城市生態(tài)堤防設(shè)計的必要性及其原則分析

張吉剛，李劍鋒，李孟洋

（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，鄭州 450016）

1 引言

針對堤防結(jié)構(gòu)風(fēng)險開展有效規(guī)劃，融合生態(tài)設(shè)計思想，能夠積極展現(xiàn)生態(tài)堤防的作用，有助于發(fā)揮其環(huán)境保護(hù)功能。為此，研究生態(tài)堤防設(shè)計方法，構(gòu)建城市生態(tài)屏障，具有較高的研究價值。

2 堤防生態(tài)性設(shè)計的重要價值

2.1 改善景觀

規(guī)則斜坡設(shè)計形成的堤防，對原有河域生態(tài)體系形成了嚴(yán)重破壞，加劇了生物棲息場所受損嚴(yán)重性。堤防設(shè)計的各項(xiàng)環(huán)節(jié)中，需盡可能地控制洪水帶來的河岸沖擊作用，維持斜坡處高度、坡度的平衡性。河域具有不規(guī)則特點(diǎn)，洪水侵蝕強(qiáng)度較高會使其生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，難以保持河道景觀的完好性。為此，加強(qiáng)堤防設(shè)計，融合生態(tài)思想，可有效抵御災(zāi)害，保持河域觀賞性。

2.2 保持河域生態(tài)

堤防設(shè)計需綜合參考泄洪情況，如洪水速度，合理控制堤防項(xiàng)目支出。堤防施工時，需以原有河道為基礎(chǔ)，開展河道改建工作，融合生態(tài)思想，加強(qiáng)設(shè)計方案調(diào)整，可強(qiáng)化堤防功能，順應(yīng)城市居民對堤防環(huán)保性的需求，極具實(shí)踐價值。

3 生態(tài)堤防設(shè)計的各項(xiàng)要求

3.1 安全性

堤防設(shè)計初期，設(shè)計人員需全面思考防洪抗災(zāi)的要求。在方案中引入安全性思想，確保方案設(shè)計內(nèi)容的可行性，積極構(gòu)建堤防生態(tài)體系。因此，安全性是堤防方案設(shè)計的首要原則。

3.2 景觀性

生態(tài)學(xué)在堤防設(shè)計中的融合，顯著更新了堤防建筑方案。在堤防設(shè)計期間，積極融合自然因素，設(shè)計成員可借助環(huán)境勘測方式，保證工藝方案的生態(tài)性。針對蜿蜒曲折的河域項(xiàng)目，需進(jìn)行大規(guī)模的河岸修建，會增加各項(xiàng)施工資源的消耗量，形成較嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。為此，在前期規(guī)劃時，可融合環(huán)保思想，保護(hù)原有景觀，開展相應(yīng)的生態(tài)設(shè)計，維持原有生態(tài)結(jié)構(gòu)的生命力，成為堤防設(shè)計的關(guān)鍵要領(lǐng)。

3.3 異質(zhì)性

堤防前期規(guī)劃中，需積極考量生態(tài)方案的可行性，如經(jīng)濟(jì)性、護(hù)岸安全性、堤防邊緣情況等。設(shè)計各環(huán)節(jié)需積極融合生態(tài)思想，把握自然景觀的生態(tài)需求，關(guān)注各類生態(tài)的發(fā)展特點(diǎn)，營建優(yōu)質(zhì)的水域環(huán)境，維持水生植物的生長力，發(fā)揮生態(tài)堤防的防護(hù)功能[1]。

3.4 親水性

生態(tài)設(shè)計需綜合成本、生態(tài)、社會功能等。在城市區(qū)域?yàn)槿藗儬I建生態(tài)堤防，構(gòu)建多樣性的水域休閑設(shè)施，打造成水域景觀，豐富區(qū)域項(xiàng)目的文娛性，補(bǔ)充區(qū)域項(xiàng)目功能，為人們修建兼顧植物生態(tài)、景觀欣賞、休閑娛樂的場所。

4 工程實(shí)例設(shè)計分析

4.1 工程概述

某工程內(nèi)山脊高度值域?yàn)閇1 550 m，1 750 m]，河域內(nèi)地面高程為（1 345±15）m，部分區(qū)域表層含有黃土層，多數(shù)基巖處于裸露狀態(tài)。少數(shù)基巖露出的巖石類型為花崗巖。工程所在地域具有季風(fēng)性特點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)雨量充足、草植豐富、植被生長狀態(tài)極佳。

4.2 總體設(shè)計思路

設(shè)計時綜合考量河域環(huán)境、休閑娛樂、景觀布設(shè)、城市規(guī)劃等需求，最終確定案例項(xiàng)目的堤防方案為植物+石籠結(jié)構(gòu)，以此保障護(hù)坡質(zhì)量，改善案例項(xiàng)目周邊的景觀設(shè)計質(zhì)量。實(shí)踐中配合河道整治、河域周邊綠植種植等措施，營建優(yōu)質(zhì)的水域娛樂環(huán)境。

4.3 設(shè)計布置

堤防設(shè)計參照初期堤防規(guī)劃的各項(xiàng)規(guī)范，拆除早期建成的堤防項(xiàng)目，將其改造為生態(tài)堤防。河床面位置設(shè)計一組泄洪槽，便于快速排除洪水，排洪能力設(shè)計為21.7 m3/s；排洪槽設(shè)計在河道中心處，槽體結(jié)構(gòu)為賓格石籠，排洪槽與堤防間隔區(qū)域設(shè)計成公園，種植水生植物，搭配園林小品，增設(shè)步行棧道。

4.4 泄洪槽設(shè)計

排洪槽設(shè)計方案見表1。

表1 排洪槽設(shè)計方案

表1 方案中，坡降i設(shè)計取值為0.005。各參數(shù)的計算方法：

將表1 中數(shù)據(jù)代入式（1）～式（3）確定排洪槽的設(shè)計方案：槽寬=水面寬度k=10 m，槽深大于河水深度h，取2 m。排洪槽結(jié)構(gòu)方案為賓格石籠，結(jié)構(gòu)底部使用C20 用料，施工成栽卵石樣式，結(jié)構(gòu)參數(shù)與槽方案一致，即結(jié)構(gòu)寬取10 m，深取2 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

圖1 排洪槽結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖（單位：cm）

4.5 生態(tài)護(hù)坡設(shè)計

4.5.1 堤距寬度

此次生態(tài)改造堤防初期設(shè)計的參照規(guī)范為GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》。在設(shè)計中，造床流量參數(shù)參看“2 年發(fā)生一次的洪水流量”。堤防間距具體指兩個護(hù)堤中位的間隔長度。堤距寬度設(shè)計需參考的因素：堤防安全性，保證排泄順暢；河相關(guān)系，盡量保持河型，減少外形改變量；控制耕地占用量，平衡工程量、堤防防洪能力，控制施工成本，綜合考量各河段的洪水運(yùn)行特點(diǎn)。堤距寬度設(shè)計的最小值需大于造床流量條件時的河寬參數(shù)B。堤距寬度設(shè)計的最高值以河床外沿、一般岸寬數(shù)值為參考，綜合給出參數(shù)大小。在水流、河床長時間的水力作用下，形成了沖積河流，具有自由調(diào)整河床的能力。河床外觀、水域內(nèi)泥沙、河床屬性各參數(shù)之間存在一定關(guān)系[2]。在計算基礎(chǔ)河寬參數(shù)B時，引入阿爾圖寧計算法：

式中，q為造床流量，m3/s；j為河床比降，取0.005；e為河相系數(shù)，取7.84；s取0.02 m2，最終獲得基礎(chǔ)河寬參數(shù)B值為36.46 m。案例項(xiàng)目初期堤防間距是（125±5）m，堤防間距明顯高于河寬參數(shù)，采取初期堤線方案進(jìn)行新堤線布置，以此保障防洪效果。

4.5.2 護(hù)坡結(jié)構(gòu)的生態(tài)性分析

依據(jù)案例項(xiàng)目的實(shí)際規(guī)劃情況，選用賓格石籠結(jié)構(gòu)進(jìn)行護(hù)坡設(shè)計，此種結(jié)構(gòu)組成有網(wǎng)箱、石塊，表現(xiàn)出較強(qiáng)的撓性，優(yōu)異的韌性可積極應(yīng)對河床變形問題，表現(xiàn)出較強(qiáng)的透水能力，可保證邊坡長時間處于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的淤泥性，可增強(qiáng)自然植被的生長能力，使結(jié)構(gòu)設(shè)計能與河岸周邊環(huán)境相融合，表現(xiàn)出較高的生態(tài)性。拼搭賓格石籠，能在短時間內(nèi)高效完成施工，相比混凝土不會對環(huán)境形成較大污染。

4.5.3 堤防斷面設(shè)計

參照案例項(xiàng)目所在區(qū)域的堤防工藝，分別從生態(tài)、施工成本等方面思考設(shè)計方案的可行性。經(jīng)方案對比選擇梯形結(jié)構(gòu)進(jìn)行堤防斷面設(shè)計。梯形斷面的用料選自工程區(qū)域內(nèi)的河床砂礫石。護(hù)坡設(shè)計時選用植物+石籠的結(jié)構(gòu)方案。邊坡設(shè)計方案為1∶1.5。邊坡厚度參數(shù)的平均值為0.3 m。在河床表層使用賓格石籠進(jìn)行鋪設(shè)，鋪設(shè)厚度取0.3 m，石籠寬度取2.5 m。護(hù)坡結(jié)構(gòu)生產(chǎn)時，采用雙面絞合鋼絲，配合底座結(jié)構(gòu)、聚合蓋面，組裝成生態(tài)性極強(qiáng)的網(wǎng)墊體系，可進(jìn)行綠植高效種植。護(hù)坡設(shè)計方案如圖2 所示。

圖2 護(hù)坡設(shè)計方案

4.6 生態(tài)景觀設(shè)計

景觀設(shè)計時主要進(jìn)行花卉種植，間隔配置園林小品，鋪設(shè)可用的人行路線。景觀設(shè)計時以小廣場為主要場區(qū)，配合綠植設(shè)計，增加場區(qū)內(nèi)的生態(tài)性。綠植主要包括灌木、喬木。大范圍使用草皮，重點(diǎn)位置種植花卉[3]。

園林小品設(shè)計：以景觀步行路為沿線，進(jìn)行照明設(shè)計，間隔擺放休息長椅、踏石、垃圾回收設(shè)施等。

4.7 工藝要求

1）案例項(xiàng)目進(jìn)行賓格石籠生產(chǎn)制作時，邀請相關(guān)專家給予工藝指導(dǎo)，確保石籠結(jié)構(gòu)的生態(tài)性。結(jié)構(gòu)中使用了U 形釘，保證石籠與坡面的連接穩(wěn)固性。在坡頂位置設(shè)計出錨固位，用于底部連接。

2）使用鋼筋制作U 形釘，連接固定時將其布置成梅花形，固定釘間隔1 m。網(wǎng)面結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度取24 kN/m。

3）石籠網(wǎng)面使用鋼絲，由機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)獲得，網(wǎng)面性能應(yīng)滿足YB/T4190—2018《工程用機(jī)編鋼絲網(wǎng)及組合體》。

4）填筑石料時，需檢查石塊質(zhì)地性能，石料強(qiáng)度的檢查標(biāo)準(zhǔn)為MU30，石料比重的最小值為25 t/m3，石料規(guī)格值域?yàn)閇70 mm，150 mm]。

5）測定堤防性能時，要求堤防結(jié)構(gòu)水中穩(wěn)定性強(qiáng)，具有優(yōu)異的抗水解穩(wěn)定性、抗風(fēng)能力。

6）結(jié)構(gòu)拼接不可使用薄片石料。石料填充不可使用泥巖。材料填筑形成的孔隙比需小于30%。

7）聚酯布的性能要求：抗斷強(qiáng)度最小值為10 kN/m，具體參看GB/T 17639—2008《土工合成材料長絲紡粘針刺非織造土工布》的各項(xiàng)規(guī)定。

8）結(jié)構(gòu)底部連接使用的C 形釘，釘生產(chǎn)用料為鋼絲，材料直徑取值為3 m，在材料外層進(jìn)行鍍鋅處理，鍍鋅層質(zhì)量最小值為255 g/m2。鋼絲整體抗拉性能最小值為1 720 MPa，生產(chǎn)獲得的C 形釘拉力性能最小值為2.1 kN。

5 結(jié)語

綜上所述，堤防設(shè)計直接決定著國內(nèi)水利項(xiàng)目的最終質(zhì)量。為此，在設(shè)計中需遵循設(shè)計規(guī)范，結(jié)合工程實(shí)際要求，給出可行的設(shè)計方案，逐步增強(qiáng)堤防功能。