□何 康 □任澤垠 □張竟之

（1國(guó)務(wù)院南水北調(diào)辦公室稽察大隊(duì)；2南陽市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院；3河南靈捷水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

1 生態(tài)護(hù)岸的功能

生態(tài)護(hù)岸作為一種新型的護(hù)岸型式，其功能主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：一是防洪效應(yīng)：生態(tài)護(hù)岸作為一種更加高級(jí)的護(hù)岸形式，當(dāng)洪水來臨時(shí)，洪水通過坡面植被大量地向堤中滲透儲(chǔ)存，便可以起到削弱洪峰、延滯徑流的作用；二是生態(tài)效應(yīng)：生態(tài)護(hù)岸的修建，在發(fā)揮相應(yīng)防洪效果的同時(shí)，可以把水、河道、堤防、河畔植被等連成一體，構(gòu)成一個(gè)完整的河流生態(tài)系統(tǒng)；三是景觀效應(yīng)：生態(tài)大堤能夠形成樹木與水生植物交相輝映的綠色長(zhǎng)廊，使得昔日的碧水漪漪、青草漣漣的動(dòng)態(tài)美得以重現(xiàn)；四是自凈效應(yīng)：生態(tài)護(hù)岸系統(tǒng)中種植有大量的水生植物，能從水中吸收無機(jī)鹽類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其龐大的根系還是大量微生物吸附的良好介質(zhì)，從而起到水質(zhì)凈化的作用。

丹江流經(jīng)荊紫關(guān)鎮(zhèn)老河坎下游河段，由于河槽滾動(dòng)無常，河道沖淤不定，加之丹江屬于山區(qū)性河流，年際和年內(nèi)流量變幅大，洪水暴漲暴落，水位變幅達(dá)5.00m深，導(dǎo)致該河段歷史上曾多次出現(xiàn)洪澇災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著兩岸人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，影響社會(huì)穩(wěn)定，制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，受到各級(jí)黨和政府的高度重視。為充分發(fā)揮防洪效益，長(zhǎng)江水利委員會(huì)建議開展老河坎下游河段防洪治理工程，防洪治理工程內(nèi)容主要為左岸長(zhǎng)523m堤防工程。

2 工程概況

2.1 基本情況

丹江荊紫關(guān)鎮(zhèn)老河坎下游河段防洪治理工程位于丹江中游左岸豫鄂兩省水事糾紛河段下游處，該工程河段左岸為河南省淅川縣荊紫關(guān)鎮(zhèn)史村，右岸為荊紫關(guān)鎮(zhèn)吳村。

丹江荊紫關(guān)鎮(zhèn)老河坎下游河段河谷開闊，水位變幅較大，每遇洪水經(jīng)常發(fā)生洪澇災(zāi)害，危及沿岸居民安全，毀壞農(nóng)田。淅川縣荊紫關(guān)鎮(zhèn)地處山區(qū)，山多地少，土地資源極為寶貴，加之當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)落后，群眾收入較低，為了保護(hù)耕地，當(dāng)?shù)厝罕娫诶虾涌蚕掠窝匕缎藿艘恍┥车虂淼钟樗u擊。修建的沙堤防洪標(biāo)準(zhǔn)低，工程質(zhì)量差，遇上稍大一點(diǎn)的洪水便被沖毀。2005年8月，老河坎下游約650m長(zhǎng)的沙堤被洪水沖毀，吞噬沿岸農(nóng)田近20hm2。

2.2 洪峰流量

通過對(duì)歷史洪水和實(shí)測(cè)洪峰資料的分析，根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》和洪水資料，通過洪水頻率復(fù)核計(jì)算，原荊紫關(guān)水文站20a一遇設(shè)計(jì)洪水流量為4640m3/s，和1987年洪水流量4860m3/s接近。將收集到的35a來實(shí)測(cè)年最大洪峰流量資料，按變量大小遞減排列，并計(jì)算各變量的經(jīng)驗(yàn)頻率，點(diǎn)繪在頻率格紙上，計(jì)算水文系列的統(tǒng)計(jì)參數(shù)Q、CV。

采用皮爾遜Ⅲ型曲線法，經(jīng)過分析論證，選出一條與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)配合最好的曲線，作為計(jì)算結(jié)果見表1，從該曲線讀出對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)頻率設(shè)計(jì)洪峰特征。

表1 荊紫關(guān)水文站洪峰流量頻率計(jì)算成果表

由于丹江老河坎段無實(shí)測(cè)洪水資料，無法直接計(jì)算工程所在河段的洪水，但同一流域丹江上設(shè)有荊紫關(guān)水文站，和本工程的位置十分接近。因此，可通過荊紫關(guān)水文站洪水資料按面積比法間接推求本工程的設(shè)計(jì)洪峰流量。鑒于水文站與本工程同處一鎮(zhèn)，兩者的距離十分接近，且區(qū)間沒有支流匯入，兩者的計(jì)算洪水差異很小。因此，直接采用荊紫關(guān)水文站的洪水計(jì)算成果，即老河坎下游段工程位置處20a一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量為4350m3/s。

2.3 工程地質(zhì)

丹江荊紫關(guān)鎮(zhèn)老河坎下游河段防洪工程堤防坐落在寬闊的河灘地上。1995年9月，長(zhǎng)江水利委員會(huì)漢江水文水資源勘測(cè)局在丹江左岸老河坎上游約1800m處進(jìn)行了淺層坑探，從地面至地面以下2m皆為細(xì)砂，地面以下2～2.05m為粗砂，2.05～2.15m又為細(xì)砂，2.15～2.25m為卵石類砂層，河床組成主要為卵石夾砂。

3 堤防生態(tài)建設(shè)措施

3.1 修復(fù)河道形態(tài)

大江大河在枯水期水量較小甚至長(zhǎng)期斷流，而在汛期則水量激增甚至造成河流改道。經(jīng)過長(zhǎng)期的河道演變及變遷，從而形成了現(xiàn)在深淺交錯(cuò)、流向多變的河道形態(tài)。但是，正是這種彎曲多變的河流系統(tǒng)，卻具有高效的生態(tài)效益，如減少水土流失、擴(kuò)大生態(tài)環(huán)境面積、增加生態(tài)多樣性等。

3.2 修復(fù)河床斷面

傳統(tǒng)的河道治理工程造成了河道景觀遭到破壞，河流中生物賴以生存的自然環(huán)境也隨之消失，水環(huán)境逐漸惡化。修復(fù)河床斷面，主要是改造河流中被硬化覆蓋了的河床，恢復(fù)河床的多孔質(zhì)化、多樣性，同時(shí)建設(shè)生態(tài)型河堤，為水生動(dòng)植物重建生長(zhǎng)及棲息環(huán)境，這將使河流集防洪、生態(tài)功能于一體。

3.3 修復(fù)河岸生態(tài)系統(tǒng)

河岸在陸地和水系之間進(jìn)行著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及能量的轉(zhuǎn)換，兩者相輔相成，互為補(bǔ)充，且作為濕地的組成部分之一，河岸帶具備濕地幾乎所有的功能。因此，有必要在河流護(hù)岸工程設(shè)計(jì)時(shí)改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，引入生態(tài)護(hù)岸的理念。

4 本工程生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)

4.1 原傳統(tǒng)護(hù)岸設(shè)計(jì)

4.1.1 樁號(hào)0+000～0+225段

堤防斷面采用梯形斷面。臨水側(cè)和背水側(cè)均采用漿砌石擋土墻，墻頂寬均為0.40m，水泥砂漿標(biāo)號(hào)為M5，臨水側(cè)及背水側(cè)擋土墻臨水面坡比均為1:0.20，背水面為鉛直面。臨水側(cè)和背水側(cè)漿砌石擋土墻之間回填砂卵石，砂卵石干密度≥19.40kN/m3。堤防頂采用0.20m厚的細(xì)石混凝土砌卵石封頂，堤頂寬為4.00m。

4.1.2 樁號(hào)0+225～0+235段

該段為過渡段，對(duì)兩段不同斷面形式的護(hù)坡，采用漿砌石扭曲面平順連接，連接段厚0.80m，長(zhǎng)10.00m。

4.1.3 樁號(hào)0+235～0+523段

對(duì)原砂堤進(jìn)行加寬培厚，并在迎水側(cè)和背水側(cè)均采用漿砌石護(hù)坡，迎水側(cè)及背水側(cè)漿砌石護(hù)坡厚度均為0.30m，護(hù)坡坡比均為1:1.73，坡腳設(shè)漿砌石擋墻。堤防頂采用0.20m厚的細(xì)石混凝土砌卵石封頂，堤頂寬為4.00m。

4.1.4 穩(wěn)定計(jì)算

樁號(hào)0+000～0+225段堤防結(jié)構(gòu)形式為重力式擋土墻，其建筑物等級(jí)為4級(jí)，根據(jù)地質(zhì)條件，堤防基礎(chǔ)均為砂基，擋土墻底部與砂基的摩擦系數(shù)取0.30，地基允許承載力為180kN/m2，最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)［Kc］=1.20，允許最大地基應(yīng)力不均勻系數(shù)為2，最小抗傾覆安全系數(shù)［K0］=1.40，填土濕容重19kN/m3，漿砌石容重22kN/m3。

計(jì)算條件：根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算兩種工況:1、外江水位為20a一遇洪水，堤內(nèi)無水；2、施工完建期。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 堤防穩(wěn)定計(jì)算成果表

從上表可以看出，擋土墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)>1.20，抗傾覆安全系數(shù)>1.40，地基應(yīng)力小于地基承載能力,地基應(yīng)力不均勻系數(shù)小于允許不均勻系數(shù)，滿足要求。

樁號(hào)0+230～0+523段堤防結(jié)構(gòu)形式為貼坡式護(hù)堤段，該段堤防填筑為砂礫石，設(shè)定邊坡1:1.73，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286—2013），堤坡穩(wěn)定計(jì)算按瑞典圓弧滑動(dòng)法計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，堤坡施工期水位降落抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.25，堤坡穩(wěn)定期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.33，滿足規(guī)范規(guī)定要求。

4.1.5 傳統(tǒng)護(hù)岸的預(yù)算投資如下

一是主要工程量：土砂方開挖5185m3，土砂方回填5336m3，砌體3855m3，混凝土161m3。二是主要材料用量：水泥398.60t，碎石475.19m3，砂1587.48m3，塊石3885.84m3，柴油2.22t，總工時(shí)54382個(gè)。三是工程預(yù)算總投資為110.32萬元。其中，建筑工程86.63萬元，臨時(shí)工程2.00萬元，其他費(fèi)用21.69萬元。

4.2 格賓擋墻設(shè)計(jì)

格賓是將低碳鋼絲經(jīng)機(jī)器編制而成的雙絞合六邊形金屬網(wǎng)格組合的工程構(gòu)件，在構(gòu)件中填石構(gòu)成主要用于支擋防護(hù)的結(jié)構(gòu)。格賓重力式擋墻的基本穩(wěn)定原理與漿砌石重力擋墻和混凝土重力擋墻相同，均是通過墻體自身重量來維持擋墻在土壓力下的穩(wěn)定。格賓重力式擋墻的外形通常有外臺(tái)階、內(nèi)臺(tái)階、寶塔式三種。

在樁號(hào)0+000～0+230堤防段采用鍍高爾凡格賓生態(tài)擋墻，面墻退臺(tái)0.50m。根據(jù)墻前沖刷防護(hù)形式的不同，護(hù)腳采用增加格賓擋墻埋深防止墻趾沖刷。格賓擋墻+增加擋墻埋深防沖，擋墻底部埋深應(yīng)在最大沖刷深度以下≥0.50m處。

4.3 雷諾護(hù)墊設(shè)計(jì)

當(dāng)雷諾護(hù)墊防護(hù)體系的抗沖能力大于實(shí)際的沖刷時(shí)，該防護(hù)體系就可以認(rèn)為是成功的。而雷諾護(hù)墊的抗沖能力主要由兩方面因素所提供：雷諾護(hù)墊內(nèi)部填石自身的抗沖能力，以及鋼絲網(wǎng)箱所能提供的限制石料位移的能力。然而在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，通常不會(huì)將這兩方面因素分開考慮，而是采用將整個(gè)雷諾護(hù)墊防護(hù)體系視做一個(gè)整體進(jìn)行考慮。

根據(jù)防沖刷穩(wěn)定分析的兩種思路（允許剪應(yīng)力法和允許流速法），通過詳盡的雷諾護(hù)墊的抗沖刷模型和原型試驗(yàn)，可以得出其允許流速，見表3。

表3 雷諾護(hù)墊系列防護(hù)與流速關(guān)系表

在樁號(hào)0+230～0+523堤防段采用鍍高爾凡雷諾護(hù)墊生態(tài)護(hù)坡防護(hù)，厚度為30cm（雙隔板），邊坡坡比1：1.73，根據(jù)坡腳沖刷防護(hù)形式的不同，采用延長(zhǎng)雷諾護(hù)墊護(hù)腳。雷諾護(hù)墊護(hù)坡+延長(zhǎng)雷諾護(hù)墊護(hù)腳，延長(zhǎng)長(zhǎng)度為最大沖刷深度的1.50～2倍。

5 預(yù)算投資比較

一是主要工程量為：土砂方開挖3630m3，土砂方回填3575m3，格賓1955m3，雙隔板雷諾護(hù)墊2784m2。二是主要材料用量：石料（鵝卵石或塊石）2790m3，土工布（250g/m2）4739m2，柴油1.08 t，總工時(shí)19034個(gè)。三是工程預(yù)算總投資為88.41萬元。其中，建筑工程69.39萬元，臨時(shí)工程1.70萬元，其他費(fèi)用17.32萬元。

采用傳統(tǒng)的漿砌石護(hù)岸，總投資為110.32萬元，而采用生態(tài)格賓和雷諾護(hù)墊護(hù)岸，總投資88.41萬元。經(jīng)比較，采用混合型生態(tài)護(hù)岸，可節(jié)省投資21.91萬元。

6 結(jié)論

傳統(tǒng)的堤防建設(shè)大多采用硬質(zhì)護(hù)岸，從而破壞了河流自身生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。研究探索在保證河道防洪安全的同時(shí)又能改善河道周圍生態(tài)環(huán)境的堤防建設(shè)新技術(shù)，并深入了解人水和諧的生態(tài)理念。在今后的河流整治中，不僅僅要考慮其安全性還要注重生態(tài)景觀建設(shè)，不僅僅要滿足人們物質(zhì)的需求更要滿足精神上的需求，修復(fù)更多的生態(tài)河流是全社會(huì)的共同目標(biāo)。這對(duì)提高堤防抗御洪水能力，構(gòu)建人水和諧的社會(huì)環(huán)境，有著重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。