烏沙河望城段河道治理工程生態(tài)防洪堤設(shè)計(jì)

劉仁德，吳 蓋，康宏志，張 煌，王志超

(1.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330029；2.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029)

河流是自然生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)進(jìn)行能量交換的重要媒介，是城市防洪排澇、生態(tài)文化、調(diào)蓄通航、游憩景觀等綜合效益的重要載體[1]。河道治理是補(bǔ)齊城市防洪排澇短板、恢復(fù)河道生態(tài)屬性和防洪減災(zāi)的重要途徑。隨著南昌市昌北城區(qū)的建設(shè)發(fā)展，現(xiàn)狀烏沙河昌北城區(qū)河段基本處于人類(lèi)活動(dòng)影響下的荒蕪、雜亂狀態(tài)，防洪標(biāo)準(zhǔn)低、河面寬窄不均、橋涵阻水壅水等嚴(yán)重影響河道防洪、排澇、生態(tài)景觀等功能的正常發(fā)揮。因此，面對(duì)十八大后生態(tài)文明建設(shè)對(duì)河道治理的新要求以及南昌生態(tài)花園城市發(fā)展流域防洪、排澇新特點(diǎn)，在充分調(diào)研烏沙河昌北城區(qū)河段河道現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，遵循堤防、自排、提排、滯蓄等相結(jié)合的防洪原則，通過(guò)河道清淤、河堤岸線(xiàn)重塑、生態(tài)堤加固修復(fù)等改善水環(huán)境的治理思路，構(gòu)筑集“防洪、生態(tài)治理和濱水景觀建設(shè)”等功能為一體的生態(tài)景觀河道[2]，促進(jìn)昌北城區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)和諧共贏協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 工程概況

烏沙河為贛江左岸的一級(jí)小支流，河長(zhǎng)約40km，集雨面積263.3km2。烏沙河流域主流及支流中、下游河段均地處昌北城區(qū)。烏沙河昌北城區(qū)望城段綜合整治工程初步設(shè)計(jì)范圍為河道樁號(hào)15+450m～17+220m，長(zhǎng)1.77km，其中：樁號(hào)15+450m～16+000m河道清淤，樁號(hào)16+000m～17+220m河道綜合整治。按50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，通過(guò)河道整治、新建防洪堤、生態(tài)修復(fù)、新建調(diào)蓄區(qū)自排閘等措施與現(xiàn)有防護(hù)工程有機(jī)鏈接構(gòu)筑封閉的生態(tài)防洪體系，有效解決昌北城區(qū)的區(qū)域防洪洪澇和水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

2 烏沙河綜合治理解決方案

烏沙河(望城段)位于江西省南昌市北城區(qū)，烏沙河為贛江下游左岸的一條支流，河長(zhǎng)約40km，集水面積263.3km2。烏沙河作為贛江的一條重要分支，屬平原地區(qū)典型的城市中小型河流，“人類(lèi)-城市-河流”的關(guān)系極為密切?，F(xiàn)狀烏沙河主要存在行洪能力差、城市污染物直接入河、規(guī)劃河道工程化明顯、河道環(huán)境承載力降低、河岸穩(wěn)定性差和河流社會(huì)服務(wù)能力差等問(wèn)題。治理河段因其位置和功能上的特殊性，在規(guī)劃設(shè)計(jì)中需要從防洪功能、開(kāi)發(fā)利用功能、生態(tài)功能、環(huán)境功能和服務(wù)功能等多方面進(jìn)行綜合考慮。針對(duì)烏沙河河道空間占用明顯、行洪排澇不暢、人類(lèi)干擾嚴(yán)重、水質(zhì)污染嚴(yán)重、治理標(biāo)準(zhǔn)高等問(wèn)題，提出重點(diǎn)考慮防洪排澇安全、外源污染控制、水生態(tài)修復(fù)、水景觀打造、水文化構(gòu)建和生態(tài)修復(fù)長(zhǎng)效機(jī)制的綜合治理技術(shù)[3- 4]。基于“自然河道設(shè)計(jì)”理念，對(duì)原有自然的河道平面盡量予以保留，硬質(zhì)化、規(guī)則化、直線(xiàn)化的河段進(jìn)行改造，縱向上滿(mǎn)足生物和能量交流的需要，橫向上護(hù)坡護(hù)岸、河漫灘、消落帶進(jìn)行有效的銜接。烏沙河綜合治理解決方案，如圖1所示。

圖1 烏沙河綜合治理解決方案

3 治理工程總體布置

烏沙河樁號(hào)15+450m～16+000m河段經(jīng)過(guò)河道整治后，河道行洪條件與景觀等到極大的改善，但由于近期的城市快速路建設(shè)等原因，導(dǎo)致河道內(nèi)淤積嚴(yán)重，影響河道行洪與水環(huán)境水景觀，急需進(jìn)行清淤整治。烏沙河干流長(zhǎng)堎聯(lián)圩樁號(hào)16+000m～17+550m段位于南昌市西部、基本處于天然彎曲狀態(tài)，隨著長(zhǎng)堎新區(qū)和昌灣大道的規(guī)劃與建設(shè)，為縮短河道以及防洪堤線(xiàn)長(zhǎng)度，使建設(shè)用地地塊完整，并減少因河道彎曲而帶來(lái)的河勢(shì)不穩(wěn)定作用，對(duì)該河段進(jìn)行改道和岸線(xiàn)整治。烏沙河現(xiàn)狀蜿蜒曲折、寬窄不一，在滿(mǎn)足行洪安全的前提下，盡最大可能維持河道現(xiàn)狀蜿蜒程度，并最大限度利用現(xiàn)有河灘地，營(yíng)造河道斷面多樣、深淺不一、形狀各異的平面形態(tài)?；诮匀还しǖ暮拥榔矫嫘螒B(tài)設(shè)計(jì)，其總體布置如圖2所示。

圖2 近自然工法河道治理

(1)河道整治工程

整治河段位于烏沙河干流(樁號(hào)15+450m～17+220m段)，總長(zhǎng)度1.77km。根據(jù)地形情況和工程特點(diǎn)，工程建設(shè)的主要任務(wù)是對(duì)河道進(jìn)行整治。根據(jù)烏沙河河道整治的整體規(guī)劃，對(duì)該段河道整治布置如下：①樁號(hào)15+450m～16+000m段設(shè)計(jì)河床底高程17.88～18.16m；②樁號(hào)16+000m～17+220m段設(shè)計(jì)河床底高程18.16～18.93m，河道控制底寬為50m。

(2)防洪堤加固及生態(tài)修復(fù)

防洪堤堤頂超高結(jié)合區(qū)內(nèi)建設(shè)用地高程以及景觀要求定為1.0m；堤頂寬度綜合考慮堤現(xiàn)狀構(gòu)造、防汛及交通要求定為6.0m。并結(jié)合“自然河流”的形態(tài)及水流的自然規(guī)律，對(duì)原河道進(jìn)行水生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)[5- 6]。

(3)新建調(diào)蓄區(qū)自排閘及機(jī)耕橋

蔡家橋調(diào)蓄區(qū)自排閘位于烏沙河樁號(hào)12+025m左岸堤防處，為蔡家橋電排站三個(gè)調(diào)蓄區(qū)中的第2個(gè)調(diào)蓄區(qū)中的自排閘。自排閘為新建，單孔，孔口尺寸2.5m(寬)×1.8m(高)。閘設(shè)計(jì)洪水位為23.69m，閘內(nèi)調(diào)蓄區(qū)采用蔡家橋電排站最高蓄澇水位為22.50m。閘底板高程為16.30m，閘門(mén)為鑄鐵閘門(mén)。為滿(mǎn)足禹港水的后期規(guī)劃要求以及烏沙河機(jī)耕路的通行要求，禹港水匯入烏沙河的匯合口處，在樁號(hào)17+220m的左岸修建1座機(jī)耕橋。

4 生態(tài)防洪堤設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 工程地質(zhì)

工程區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)、江南臺(tái)隆、九嶺～高臺(tái)山臺(tái)拱之次級(jí)鄱陽(yáng)湖凹陷帶構(gòu)造單元中。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，相應(yīng)地震烈度為Ⅵ度。區(qū)內(nèi)第四系地層分布廣泛，地下水類(lèi)型主要為孔隙性潛水。環(huán)境水對(duì)混凝土具多種弱～中等腐蝕性；對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕。防洪堤防位于贛江Ⅰ級(jí)沖積階地，地勢(shì)較低，岸坡的巖性為第四系全新統(tǒng)沖積含礫粘土、壤土、砂壤土、細(xì)砂及粗砂，各土層的抗沖刷能力均較差，特別是在樁號(hào)17+300m～17+400m及樁號(hào)16+100m附近一帶，由于岸坡處于河道的凹岸，受水流沖刷作用影響較大，岸坡極易被沖刷淘蝕，導(dǎo)致岸坡崩塌，影響堤防的穩(wěn)定與安全，需對(duì)開(kāi)挖河道整段岸坡進(jìn)行防沖刷處理。

4.2 護(hù)岸型式選擇

烏沙河(望城段)治理工程為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)“鄱陽(yáng)湖五河及湖區(qū)生態(tài)水利綜合治理關(guān)鍵技術(shù)及示范”項(xiàng)目的示范點(diǎn)之一。根據(jù)烏沙河數(shù)模成果，景觀平臺(tái)以下采用聯(lián)鎖式生態(tài)混凝土護(hù)岸，由預(yù)制混凝土磚塊組成的鋪面系統(tǒng)，每塊聯(lián)鎖式磚與附近六塊磚聯(lián)鎖鉸接，整個(gè)鋪面為柔性體，耐沖刷能力較強(qiáng)和整體穩(wěn)定性好，磚孔中可種植草本植被，美化環(huán)境，改善生態(tài)效果[7- 8]。聯(lián)鎖式生態(tài)混凝土護(hù)岸操作簡(jiǎn)單，施工快捷，與其他生態(tài)護(hù)坡技術(shù)相比，工效更高，施工速度更快，單價(jià)約100元/m2。樁號(hào)16+050m、16+100m和16+750m三個(gè)生態(tài)島的附近平均流速較大，設(shè)計(jì)對(duì)這三個(gè)生態(tài)島的岸坡進(jìn)行仿木樁護(hù)岸，仿木樁直徑0.3m，單根長(zhǎng)3.0m。

4.3 護(hù)坡型式選擇

(1)蜂巢式網(wǎng)格植草護(hù)坡

在樁號(hào)16+000m～16+050m的右岸及樁號(hào)16+050m～16+250m的左岸景觀平臺(tái)以上采用蜂巢式網(wǎng)格植草護(hù)坡。蜂巢式網(wǎng)格植草護(hù)坡是一種新型土工合成材料，是以高分子聚合物片材，經(jīng)超聲波焊接而成具有三維網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的格室，如圖3所示。

圖3 蜂巢式網(wǎng)格植草護(hù)坡

(2)生態(tài)混凝土護(hù)坡

在樁號(hào)16+350m～16+650m的右岸以及樁號(hào)16+550m～16+800m的左岸景觀平臺(tái)以上采用生態(tài)混凝土護(hù)坡。生態(tài)混凝土是將連續(xù)粒級(jí)的粗骨料、細(xì)骨料和生態(tài)膠凝材料按一定配合比進(jìn)行均勻拌合澆筑(必要時(shí)可不用細(xì)骨料)，自然養(yǎng)護(hù)后在混凝土表面呈米花糖狀并有大量連通、細(xì)·密孔隙的多孔質(zhì)混凝土[9]，如圖4所示。

圖4 生態(tài)混凝土護(hù)坡

(3)生態(tài)袋護(hù)坡

在樁號(hào)16+900m～17+050m的右岸及樁號(hào)16+950m～17+150m的左岸景觀平臺(tái)以上采用生態(tài)袋護(hù)坡。生態(tài)袋具有抗老化、抗紫外線(xiàn)、無(wú)毒、不助燃、裂口不延伸和零污染等特點(diǎn)。生態(tài)袋裝土后尺寸為81.5×44×15mm(長(zhǎng)×寬×厚)，如圖5所示。

圖5 生態(tài)袋護(hù)岸

4.4 截水凈化設(shè)計(jì)

截水凈化設(shè)計(jì)選取樁號(hào)16+000m～16+200m段右岸堤防與濕地島之間的水域，開(kāi)展濱水帶岸坡雨污分離凈化關(guān)鍵技術(shù)的示范。通過(guò)在下游設(shè)置景觀式溢流壩，并結(jié)合左岸河道走勢(shì)，在濕地島遠(yuǎn)離堤防處設(shè)置仿木樁擋土墻形成生態(tài)導(dǎo)墻，使?jié)竦貚u和右岸堤防之間形成一塊相對(duì)封閉的水域，并延長(zhǎng)上游雨污水在該流域停留的時(shí)間。通過(guò)在濕地島四周的功能性護(hù)坡材料、水生植物以及微生物的聯(lián)合作用去除水體中的污染物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)局部的雨污分離凈化。

4.5 梯田生態(tài)擋墻(格賓擋墻)設(shè)計(jì)

將抗腐耐磨高強(qiáng)的低碳鋼絲，經(jīng)過(guò)表面鍍層和覆層處理，編織成六邊形網(wǎng)目，組裝成箱，并在其中填入石料形成的梯田生態(tài)擋墻護(hù)坡系統(tǒng)。在樁號(hào)16+650m的左岸休閑小廣場(chǎng)弧形連接段設(shè)計(jì)梯田生態(tài)擋墻，擋墻采用下部?jī)蓚€(gè)0.5m×0.5m×0.5m鋼絲箱并和上部的1個(gè)0.5×0.5×0.5m鋼絲箱進(jìn)行組裝，如圖6所示。

圖6 梯田生態(tài)擋墻

4.6 岸坡抗滑穩(wěn)定分析

選取堤身粘土覆蓋層較薄、下部砂類(lèi)土較厚的斷面，對(duì)樁號(hào)16+600m斷面采用剛體極限平衡法按均質(zhì)土壩簡(jiǎn)化分析[10]。堤壩填筑土料特性指標(biāo)為：天然容重19kN/m3；飽和容重19.2kN/m3；粘聚力15.8kPa；內(nèi)摩擦角Φ=10°。計(jì)算得生態(tài)防洪堤護(hù)岸邊坡整體穩(wěn)定分析成果，如表1所示。

表1 生態(tài)防洪堤抗滑穩(wěn)定分析成果

從表1可知，生態(tài)防洪堤抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為kc=1.86，大于允許最小值[kc]=1.25的指標(biāo)要求，防洪堤整體安全穩(wěn)定。

5 結(jié)論

烏沙河(望城段)是南昌市烏沙河封閉防洪體系中尚未進(jìn)行完全整治的河段，通過(guò)綜合治理工程實(shí)施提高河道防洪標(biāo)準(zhǔn)、確保沿河兩岸居民人身財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)修復(fù)至關(guān)重要。治理河段基本處于人類(lèi)活動(dòng)影響下的荒蕪、雜亂狀態(tài)，針對(duì)河道堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)低、河面寬窄無(wú)序、橋涵阻水壅水、河道過(guò)流能力小等問(wèn)題，通過(guò)河道整治、新建堤防、生態(tài)修復(fù)等措施，采用近自然工法生態(tài)防洪堤型與已建防洪堤有機(jī)銜接形成封閉防洪體系。在類(lèi)似工程設(shè)計(jì)中，要充分考慮河道現(xiàn)狀，結(jié)合“自然河流”的形態(tài)以及水流的自然規(guī)律，優(yōu)選工程適宜性強(qiáng)、上下游銜接好、水體水質(zhì)改善與生態(tài)修復(fù)具有長(zhǎng)效保持機(jī)制的生態(tài)防洪堤結(jié)構(gòu)體型，增強(qiáng)河道防洪和排澇能力，實(shí)現(xiàn)城區(qū)自然環(huán)境、水生態(tài)和人文景觀的和諧發(fā)展。