混凝土生态框在河道改线工程中的方案比选与应用

金子嵩

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006）

1 前言

河道整治工程中护岸是最为常见的工程形式，长期以来，河道边坡防护主要采用浆砌或干砌块石护坡、现浇混凝土挡墙等硬质材料[1]，这类工程型式可以发挥出河道的行洪、排涝、安全性以及水土保持等功效[2]，却不利于河流生态系统多样性的发展，引起生态系统功能退化。近年来，全国开始倡导生态治河的理念，辽宁省内多采用格宾石笼的型式，格宾石笼虽然具有生态效果好的优点，然而也有很多局限性，譬如景观效果较差，同时格宾石笼多为坡式，减小河道行洪面积，立式石笼稳定性难以保证。混凝土生态框作为一种新的护岸型式，具有生态效果好、景观效果好，增大河道行洪面积等优势，有广阔的应用前景。本文以沈东四路跨小沙河处河道改线工程为例，对不同的护岸工程型式进行分析比选，并最终确定混凝土生态框的应用方案。

2 工程概况

小沙河为天然河道，辽宁省沈抚新区域内小沙河长度为19 km，河道平均比降1.22‰，非汛期日均流量约0.2 m3/s。针对沈抚新区规划路网情况，在沈东四路跨越小沙河处拟对小沙河平面走向进行局部调整，调整后河道相对顺直，水流流态更好，调整后沈东四路与四环路连接道路工程只跨越小沙河1 次，桥梁由3 座减少为1 座，可有效减少桥梁建设投资。综合考虑河道过流能力需求及工程占地，确定设计河道顶宽为33 m。工程平面布置见图1。

图1 小沙河改线工程平面布置示意图

3 方案比选

3.1 方案初选

本次小沙河河道改线工程设计河道均为重新疏挖的，河道两岸需要布设防护工程。考虑到本段河道临近规划道路，加之沈抚新区为生态建设示范区，因此防护工程需要综合考虑河道过流能力能力及生态景观效果。拟定三种工程型式作为比选方案，分别为浆砌石挡墙（方案1）、固滨笼挡墙（方案2）、混凝土生态框（方案3）。

方案1：本方案河道断面型式参考《沈抚新区水利专项规划》中的成果，采用复式断面，复式断面底部为矩形，主槽两侧采用浆砌石挡墙防护，河道底宽22.5 m。从浆砌石墙顶直接以1∶2 向上放坡至现状地面，保证河道顶宽为33 m 左右，下端向河道内布设2.5 倍冲刷深长的水平石笼，提升河道的抗冲性。断面图见图2。

图2 浆砌石挡墙型式设计横断面图

方案2：本方案也采用复式断面，复式断面底部为矩形，主槽两侧采用固滨笼挡墙防护。从固滨笼墙顶直接以1:2 向上放坡至现状地面，河道底宽15.3m。其余型式与浆砌石挡墙一致。断面图见图3。

图3 固滨笼挡墙型式设计横断面图

方案3：本方案采用混凝土生态框挡墙，生态框内填充种植土。格室宽1 m，高0.5 m，间隔0.4 m 错台摆放，边坡1∶0.46，生态框错台底部设置3.5 m 土工格栅。生态框底部采用毛石混凝土护脚。河道底宽20.9 m，从设计河底以下一直堆至现状地面。断面图见图4。

图4 混凝土生态框型式设计横断面图

3.2 过流能力验算

河道治理工程设计型式需要满足对应频率洪水条件下的过流能力，因此需要对不同型式的设计断面进行过流能力验算，判断是否满足对应的防洪标准。

本次水力计算采用DHI 公司开发的MIKE 软件建立一维水流分析模型。MIK11 水动力学模型的微分方程为一维明渠非恒定流方程，即圣维南(Saint-Venant)方程组[3]。根据《防洪标准》（GB 50201-2014），确定本工程的建设标准为20年一遇，因此采用20年一遇流量进行计算。

选取合适的起点水位，分别对以上3 种型式的设计断面进行计算。经计算可知，在顶宽固定的前提下，方案1、方案3 对应的设计水位均在设计岸顶以下0.5 m 左右，满足过流能力要求，方案2 由于边坡较长导致过流面积较小，设计水位勉强平设计岸顶，局部甚至出现漫滩，不满足过流能力要求。

3.3 方案比较

选一个典型断面进行断面设计，选取单位长度分别计算各个方案的工程量和相应投资；根据过流能力验算结果；根据工程范围内的地形、地质条件、河道水流形态、建筑材料料场、储量及工程要求等，经综合比较后确定防护型式。本护岸方案主要优缺点比较见表1。

表1 工程型式比较表

经过水力计算可知，方案1 和方案3 的河道断面过流能力较好，能够满足20年一遇防洪标准，方案2 不满足防洪标准，因此不作考虑，方案1 生态效果差、施工质量难以保证。考虑到沈抚新区是生态建设示范区，因此在兼顾防洪标准和生态效果的前提下，因方案3 生态景观效果较好，本次确定采用方案3。

4 方案设计

混凝土生态框型式的主要特点在于生态景观效果好，生态框内可以种草，提升河道两岸的生态效果，也可以结合市政景观建设要求，栽种小植株、花朵等。此外，生态框采用的混凝土结构耐腐蚀，荷载作用下不易变形，耐久性好，而且其装配式结构的特点使其施工方法简单灵活，可以从厂家购置、外运也可以就近预制。

护岸整体设计：生态框护岸底部高程取自设计河底高程，向上0.4 m 错台摆放。在满足设计河道防洪标准，同时不浪费材料的前提下，经过设计河道过流能力计算，确定共摆放7 层，此时设计水位刚好位于设计岸顶以下0.1 m～0.2 m。继续以1∶2边坡向上，考虑到与生态框护岸的生态景观相结合，生态框以上边坡采用草皮护坡防护至设计岸顶。

生态框护岸细部设计：单个生态框尺寸为2 m×1 m×0.5 m（长×宽×高），竖向上下采用错台方式叠放，横向相邻生态框间采用防腐螺栓侧向连接。单个生态框上部不封闭，前后立面及两侧均有孔洞，利于植被生长。生态框内部回填土料及撒草籽，生态框有孔洞部位内衬土工布。生态框错台底部设置3.5m 高韧性聚酯纱线集束格栅，以满足边坡稳定要求。草皮护岸设计：设计边坡为1∶2，草皮护坡。生态框结构及纵向连接见图5～图7。

图5 混凝土生态框护岸设计横断面图

图6 混凝土生态框结构图

图7 混凝土生态框纵向连接图

护脚设计：直立式毛石混凝土护脚，护脚深度为设计冲刷深1.7 m，即护脚高度为1.7 m，下设0.1 m 厚素混凝土垫层。

5 结论

河道整治工程设计时要充分贯彻生态治河的思想，即在满足河道行洪能力的前提下，恢复河道生态植被，营造良好的水环境，进而维护河道区域的生物多样性[4]。本工程所采用的混凝土生态框型式，既能留出足够的过流面积，保证河道过流能力满足防洪标准，又能最大限度地打造亲水性生态景观型河道，符合现今流行的生态治河理念。

近年来辽宁省内河道护岸工程多采用格宾石笼型式，显得千篇一律，本文也为致力于建设生态型河道的工程人员提供参考。