城市生态堤防设计的必要性及其原则分析

张吉刚，李剑锋，李孟洋

（河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450016）

1 引言

针对堤防结构风险开展有效规划，融合生态设计思想，能够积极展现生态堤防的作用，有助于发挥其环境保护功能。为此，研究生态堤防设计方法，构建城市生态屏障，具有较高的研究价值。

2 堤防生态性设计的重要价值

2.1 改善景观

规则斜坡设计形成的堤防，对原有河域生态体系形成了严重破坏，加剧了生物栖息场所受损严重性。堤防设计的各项环节中，需尽可能地控制洪水带来的河岸冲击作用，维持斜坡处高度、坡度的平衡性。河域具有不规则特点，洪水侵蚀强度较高会使其生态环境遭到严重破坏，难以保持河道景观的完好性。为此，加强堤防设计，融合生态思想，可有效抵御灾害，保持河域观赏性。

2.2 保持河域生态

堤防设计需综合参考泄洪情况，如洪水速度，合理控制堤防项目支出。堤防施工时，需以原有河道为基础，开展河道改建工作，融合生态思想，加强设计方案调整，可强化堤防功能，顺应城市居民对堤防环保性的需求，极具实践价值。

3 生态堤防设计的各项要求

3.1 安全性

堤防设计初期，设计人员需全面思考防洪抗灾的要求。在方案中引入安全性思想，确保方案设计内容的可行性，积极构建堤防生态体系。因此，安全性是堤防方案设计的首要原则。

3.2 景观性

生态学在堤防设计中的融合，显著更新了堤防建筑方案。在堤防设计期间，积极融合自然因素，设计成员可借助环境勘测方式，保证工艺方案的生态性。针对蜿蜒曲折的河域项目，需进行大规模的河岸修建，会增加各项施工资源的消耗量，形成较严重的环境污染问题。为此，在前期规划时，可融合环保思想，保护原有景观，开展相应的生态设计，维持原有生态结构的生命力，成为堤防设计的关键要领。

3.3 异质性

堤防前期规划中，需积极考量生态方案的可行性，如经济性、护岸安全性、堤防边缘情况等。设计各环节需积极融合生态思想，把握自然景观的生态需求，关注各类生态的发展特点，营建优质的水域环境，维持水生植物的生长力，发挥生态堤防的防护功能[1]。

3.4 亲水性

生态设计需综合成本、生态、社会功能等。在城市区域为人们营建生态堤防，构建多样性的水域休闲设施，打造成水域景观，丰富区域项目的文娱性，补充区域项目功能，为人们修建兼顾植物生态、景观欣赏、休闲娱乐的场所。

4 工程实例设计分析

4.1 工程概述

某工程内山脊高度值域为[1 550 m，1 750 m]，河域内地面高程为（1 345±15）m，部分区域表层含有黄土层，多数基岩处于裸露状态。少数基岩露出的岩石类型为花岗岩。工程所在地域具有季风性特点，区域内雨量充足、草植丰富、植被生长状态极佳。

4.2 总体设计思路

设计时综合考量河域环境、休闲娱乐、景观布设、城市规划等需求，最终确定案例项目的堤防方案为植物+石笼结构，以此保障护坡质量，改善案例项目周边的景观设计质量。实践中配合河道整治、河域周边绿植种植等措施，营建优质的水域娱乐环境。

4.3 设计布置

堤防设计参照初期堤防规划的各项规范，拆除早期建成的堤防项目，将其改造为生态堤防。河床面位置设计一组泄洪槽，便于快速排除洪水，排洪能力设计为21.7 m3/s；排洪槽设计在河道中心处，槽体结构为宾格石笼，排洪槽与堤防间隔区域设计成公园，种植水生植物，搭配园林小品，增设步行栈道。

4.4 泄洪槽设计

排洪槽设计方案见表1。

表1 排洪槽设计方案

表1 方案中，坡降i设计取值为0.005。各参数的计算方法：

将表1 中数据代入式（1）～式（3）确定排洪槽的设计方案：槽宽=水面宽度k=10 m，槽深大于河水深度h，取2 m。排洪槽结构方案为宾格石笼，结构底部使用C20 用料，施工成栽卵石样式，结构参数与槽方案一致，即结构宽取10 m，深取2 m，结构设计如图1 所示。

图1 排洪槽结构设计示意图（单位：cm）

4.5 生态护坡设计

4.5.1 堤距宽度

此次生态改造堤防初期设计的参照规范为GB 50286—2013《堤防工程设计规范》。在设计中，造床流量参数参看“2 年发生一次的洪水流量”。堤防间距具体指两个护堤中位的间隔长度。堤距宽度设计需参考的因素：堤防安全性，保证排泄顺畅；河相关系，尽量保持河型，减少外形改变量；控制耕地占用量，平衡工程量、堤防防洪能力，控制施工成本，综合考量各河段的洪水运行特点。堤距宽度设计的最小值需大于造床流量条件时的河宽参数B。堤距宽度设计的最高值以河床外沿、一般岸宽数值为参考，综合给出参数大小。在水流、河床长时间的水力作用下，形成了冲积河流，具有自由调整河床的能力。河床外观、水域内泥沙、河床属性各参数之间存在一定关系[2]。在计算基础河宽参数B时，引入阿尔图宁计算法：

式中，q为造床流量，m3/s；j为河床比降，取0.005；e为河相系数，取7.84；s取0.02 m2，最终获得基础河宽参数B值为36.46 m。案例项目初期堤防间距是（125±5）m，堤防间距明显高于河宽参数，采取初期堤线方案进行新堤线布置，以此保障防洪效果。

4.5.2 护坡结构的生态性分析

依据案例项目的实际规划情况，选用宾格石笼结构进行护坡设计，此种结构组成有网箱、石块，表现出较强的挠性，优异的韧性可积极应对河床变形问题，表现出较强的透水能力，可保证边坡长时间处于结构稳定状态。结构具有优异的淤泥性，可增强自然植被的生长能力，使结构设计能与河岸周边环境相融合，表现出较高的生态性。拼搭宾格石笼，能在短时间内高效完成施工，相比混凝土不会对环境形成较大污染。

4.5.3 堤防断面设计

参照案例项目所在区域的堤防工艺，分别从生态、施工成本等方面思考设计方案的可行性。经方案对比选择梯形结构进行堤防断面设计。梯形断面的用料选自工程区域内的河床砂砾石。护坡设计时选用植物+石笼的结构方案。边坡设计方案为1∶1.5。边坡厚度参数的平均值为0.3 m。在河床表层使用宾格石笼进行铺设，铺设厚度取0.3 m，石笼宽度取2.5 m。护坡结构生产时，采用双面绞合钢丝，配合底座结构、聚合盖面，组装成生态性极强的网垫体系，可进行绿植高效种植。护坡设计方案如图2 所示。

图2 护坡设计方案

4.6 生态景观设计

景观设计时主要进行花卉种植，间隔配置园林小品，铺设可用的人行路线。景观设计时以小广场为主要场区，配合绿植设计，增加场区内的生态性。绿植主要包括灌木、乔木。大范围使用草皮，重点位置种植花卉[3]。

园林小品设计：以景观步行路为沿线，进行照明设计，间隔摆放休息长椅、踏石、垃圾回收设施等。

4.7 工艺要求

1）案例项目进行宾格石笼生产制作时，邀请相关专家给予工艺指导，确保石笼结构的生态性。结构中使用了U 形钉，保证石笼与坡面的连接稳固性。在坡顶位置设计出锚固位，用于底部连接。

2）使用钢筋制作U 形钉，连接固定时将其布置成梅花形，固定钉间隔1 m。网面结构抗拉强度取24 kN/m。

3）石笼网面使用钢丝，由机械设备生产获得，网面性能应满足YB/T4190—2018《工程用机编钢丝网及组合体》。

4）填筑石料时，需检查石块质地性能，石料强度的检查标准为MU30，石料比重的最小值为25 t/m3，石料规格值域为[70 mm，150 mm]。

5）测定堤防性能时，要求堤防结构水中稳定性强，具有优异的抗水解稳定性、抗风能力。

6）结构拼接不可使用薄片石料。石料填充不可使用泥岩。材料填筑形成的孔隙比需小于30%。

7）聚酯布的性能要求：抗断强度最小值为10 kN/m，具体参看GB/T 17639—2008《土工合成材料长丝纺粘针刺非织造土工布》的各项规定。

8）结构底部连接使用的C 形钉，钉生产用料为钢丝，材料直径取值为3 m，在材料外层进行镀锌处理，镀锌层质量最小值为255 g/m2。钢丝整体抗拉性能最小值为1 720 MPa，生产获得的C 形钉拉力性能最小值为2.1 kN。

5 结语

综上所述，堤防设计直接决定着国内水利项目的最终质量。为此，在设计中需遵循设计规范，结合工程实际要求，给出可行的设计方案，逐步增强堤防功能。