以禮河生態治理的設計與施工

劉興敏

(云南省會澤縣水務局 654200)

過去，在人們的理念當中，河流治理都是將其裁彎改直，對河堤進行硬化以減小糙率，盡可能地縮小過水斷面以增加土地利用面積，在不同程度上忽視了水生態系統的健康需求，導致水生物無法生存，水體受到污染后難以自然恢復，生態系統遭到極大的破壞。在如此嚴峻的生態環境危機中，人類一直在尋找一條有效的河流生態治理途徑，探索通過工程措施、生物措施和管理措施，盡量避免和緩解水利工程建設對河流生態系統的負面影響，在國外已做出了不少成功的范例，我國水利工程建設者近年來也做出了不少成效，新的建筑材料和新的工藝不斷出現。通過以禮河工程的治理，我們在設計和施工過程中結合工程實際也在逐漸探索思考解決辦法并加以實施。

1 設計思路

1.1 以禮河基本情況

以禮河屬長江流域金沙江水系，是金沙江下段右岸一級支流，發源于會澤縣待補鎮野馬川車魯箐，源頭海拔3080m，流經會澤縣的待補、新街、大海、金鐘、娜姑、老廠等6個鄉鎮，于會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。毛家村水庫位于會澤縣城南9.5km處，以禮河干流上，為以禮河全梯級電站的調節水庫;站址控制流域面積868km2，主河道長54.5km。

以禮河通過毛家村水庫的調節和沉淀后，長年河水清澈，沒有泛濫的洪水，也見不到干涸的河床，會澤人民稱以禮河為母親河，對以禮河有著較深的情結，以禮河治理的成敗，關系到會澤社會、人文、環境等多重因素。

1.2 設計思路

鑒于以禮河的特殊性和當今河流治理生態化的大環境，工程設計必須滿足防洪要求，并注重生態、兼顧景觀。通過以禮河防洪工程的建設，可以改善本身及周圍地區的環境，同時還要為今后以禮河的旅游景觀建設留有余地，在不遠的將來以禮河可能被建設成為一條景觀走廊。由此可見，治理以禮河無論從防洪、生態，還是改善景觀、灌溉農田等方面來說，都具有重大的意義。本次以禮河治理段從毛家村水庫大壩下游起至紅石巖共9.5km，屬國家中小河流治理項目。

防洪工程的設計首先應確保防洪安全，治理的現狀河道寬度大于設計值的保持原有寬度，寬度不夠的拓寬至設計寬度，處理好河道行洪和生態保護要求與土地開發利用之間的矛盾。河槽和河漫灘不僅要能滿足設計洪水的行洪要求，還要保持一定的淺灘寬度和植被空間，為生物的生長發育提供棲息地。既要發揮河流的自凈化功能，還要有利于地表和地下水的聯通。

2 以禮河堤防工程設計

2.1 水文

2.1.1 設計洪水

本次治理范圍為毛家村水庫大壩以下9.5km長的以禮河段。該區間徑流面積14.7 km2，河道平均坡降為0.0046。由于上游人類活動(毛家村水庫)的影響，治理河段的洪水并非天然洪水，而是由毛家村水庫調節后的下泄洪水過程與區間天然洪水過程組合而成，因此，需推求計算設計洪水的地區組成。

為簡化計算，僅考慮毛家村水庫設計、區間相應的組成方式。根據毛家村水庫洪水調度方案:洪水頻率10%時最大下泄流量為110 m3/s。據此加上區間徑流，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，即毛家村水庫下放發電流量和水庫大壩以下9.5km區間分期洪水。毛家村水庫壩后電站(一級電站)裝有兩臺機組，單機流量為16.5 m3/s，據此計算水庫下放發電流量為33.0 m3/s。加上區間分期洪水，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 堤線布置原則

在選擇堤線走向時，根據現有河道的流勢、水流以及地形地質條件，并結合兩岸農業生產情況綜合分析考慮。

a.堤線應與河勢流向相適應，并與大洪水的主流線大致平行，力求避免急彎和折線。

b.考慮到地形地質條件，堤線通過地帶，通過調整河底縱坡，盡量減少堤身填筑高度，減少土方回填量，節約投資。

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.堤線布置應盡量充分利用已建的護岸工程，以節省工程量。

2.3 堤距及堤線布置

2.3.1 河道現狀

現有河堤除1+100～1+250段由餐廳經營者自發做過護砌外，其余堤防大部分均為土堤，而且由于治理段內取水壩較多，存在一定的阻水現象，使得河堤大部分都不同程度存在低矮、殘破、單薄的險情。防洪標準僅能勉強達到5年一遇，這樣低的防洪標準，隨時都在威脅著當地人民生命財產的安全，嚴重制約著會澤當地的經濟發展。

2.3.2 堤距選擇

堤距選擇是在保證堤防安全的前提下，盡可能節省工程量，保護現有建筑和耕地，設計寬度主要以現有河道的寬度為依托，局部河段根據設計流量進行必要的拓寬，該堤段現狀河寬在10～65m之間，大部分河段寬于20m，窄于20m的現狀河寬為13～19m，共有1170m。在滿足過流的情況下，對相對較窄的河段進行擴寬，為了平面上與整體相協調，確定需拓寬的河段設計河寬為20～22m，不再進行堤距比較。其余河段基本維持現狀不變。據此推算設計洪水水面線，確定沿程設計洪水位和堤頂高程。堤頂寬度以滿足防洪搶險行車為原則要求。

2.3.3 堤線布置

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，加上以禮河已經運行多年，各河段的平面形態已較為穩定，且現狀河道兩岸基本建有堤防，根據實際地形、河勢，堤線在確保行洪斷面的情況下，各治理河段的堤線基本維持現狀河道的走向不變。

2.4 堤型及斷面設計

按照“因地制宜、經濟適用、就地取材，方便施工”的原則，進一步研究各堤段所處地理位置，城鎮規劃建設及環境條件，確定各堤段的基本堤型。

2.4.1 基本堤型方案比較

堤型選擇主要結合治理段所處位置、地質條件、當地建材供應、占地等綜合因素考慮，初擬兩種堤型方案進行比較。

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

方案二:左右岸河堤均采用生態土堤，即方案一中常年水位以上護坡材料由干砌石改為生態(植草)護坡。結合現有河道的內邊坡確定該方案同時滿足穩定要求和土堤護坡的迎水坡坡比1∶1.5的要求。標準斷面見以禮河河堤標準斷面圖。

將上述兩方案主要工程量及建筑工程投資進行比較，顯而易見，方案二較方案一減少了常年水位至堤頂段的干砌石護坡，建筑工程投資較低，且方案二更注重了生態環保理念，可優化河道沿岸的景觀，同時滿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坡，1～2m水位以下采用干砌石護坡，基礎采用M7.5漿砌石或格賓。

2.4.2 斷面設計

2.4.2.1 基礎埋置深度的確定

根據《建筑地基基礎設計規范》及相應結構設計規范的有關規定，基礎埋置深度應符合以下要求:

a.在土質地基中，基礎埋置深度不小于1.0m。

b.基礎不得置于有機土、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。而河堤基礎必須滿足抗沖刷要求，且具有一定的安全裕度。因此確定沖刷深度是確定基礎埋深的關鍵。

c.沖刷深度計算根據堤線的平順程度不同，采用不同的計算公式計算。

?河堤堤線平順地段:

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《堤防工程設計規范》(GB 50286—98)附錄D.2中公式(D.2.2-1)計算:

式中 K——水力半徑R=1.0m時的不沖流速，河床基礎為砂礫石，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，以近似設計水位最大深度代替;

Vcp——平均流速，m/s;

V允——允許不沖流速，m/s;

n——與防護岸坡在平面上的形狀有關，一般取n=1/4。

各河段取流速相對較大的斷面進行沖刷深度計算，計算結果見表1。

表1 局部沖刷深度計算成果

?河道凹岸堤線不平順地段:

河堤與河道主流方向不一致，按水流斜沖防護岸坡條件考慮，沖刷深度按《堤防工程設計規范》(GB 50286—98)附錄D.2中公式(D.2.2-2)計算:

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——防護建筑物迎水面的邊坡系數;

d——坡腳處土壤計算粒徑，cm。對非黏性土，

取大于15%的篩孔直徑;Vj——水流局部沖刷流速。

土壤計算粒徑根據河床泥沙確定，各河段選擇代表性斷面進行沖刷深度計算，計算結果見表2。

表2 局部沖刷深度計算成果

根據表1計算結果，為防止護坡基礎被沖刷，基礎埋置深度按沖刷線以下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，所以根據不同河段的地質條件，平順段基礎埋置深度為1.0m。

從表2可看出，在部分河道轉彎堤段，沖刷相對較強，因此對部分河灣凹岸堤段加大基礎埋置深度，各河段基礎加深范圍分述如下:

對河道3+000～3+100左岸約100m范圍的河堤基礎進行加深，基礎埋置深度為2.0m;5+700～5+800左岸約100m范圍的河堤基礎進行加深，基礎埋置深度為2.5m;6+700～6+800左岸約100m范圍的河堤基礎進行加深，基礎埋置深度為2.0m。

2.4.2.2 堤身結構設計

a.基本斷面:以禮河河堤基本斷面采用生態護坡土堤。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，其余部位采用開挖出來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坡，在河道坡降i＞0.005的地段改干砌石護坡為雷諾護墊，砂、石墊層各10cm厚，干砌石厚40cm，雷諾護墊厚25cm。采用干砌石護坡和雷諾護墊均有較多的孔洞，利于河道內原有水草的生長和生物如螃蟹、魚、蝦等的棲息繁衍;1～2m水位以上采用植草護坡。河堤基礎采用寬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基礎排水會很困難，水泥砂漿難以使用而采用格賓，基礎頂面與設計河底齊平。堤頂寬根據《堤防工程設計規范》、《堤防工程管理設計規范》有關規定，按堤防防汛搶險的需要確定，堤頂寬3m。堤頂鋪設成泥結碎石路面，使之行成防汛搶險的循環通道。標準斷面詳見下圖。

以禮河河堤標準斷面圖

b.以禮河治理工程根據河道現狀，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，河堤高度已超過設計高度，邊坡1∶0.5左右，基礎基本穩定，通過半個世紀的運行，僅局部地段有塌岸現象。左岸靠山邊，堤岸路沿側已有基巖出露，河堤基礎和堤岸較為穩定且植被較好，邊坡1∶5左右。河底寬度25m左右。根據該段的具體情況，左岸采用柳樹護坡處理方式，沿堤腳以2m的間距打入柳樹樁，樁長2m，尖徑0.12m以上，在有塌岸的地段柳樹樁間距調整為1.5m，兩棵柳樹樁之間加入4棵松木樁。采用柳樹樁作為護岸，可以對現有河堤進行加固，柳樹成活長大后還可成為以禮河的一道景觀。

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

為了方便居民取水，沿河每隔50～100m設置一處下河梯步。

3 工程施工

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

3.1 基礎施工

原設計采用圍堰方式進行施工導流，施工前進行了認真分析:以禮河經過多年的運行，河底基本為砂礫石，有很強的透水性，當導流圍堰將河道束窄水位抬升后，河堤基礎的施工排水靠水泵抽水根本解決不了。實際施工時采用導流槽方式，先在河床左岸開挖導流槽進行右岸基礎的開挖及襯砌，導流槽深度控制在0.8～1.5m，底寬10m，水深1.5m，基本可滿足5年一遇枯期流量的下泄，導流槽的開挖料堆積于右岸，即可成為右岸基礎施工時的運輸道路(應留出右岸基礎施工斷面)。通過此施工導流方式，在底坡坡降大于0.005的河段，基礎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。基礎開挖后由于排水困難，水泥砂漿砌石基礎的砂漿無法使用，只能采用格賓的方式進行基礎襯砌。當右岸基礎施工完畢后，以此方式再進行左岸基礎的施工。通過導流方式的改變，解決了建筑材料的運輸問題，減少了大量的抽水費用，只是增加一定的開挖回填量，施工質量得到了保障。

3.2 堤岸的填筑

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

4 結語

當今社會在飛速向前發展，人類對自身家園的生態環境保護意識逐漸清晰。水利工程的生態影響問題也引起了社會各界的廣泛關注，水利工作者對傳統意義上的水利工程規劃設計理念和方法應進行系統的反思。通過工程措施、生物措施盡量避免水利工程對于河流生態系統的負面影響。通過以禮河生態治理工程的設計與施工，改變了會澤過去的河道治理理念，以后還需要不斷總結經驗，探索更加可行的河道治理方式。■