悬移质泥沙转化为推移质或床沙。因此，本项目湿地湖设计深度较浅(平均5.0 m)，以利于水生植物生长，布置人工浮岛，既能净化悬移质泥沙，又能打造湿地景观。

3.2.1 植物选取设计

水生植物可以增加河床粗糙度，减缓水流携带泥沙能力，同时还能固结土壤，防止水土流失，主要分类、代表植物、特点见表4所示[7]。

表4 植物种类及特点

综合分析：对于减缓水速和净化水质功能而言，沉水>浮叶>挺水，并结合当地实际气候环境，最终设计选取黑藻、苦草作为种植对象。

3.2.2 人工浮岛设计

人工浮岛可以为鸟类、鱼类提供栖息场所，而且可增加景观效果，有利于河道生态多样性。人工浮岛由漂浮板和塑料花盆组成，花盆种植水生植物，相互配套(图5)，本项目漂浮板来自广州水上设施建造有限公司，具体规格：高分子聚乙烯、尺寸330×330×60 mm、孔径160 mm、卡扣连接。

图5 生态浮岛实景施工图

3.3 喷泉曝气净化水质技术设计

考虑到本项目河段有多处人工湖，其水体交换速度慢、效率低，容易存在一部分死水情况，这不利于湖内水质提升。因此本项目除了采用种植水生植物、人工浮岛等水质净化措施，还引入了“喷泉曝气”技术来增加人工湖深层水溶解氧量，可有效改善深层水质。

3.3.1 漂浮式喷泉方式设计

针对本项目人工湖工程，采用漂浮式喷泉，具体可分为两类：浮箱式、浮板式(见图6)，两者特征对比见表5所示。通过结合本项目实际情况，确定采用浮板式喷泉方案。

图6 浮箱式(左)和浮板式(右)喷泉结构示意图

表5 浮箱式和浮板式喷泉特征对比

3.3.2 水体溶解氧量变化分析

为了检测浮板式喷泉曝气净化效果，本项目分别在喷泉周围8.0 m范围内及远离喷泉的平静区各选取10个检测点，从表层到底层每隔30 cm、2 h取样品测试溶氧量，共连续测试24 h，测试结果曲线见图7所示(部分)。

由图7可知：受喷泉影响检测点相对于非影响点，样品中溶氧量超出100%，有的甚至超过200%，由此可见喷泉曝气效果显著，大大增加了深层湖水的生态多样性，对于优化深层湖水水质、增加人工湖景观均具有良好作用。

图7 影响区内外水体溶氧量曲线

4 结语

河道生态治理是环境保护的重要组成部分，也是城镇化建设的重要内容，本项目通过采取治理河道护坡、河道清淤、水质净化等“多管齐下、综合治理”方法，彻底解决了该河段河水泥沙含量高、水土流失等问题，生态环境得到极大提高。虽然工程治理总成本较高，但是也充分利用了环境优势，打造了旅游项目，可为经济带来一个新的增长点。