以禮河生態(tài)治理的設(shè)計(jì)與施工

劉興敏

(云南省會(huì)澤縣水務(wù)局 654200)

過(guò)去，在人們的理念當(dāng)中，河流治理都是將其裁彎改直，對(duì)河堤進(jìn)行硬化以減小糙率，盡可能地縮小過(guò)水?dāng)嗝嬉栽黾油恋乩妹娣e，在不同程度上忽視了水生態(tài)系統(tǒng)的健康需求，導(dǎo)致水生物無(wú)法生存，水體受到污染后難以自然恢復(fù)，生態(tài)系統(tǒng)遭到極大的破壞。在如此嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境危機(jī)中，人類(lèi)一直在尋找一條有效的河流生態(tài)治理途徑，探索通過(guò)工程措施、生物措施和管理措施，盡量避免和緩解水利工程建設(shè)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響，在國(guó)外已做出了不少成功的范例，我國(guó)水利工程建設(shè)者近年來(lái)也做出了不少成效，新的建筑材料和新的工藝不斷出現(xiàn)。通過(guò)以禮河工程的治理，我們?cè)谠O(shè)計(jì)和施工過(guò)程中結(jié)合工程實(shí)際也在逐漸探索思考解決辦法并加以實(shí)施。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 以禮河基本情況

以禮河屬長(zhǎng)江流域金沙江水系，是金沙江下段右岸一級(jí)支流，發(fā)源于會(huì)澤縣待補(bǔ)鎮(zhèn)野馬川車(chē)魯箐，源頭海拔3080m，流經(jīng)會(huì)澤縣的待補(bǔ)、新街、大海、金鐘、娜姑、老廠等6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，于會(huì)澤縣與巧家縣交界處注入金沙江，流程122km，有支流59條，流域面積2558km2。毛家村水庫(kù)位于會(huì)澤縣城南9.5km處，以禮河干流上，為以禮河全梯級(jí)電站的調(diào)節(jié)水庫(kù);站址控制流域面積868km2，主河道長(zhǎng)54.5km。

以禮河通過(guò)毛家村水庫(kù)的調(diào)節(jié)和沉淀后，長(zhǎng)年河水清澈，沒(méi)有泛濫的洪水，也見(jiàn)不到干涸的河床，會(huì)澤人民稱(chēng)以禮河為母親河，對(duì)以禮河有著較深的情結(jié)，以禮河治理的成敗，關(guān)系到會(huì)澤社會(huì)、人文、環(huán)境等多重因素。

1.2 設(shè)計(jì)思路

鑒于以禮河的特殊性和當(dāng)今河流治理生態(tài)化的大環(huán)境，工程設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足防洪要求，并注重生態(tài)、兼顧景觀。通過(guò)以禮河防洪工程的建設(shè)，可以改善本身及周?chē)貐^(qū)的環(huán)境，同時(shí)還要為今后以禮河的旅游景觀建設(shè)留有余地，在不遠(yuǎn)的將來(lái)以禮河可能被建設(shè)成為一條景觀走廊。由此可見(jiàn)，治理以禮河無(wú)論從防洪、生態(tài)，還是改善景觀、灌溉農(nóng)田等方面來(lái)說(shuō)，都具有重大的意義。本次以禮河治理段從毛家村水庫(kù)大壩下游起至紅石巖共9.5km，屬?lài)?guó)家中小河流治理項(xiàng)目。

防洪工程的設(shè)計(jì)首先應(yīng)確保防洪安全，治理的現(xiàn)狀河道寬度大于設(shè)計(jì)值的保持原有寬度，寬度不夠的拓寬至設(shè)計(jì)寬度，處理好河道行洪和生態(tài)保護(hù)要求與土地開(kāi)發(fā)利用之間的矛盾。河槽和河漫灘不僅要能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)洪水的行洪要求，還要保持一定的淺灘寬度和植被空間，為生物的生長(zhǎng)發(fā)育提供棲息地。既要發(fā)揮河流的自?xún)艋δ?，還要有利于地表和地下水的聯(lián)通。

2 以禮河堤防工程設(shè)計(jì)

2.1 水文

2.1.1 設(shè)計(jì)洪水

本次治理范圍為毛家村水庫(kù)大壩以下9.5km長(zhǎng)的以禮河段。該區(qū)間徑流面積14.7 km2，河道平均坡降為0.0046。由于上游人類(lèi)活動(dòng)(毛家村水庫(kù))的影響，治理河段的洪水并非天然洪水，而是由毛家村水庫(kù)調(diào)節(jié)后的下泄洪水過(guò)程與區(qū)間天然洪水過(guò)程組合而成，因此，需推求計(jì)算設(shè)計(jì)洪水的地區(qū)組成。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅考慮毛家村水庫(kù)設(shè)計(jì)、區(qū)間相應(yīng)的組成方式。根據(jù)毛家村水庫(kù)洪水調(diào)度方案:洪水頻率10%時(shí)最大下泄流量為110 m3/s。據(jù)此加上區(qū)間徑流，本次河道治理尾段10年一遇洪水流量為123.3 m3/s。

2.1.2 分期洪水

以禮河分期洪水由兩部分組成，即毛家村水庫(kù)下放發(fā)電流量和水庫(kù)大壩以下9.5km區(qū)間分期洪水。毛家村水庫(kù)壩后電站(一級(jí)電站)裝有兩臺(tái)機(jī)組，單機(jī)流量為16.5 m3/s，據(jù)此計(jì)算水庫(kù)下放發(fā)電流量為33.0 m3/s。加上區(qū)間分期洪水，確定以禮河尾段治理斷面枯季5年一遇洪峰流量為36.3m3/s。

2.2 堤線(xiàn)布置原則

在選擇堤線(xiàn)走向時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有河道的流勢(shì)、水流以及地形地質(zhì)條件，并結(jié)合兩岸農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況綜合分析考慮。

a.堤線(xiàn)應(yīng)與河勢(shì)流向相適應(yīng)，并與大洪水的主流線(xiàn)大致平行，力求避免急彎和折線(xiàn)。

b.考慮到地形地質(zhì)條件，堤線(xiàn)通過(guò)地帶，通過(guò)調(diào)整河底縱坡，盡量減少堤身填筑高度，減少土方回填量，節(jié)約投資。

c.堤防原則上靠岸修建，以減少工程量和不侵占行洪斷面。

d.堤線(xiàn)布置應(yīng)盡量充分利用已建的護(hù)岸工程，以節(jié)省工程量。

2.3 堤距及堤線(xiàn)布置

2.3.1 河道現(xiàn)狀

現(xiàn)有河堤除1+100～1+250段由餐廳經(jīng)營(yíng)者自發(fā)做過(guò)護(hù)砌外，其余堤防大部分均為土堤，而且由于治理段內(nèi)取水壩較多，存在一定的阻水現(xiàn)象，使得河堤大部分都不同程度存在低矮、殘破、單薄的險(xiǎn)情。防洪標(biāo)準(zhǔn)僅能勉強(qiáng)達(dá)到5年一遇，這樣低的防洪標(biāo)準(zhǔn)，隨時(shí)都在威脅著當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)的安全，嚴(yán)重制約著會(huì)澤當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

2.3.2 堤距選擇

堤距選擇是在保證堤防安全的前提下，盡可能節(jié)省工程量，保護(hù)現(xiàn)有建筑和耕地，設(shè)計(jì)寬度主要以現(xiàn)有河道的寬度為依托，局部河段根據(jù)設(shè)計(jì)流量進(jìn)行必要的拓寬，該堤段現(xiàn)狀河寬在10～65m之間，大部分河段寬于20m，窄于20m的現(xiàn)狀河寬為13～19m，共有1170m。在滿(mǎn)足過(guò)流的情況下，對(duì)相對(duì)較窄的河段進(jìn)行擴(kuò)寬，為了平面上與整體相協(xié)調(diào)，確定需拓寬的河段設(shè)計(jì)河寬為20～22m，不再進(jìn)行堤距比較。其余河段基本維持現(xiàn)狀不變。據(jù)此推算設(shè)計(jì)洪水水面線(xiàn)，確定沿程設(shè)計(jì)洪水位和堤頂高程。堤頂寬度以滿(mǎn)足防洪搶險(xiǎn)行車(chē)為原則要求。

2.3.3 堤線(xiàn)布置

本工程河段兩岸都為良田和民居，土地寶貴，為了少占地，不搬遷，加上以禮河已經(jīng)運(yùn)行多年，各河段的平面形態(tài)已較為穩(wěn)定，且現(xiàn)狀河道兩岸基本建有堤防，根據(jù)實(shí)際地形、河勢(shì)，堤線(xiàn)在確保行洪斷面的情況下，各治理河段的堤線(xiàn)基本維持現(xiàn)狀河道的走向不變。

2.4 堤型及斷面設(shè)計(jì)

按照“因地制宜、經(jīng)濟(jì)適用、就地取材，方便施工”的原則，進(jìn)一步研究各堤段所處地理位置，城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)及環(huán)境條件，確定各堤段的基本堤型。

2.4.1 基本堤型方案比較

堤型選擇主要結(jié)合治理段所處位置、地質(zhì)條件、當(dāng)?shù)亟ú墓?yīng)、占地等綜合因素考慮，初擬兩種堤型方案進(jìn)行比較。

方案一:根據(jù)河道的實(shí)際情況，為了防止水流沖刷，左右岸河堤均采用干砌石護(hù)坡，迎水坡坡比1∶1.5。

方案二:左右岸河堤均采用生態(tài)土堤，即方案一中常年水位以上護(hù)坡材料由干砌石改為生態(tài)(植草)護(hù)坡。結(jié)合現(xiàn)有河道的內(nèi)邊坡確定該方案同時(shí)滿(mǎn)足穩(wěn)定要求和土堤護(hù)坡的迎水坡坡比1∶1.5的要求。標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)以禮河河堤標(biāo)準(zhǔn)斷面圖。

將上述兩方案主要工程量及建筑工程投資進(jìn)行比較，顯而易見(jiàn)，方案二較方案一減少了常年水位至堤頂段的干砌石護(hù)坡，建筑工程投資較低，且方案二更注重了生態(tài)環(huán)保理念，可優(yōu)化河道沿岸的景觀，同時(shí)滿(mǎn)足了常年水位的沖刷，綜合考慮采用方案二，即1～2m水位以上采用植草護(hù)坡，1～2m水位以下采用干砌石護(hù)坡，基礎(chǔ)采用M7.5漿砌石或格賓。

2.4.2 斷面設(shè)計(jì)

2.4.2.1 基礎(chǔ)埋置深度的確定

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，基礎(chǔ)埋置深度應(yīng)符合以下要求:

a.在土質(zhì)地基中，基礎(chǔ)埋置深度不小于1.0m。

b.基礎(chǔ)不得置于有機(jī)土、泥炭、腐植土及廢棄垃圾土上。

由于治理河道改變了天然河道的特性，河道必將形成新的沖淤平衡。而河堤基礎(chǔ)必須滿(mǎn)足抗沖刷要求，且具有一定的安全裕度。因此確定沖刷深度是確定基礎(chǔ)埋深的關(guān)鍵。

c.沖刷深度計(jì)算根據(jù)堤線(xiàn)的平順程度不同，采用不同的計(jì)算公式計(jì)算。

?河堤堤線(xiàn)平順地段:

河堤與河道主流方向基本一致，按水流平行河道條件下考慮，沖刷深度按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—98)附錄D.2中公式(D.2.2-1)計(jì)算:

式中 K——水力半徑R=1.0m時(shí)的不沖流速，河床基礎(chǔ)為砂礫石，K=0.9～1.1，取K=1.0

R——平均水力半徑;

hB——局部沖刷深度，m;

hp——沖刷處的水深，m，以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替;

Vcp——平均流速，m/s;

V允——允許不沖流速，m/s;

n——與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取n=1/4。

各河段取流速相對(duì)較大的斷面進(jìn)行沖刷深度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 局部沖刷深度計(jì)算成果

?河道凹岸堤線(xiàn)不平順地段:

河堤與河道主流方向不一致，按水流斜沖防護(hù)岸坡條件考慮，沖刷深度按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—98)附錄D.2中公式(D.2.2-2)計(jì)算:

式中 Δhp——從河底算起的局部沖深，m;

α——水流流向與岸坡的交角，(°);

m——防護(hù)建筑物迎水面的邊坡系數(shù);

d——坡腳處土壤計(jì)算粒徑，cm。對(duì)非黏性土，

取大于15%的篩孔直徑;Vj——水流局部沖刷流速。

土壤計(jì)算粒徑根據(jù)河床泥沙確定，各河段選擇代表性斷面進(jìn)行沖刷深度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 局部沖刷深度計(jì)算成果

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，為防止護(hù)坡基礎(chǔ)被沖刷，基礎(chǔ)埋置深度按沖刷線(xiàn)以下0.5m考慮，以禮河段河堤兩岸及河床大部分為沖洪積層，少部分為坡崩積層及殘坡積層，所以根據(jù)不同河段的地質(zhì)條件，平順段基礎(chǔ)埋置深度為1.0m。

從表2可看出，在部分河道轉(zhuǎn)彎堤段，沖刷相對(duì)較強(qiáng)，因此對(duì)部分河灣凹岸堤段加大基礎(chǔ)埋置深度，各河段基礎(chǔ)加深范圍分述如下:

對(duì)河道3+000～3+100左岸約100m范圍的河堤基礎(chǔ)進(jìn)行加深，基礎(chǔ)埋置深度為2.0m;5+700～5+800左岸約100m范圍的河堤基礎(chǔ)進(jìn)行加深，基礎(chǔ)埋置深度為2.5m;6+700～6+800左岸約100m范圍的河堤基礎(chǔ)進(jìn)行加深，基礎(chǔ)埋置深度為2.0m。

2.4.2.2 堤身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

a.基本斷面:以禮河河堤基本斷面采用生態(tài)護(hù)坡土堤。在堤身中部1～2m水位(略高于5年一遇水位)以下填筑頂寬1m厚，邊坡1∶0.2的黏土料，其余部位采用開(kāi)挖出來(lái)的可以利用的砂礫石料填筑，迎水面1～2m水位(略高于5年一遇水位)以下采用砂石墊層和干砌石護(hù)坡，在河道坡降i＞0.005的地段改干砌石護(hù)坡為雷諾護(hù)墊，砂、石墊層各10cm厚，干砌石厚40cm，雷諾護(hù)墊厚25cm。采用干砌石護(hù)坡和雷諾護(hù)墊均有較多的孔洞，利于河道內(nèi)原有水草的生長(zhǎng)和生物如螃蟹、魚(yú)、蝦等的棲息繁衍;1～2m水位以上采用植草護(hù)坡。河堤基礎(chǔ)采用寬1.0m，埋深1.0～2.5m的M7.5漿砌石，考慮到部分坡降較為平緩的河段施工時(shí)基礎(chǔ)排水會(huì)很困難，水泥砂漿難以使用而采用格賓，基礎(chǔ)頂面與設(shè)計(jì)河底齊平。堤頂寬根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、《堤防工程管理設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，按堤防防汛搶險(xiǎn)的需要確定，堤頂寬3m。堤頂鋪設(shè)成泥結(jié)碎石路面，使之行成防汛搶險(xiǎn)的循環(huán)通道。標(biāo)準(zhǔn)斷面詳見(jiàn)下圖。

以禮河河堤標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

b.以禮河治理工程根據(jù)河道現(xiàn)狀，特殊地段則以特殊方式處理。

6+850～7+300河流坡降較緩，平均i=0.002，稍有淤積。右岸河堤為土夾石，河堤高度已超過(guò)設(shè)計(jì)高度，邊坡1∶0.5左右，基礎(chǔ)基本穩(wěn)定，通過(guò)半個(gè)世紀(jì)的運(yùn)行，僅局部地段有塌岸現(xiàn)象。左岸靠山邊，堤岸路沿側(cè)已有基巖出露，河堤基礎(chǔ)和堤岸較為穩(wěn)定且植被較好，邊坡1∶5左右。河底寬度25m左右。根據(jù)該段的具體情況，左岸采用柳樹(shù)護(hù)坡處理方式，沿堤腳以2m的間距打入柳樹(shù)樁，樁長(zhǎng)2m，尖徑0.12m以上，在有塌岸的地段柳樹(shù)樁間距調(diào)整為1.5m，兩棵柳樹(shù)樁之間加入4棵松木樁。采用柳樹(shù)樁作為護(hù)岸，可以對(duì)現(xiàn)有河堤進(jìn)行加固，柳樹(shù)成活長(zhǎng)大后還可成為以禮河的一道景觀。

7+920～8+460河道堤岸穩(wěn)定，河床底部寬度23m以上，該段河床植被完整，兩岸綠樹(shù)成蔭，已是以禮河的一道靚麗風(fēng)景，河堤高度普遍達(dá)到設(shè)計(jì)高度，局部高度不足部分加高到設(shè)計(jì)高程，路面按基本斷面尺寸要求進(jìn)行整修，其余不作任何工程措施。

為了方便居民取水，沿河每隔50～100m設(shè)置一處下河梯步。

3 工程施工

河道施工最難的就是基礎(chǔ)，其次是堤岸的填筑。以禮河是梯級(jí)電站2、3、4級(jí)電站發(fā)電用水的唯一通道，在河道治理的同時(shí)，還要兼顧電站的發(fā)電，這給河道的施工帶來(lái)了一定的困難。

3.1 基礎(chǔ)施工

原設(shè)計(jì)采用圍堰方式進(jìn)行施工導(dǎo)流，施工前進(jìn)行了認(rèn)真分析:以禮河經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，河底基本為砂礫石，有很強(qiáng)的透水性，當(dāng)導(dǎo)流圍堰將河道束窄水位抬升后，河堤基礎(chǔ)的施工排水靠水泵抽水根本解決不了。實(shí)際施工時(shí)采用導(dǎo)流槽方式，先在河床左岸開(kāi)挖導(dǎo)流槽進(jìn)行右岸基礎(chǔ)的開(kāi)挖及襯砌，導(dǎo)流槽深度控制在0.8～1.5m，底寬10m，水深1.5m，基本可滿(mǎn)足5年一遇枯期流量的下泄，導(dǎo)流槽的開(kāi)挖料堆積于右岸，即可成為右岸基礎(chǔ)施工時(shí)的運(yùn)輸?shù)缆?應(yīng)留出右岸基礎(chǔ)施工斷面)。通過(guò)此施工導(dǎo)流方式，在底坡坡降大于0.005的河段，基礎(chǔ)分段施工排水效果明顯，而底坡坡降小于0.005的河段，排水效果都還不太理想?；A(chǔ)開(kāi)挖后由于排水困難，水泥砂漿砌石基礎(chǔ)的砂漿無(wú)法使用，只能采用格賓的方式進(jìn)行基礎(chǔ)襯砌。當(dāng)右岸基礎(chǔ)施工完畢后，以此方式再進(jìn)行左岸基礎(chǔ)的施工。通過(guò)導(dǎo)流方式的改變，解決了建筑材料的運(yùn)輸問(wèn)題，減少了大量的抽水費(fèi)用，只是增加一定的開(kāi)挖回填量，施工質(zhì)量得到了保障。

3.2 堤岸的填筑

由于是在原河道上進(jìn)行改造，堤岸的填筑在原河堤頂面以下部分都不能使用壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，只能使用小型夯機(jī)進(jìn)行夯實(shí)，待達(dá)到原河堤頂面時(shí)再用壓路機(jī)進(jìn)行碾壓。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今社會(huì)在飛速向前發(fā)展，人類(lèi)對(duì)自身家園的生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐漸清晰。水利工程的生態(tài)影響問(wèn)題也引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，水利工作者對(duì)傳統(tǒng)意義上的水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)理念和方法應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的反思。通過(guò)工程措施、生物措施盡量避免水利工程對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響。通過(guò)以禮河生態(tài)治理工程的設(shè)計(jì)與施工，改變了會(huì)澤過(guò)去的河道治理理念，以后還需要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，探索更加可行的河道治理方式?！?/p>