中小河道生态水利设计实践

2022-04-08赵斯佳

水利技术监督 2022年4期

肖江，赵斯佳，胡斌

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100045；2.北京东方利禾景观设计有限公司，北京 100020)

我国众多的中小河道既肩负着保障人民财产安全的重任，又与人民日益增长的美好生活需求密切相关。中小河道生态治理项目往往具有较为独特的现状问题，相对于大江大河也更能提出灵活性的治理方案。

中小河道生态治理的规划设计除了满足防洪、水质等基本要求外，还需要尽可能地将生态理念植入在整个方案当中，为水景观、水文化、水管理等内容提供基本条件。因为中小河道涉及的问题多、专业多，实际中对中小河道的治理往往过于单一简化，基于此，笔者以山东省济宁市某中小河道生态治理项目为例，简述该河的设计思路及河道典型横断面设计方案，以此为设计师提供中小河道生态水利规划设计的实践经验。

1 现状问题分析

该中小河流河道全长约25km，流域面积约208km2。治理段河道位于该河的上游位置，走向大致由北向南，治理段长度约3km，现状河宽在30～50m范围内变化，河底比降约0.2‰，河道两岸一定范围外用地性质为基本农田。

1.1 河道淤积严重，行洪困难

治理段现状河道淤积严重，河道中杂草丛生，占据了河道行洪断面，导致汛期面临洪灾威胁。

1.2 土质边坡损坏，水土流失

治理段现状河道两岸沿途均为土质边坡且无植被覆盖，雨期水土流失严重，雨水与河道行洪水对土质边坡的淘刷导致河岸存在后移失稳的隐患。

1.3 河道断面单一，同质严重，水景观效果差

河道现状横断面均为无变化的倒梯形，态势笔直，断面单一，缺乏美感。无亲水空间的打造，周边居民无法从河流中找寻到幸福感。

1.4 水量不足，水生态效果差

河道季节性流量变化大，冬季甚至春秋季断流，水生动植物无生存空间，生态基流难以保障。

2 设计思路及主要措施

2.1 设计思路

通过对当地利益相关者(政府主管部门和获益居民)的需求收集整理，制订了相应的水环境治理策略，经过多轮内审、外审后确定了较为详细的治理方案。该治理河段的整体建设目标为“上游重要水生态保障地与郊野休闲地”，以“人-水-生态”为基本理念，围绕“水安全”、“水生态”的子目标实现进行设计。

对于“水安全”的子目标实现，主要考虑的是防洪安全、水质安全、生态基流和水生动植物的保障。

2.2 主要措施

针对已经提出的目标和着手治理的方向，主要解决措施分为工程措施和非工程措施。工程措施包括河道疏浚清淤、堤防边坡重建、中水回用工程、引水工程、人工湿地等；非工程措施包括水生动植物的投放等等。

3 重要过程及结果展示

鉴于河道生态治理往往涉及专业多、综合性强，笔者将主要围绕该段河道治理的典型水利断面设计展开，对相关重要过程及结果进行展示。在生态水利的设计思想下，满足防洪安全的同时结合生态措施，为水生态目标的实现提供相应的基础条件。

结合当地《城市总体规划》、《河道防洪规划》等资料，确定治理段河道为20年一遇防洪标准，Q20=64.1m3/s，河道态势基本维持原状。对现状河道进行清淤后，设计河底高程34.00～34.40m，结合水景观设计需求，设计常水位维持在37.00m。

设计方案确定河道防护主要采用土石笼袋，该材质具有固土、防冲、护坡、植生等功能，同时具有良好的变形能力、透水性、工艺简单等优点，属于当下生态水利设计中使用较为广泛的护坡形式，例如肖阳[1]和王海滨[2]已经对石笼等生态护坡材料在河道整治中的应用和施工工艺等内容做出了详细的阐述。

为平衡河道防洪需求和亲水关系，在河道两侧可利用土地的基础上，对现有河道进行适当拓宽，合理地采用复式断面，同时新增一条巡河路。景观园路与亲水侧挡墙之间设置了浅滩湿地，河道典型设计断面如图1所示。

依据GB 50707—2011《河道整治设计规范》5.1.3条：“计算断面间距宜在1～4倍河槽宽范围内取值。计算断面间距在比降较大河段宜取小值，比降较小河段宜取大值。”[3]本河段比降较小，河宽30～50m左右，故按照每100m划分一个断面。

由GB 50286—2013《堤防工程设计规范》表3.1.3和表3.2.1可知，治理段堤防工程等级为4级，不允许越浪的安全加高值为0.6m[4]。

3.1 边坡及河底

3.1.1边坡

本复式断面存在上、下两级边坡，其中上级边坡坡比为1∶3.0～1∶5.0，位于常水位以上，适合多种植被种植；下级边坡坡比为1∶1.8～1∶2.0，位于常水位以下。

对下级边坡进行计算，由CECS 456—2016《格网土石笼袋、护坡工程袋应用技术规程》4.2.1条：“坡比i≤1∶1.5的边坡，可采用直接将护坡工程袋顺坡平铺于坡面的方式。”[5]故采用贴坡式布置。

土石笼袋的防护厚度多为0.2～0.5m，目前市面上石笼类型众多，质量参差不齐。

根据GB 50286—2013附录D.3按下式计算护坡厚度：

(1)

式中，t—护坡厚度，m；K1—系数，土石笼袋可参照砌方石取值；γb、γ—块石和水的容重，kN/m3；d—岸坡前水深，m；Lm—平均波长，m；hp—不同累计频率下的计算波高，m，当d/Lm≥0.125，取h4%，当d/Lm<0.125，取h13%；m—边坡坡率。

(2)

Lm=0.389vaD0.5

(3)

图1 河道典型设计断面图

式中，hm—平均波高，m；Lm—平均波长，m；va—计算风速，m/s，查询汛期当地最大风速；D—风区长度，m，根据地形图测量计算点逆风吹向对岸的距离。

由不同累计频率波高换算表可得到h4%或h13%，再将计算出的波浪要素带入护坡厚度计算公式即可得到护坡厚度t。经计算，hm=1.57m，Lm=8.95m，d/Lm=0.358≥0.125，故换算后h4%=2.33m，得t=0.45m。

为方便施工和考虑一定程度的富裕量，本设计边坡采用厚度0.5m的土石笼袋。根据CECS 353—2013《生态格网结构技术规程》条文说明7.2.2，选择填石粒径为0.1～0.25m，在填石不发生移动下的临界流速为5.8～6.4m[6]。该数值与市面上主流土石笼袋的防冲流速大体吻合。经复核，均大于各个断面计算出的断面平均流速，符合表面抗冲要求。

土石笼袋边坡均置于设计常水位之下，相较于直接暴露在空气或处于水位变幅区时，能够起到较好的防腐蚀效果，延长了土石笼袋的使用寿命。同时在土石笼袋上覆种植土，厚度不低于0.2m，能够为水生植物提供生长基础，水生植物根系进入土石笼袋也能促进两者更好地形成整体，提高稳定性。

边坡稳定计算依据SL 379—2007《水工挡土墙设计规范》表3.2.7和3.2.12确定抗滑稳定和抗倾覆稳定系数[7]。本次边坡为4级，抗滑稳定安全系数在基本组合下为1.40，特殊组合下为1.05；抗倾覆稳定系数在基本组合下为1.40，特殊组合下为1.30。选取不利断面，借助北京理正岩土软件中挡土墙设计模块，对截取出的边坡进行复核，在各不利组合工况下均满足地基承载力、抗滑和抗倾覆稳定要求。

3.1.2河底

本次设计考虑对河底建设相应的砾石群，故河底防护同边坡防护采用土石笼袋，厚度0.5m，因河道底宽较窄，采用全断面防护。土石笼袋上覆0.1m厚碎石层，用于改善河床基质。在河底处选择行洪断面较大位置处随机布置大块石群体。美国俄勒冈州高速公路部门建议，在河流横截面上砾石的放置应不能阻塞超过1/3的通道面积，合理限制值应在20%到30%[8]。本设计因河道较窄，河道断面面积对行洪影响较大，可将砾石断面面积与河道行洪断面面积之比控制在10%以下，且尽可能布置在行洪断面较大处，在一定程度上为鱼类提供异质化生活空间。

3.1.3冲刷处防护

现状河床为砂质，根据GB 50286—2013附录D.2按下式计算泥沙起动流速(张瑞瑾公式)：

(4)

式中，vc—泥沙起动流速，m/s；H0—行近水深，m；d50—床砂中值粒径，m；γs、γ—床砂、水的容重，kN/m3。

因本治理段河道走向大体一致，按照水流平行于岸坡计算近岸垂线平均速度和冲刷深度，公式如下：

(5)

式中，vcp—近岸垂线平均流速，m/s；vw—水流行近流速，m/s；η—水流流速不均匀系数。

(6)

式中，hs—冲刷深度，m；H0—行近水深，m；vcp—近岸垂线平均流速，m/s；vc—泥沙起动流速，m/s；n—系数，一般取值1/4～1/6。

带入数据计算，得泥沙起动流速vc=0.31m/s，近岸垂线平均流速vcp=1.10m/s，冲刷深度hs=0.75m。

在坡脚处、防护段与上下游现状土质河床、边坡衔接处需设置相应的防冲刷设施。参照CECS 456:2016的4.1.2条：“基础底面应设置在计算冲刷深度之下0.5～1.0m。”坡脚处采用厚度0.5m的格宾石笼，错缝设置两层，底部设置块石垫层；在防护段与上下游现状土质河床、边坡衔接处设置垂直齿墙或倾斜延伸段。故基础底面距离河床底面不小于1.25m。

3.1.4防水毯

本次设计采用天然钠基膨润土防水毯，置于土石笼袋底部。该种防水毯具有渗流系数小、保水性好、耐久性强、施工工期短、施工简单，同时也不会阻断水体与河床土基之间的物质能量交换。

3.1.5土方回填要求

河床土质为黏性土，对河床及边坡土方回填要求参照GB 50286—2013的7.2.4条，属于堤身高度低于6m的3级以下堤防，压实度不低于0.91。

3.2 挡墙

河道设计为复式断面，中间平台处设置两座重力式挡墙，材质为混凝土，按间距2m梅花状布设排水管，管口用土工布包裹，起到滤土排水、释放墙后水压力的作用。每隔10m分缝，底部铺设砂砾料垫层。两挡墙断面尺寸一致，挡墙之间为浅滩湿地。

近河水侧挡墙顶部沿水流方向每隔50cm留置一道20cm×20cm的流槽，营造跌水景观效果。按照GB 50420—2007《城市绿地设计规范》4.0.9条和GB 51192—2016《公园设计规范》5.3.3条[9- 10]，本次设计挡墙顶部(流槽底高)距离设计常水位高差为0.5m，近岸侧2m范围内设计常水位水深0.5m(<0.7m)。

远河水侧挡墙与景观规划园路衔接，两挡墙之间可根据需求设置悬挑休憩平台，作为园路的配套设施，同时也更好地增加了亲水性。

挡墙的稳定与边坡稳定验算方法基本一致，通过优化断面尺寸可节省混凝土方量，从而节省造价，具体方法不再赘述。

3.3 景观规划园路及堤顶巡河路

景观规划园路主要考虑两个方面：一是结合“海绵城市”理念，采用透水性路面材质；二是考虑路面材质的平整舒适度和绿色环保。园路汛期可临时行洪，园路宽度拟订为4m，一侧临近浅滩湿地，在部分浅滩较宽处设置悬挑平台，配置休憩座椅及设施；另一侧为绿植缓坡，坡度控制在1∶3.0～1∶5.0，以避免较陡边坡对行人的压迫感。

巡河路位于河道堤防之上，堤防起到防洪作用，堤防高程=设计洪水位+堤顶超高，堤顶超高包括三部分数值，分别是波浪爬高、风壅水面高度及安全加高。因本次设计对二级平台进行了拓宽，确保了良好的亲水性的同时增加了蓄滞洪区域，上级边坡的坡比设计也是为景观植入提供了基础条件，对比规范后发现因二级平台宽度和坡度数值无法套用GB 50286—2013及《水工建筑物荷载设计规范》中复式斜坡堤的波浪爬高计算公式。暂且按照GB 50286—2013中单一斜坡计算。

按照GB 50286—2013附录C.2和C.3计算波浪爬高及风壅水面高度公式如下：

(7)

m=cotα

式中，Rp—累计频率为P的波浪爬高，m；KΔ—斜坡糙率及渗透性系数；Kv—经验系数；Kp—爬高累计频率换算系数；m—斜坡坡率；α—斜坡坡角；hm—平均波高，m；Lm—平均波长，m。

(8)

式中，e—风壅水面高度，m；K—磨阻综合系数，取3.6×10-6；D—风区长度，m；g—重力加速度，9.80m/s2；d—岸坡前水深，m；β—风向与轴堤线法线的夹角。

经计算，上级边坡为1∶3.0时，波浪爬高值较大，为1.15m，风壅水面高度为0.006m。故堤顶超高为1.76m。设计洪水位介于36.11～37.15m之间，故堤顶计算高程介于37.87～38.90m之间。因原堤顶存在现状土路，用于农业机械设施下地，故本次设计尽可能不扰动原状地基土，暂不考虑堤防地基沉降量。结合堤顶巡河路高程要求，堤顶设计高程不低于39.00m，满足防洪要求。

巡河路路面宽度拟定为4.5m，两侧可设置树木庇荫，在满足巡河功能下连接了南北两侧市政路，进一步完善了市政道路网。

3.4 水生动植物

为恢复原河道水生动植物体系，通过调查当地主要鱼类品种，人工投放一定数量的当地土著水生动物，例如蟹类、鱼类等，尝试构建较为完善的食物链。同时在不影响行洪前提下，选择河道部分较为宽广的弯曲段设计成浅滩，作为鱼类繁衍空间。鱼类倾向于选择在弯曲度较大的河流，特别是河湾的凹岸处产卵，当主河道发生大水时凹岸区域便成为幼鱼的避难所，帮助幼鱼发育度过脆弱期、降低幼鱼的死亡率[11]。

水生植物的选择尽可能满足存活率高、生命周期长、根系发达、自净效果强、美观性好且便于后期运维管理的特点。在空间层次上可进行沉水、挺水、浮水植物的组合搭配。水生植物总覆盖度控制在水域面积的30%～50%左右。