生態潛壩在武夷山“水美城市”工程中的應用

陳開宇

（上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市200061）

0 引言

隨著武夷山城市建設理念的發展和民眾生活需求的提高，河道的生態化改造已經成為“水美城市”建設中的一個重要的環節。在加強水利基礎性工程建設，滿足水利設施系統防洪、排洪、灌溉等功能的同時，保護、修復原有水系的生態系統、提升水環境景觀效果已經成為新時期河道建設的重要因素[1]。加強河道的生態化改造，不僅是滿足當前人民生產生活的需要，更關系到未來社會的可持續發展。在河道生態化改造的過程中，首先需要攔蓄水體，保證枯水期有一定的水位，以此營造水景觀。因此，生態潛壩在河道治理工程中的應用越來越廣泛。

1 工程概況

武夷山地處福建省北部，三面環山。東鄰蒲城縣，南接建陽縣，西與光澤縣毗連，北部與江西鉛山縣交界，隸屬福建省南平市。崇陽溪作為武夷山市最大的溪流穿過武夷山市區，流經景區，構成整個武夷山市水系的生態網絡[2]。武夷山“水美城市”工程分三期實施，實施對象為崇陽溪。其中，一期工程起點為崇陽溪馬廠洲大橋，終點為武夷大橋，整治河道長度5085 m，防洪標準為30 a 一遇。

2 生態潛壩壩型選擇

根據崇陽溪的河流特點，汛期豐水季節，上游來水豐沛，河道水位較高；冬春枯水季節，上游來水較少，河道水位較低。選擇壩型時應充分考慮減小對河道防洪影響和蓄水面最寬廣的要求[3]。

經對山區河道生態潛壩型的調查分析并比較，適合該工程的生態潛壩型式有：橡膠壩、翻板壩、砌石壩和鋼壩閘等[4]。現對其進行方案比選如下：

2.1 橡膠壩

橡膠壩由上游連接段、橡膠壩段、下游連接段及橡膠壩控制系統四部分組成。其主要作用是控制水位和下泄流量。橡膠壩方案，非汛期采用充水橡膠壩體擋水，形成上游水面。行洪時，排空壩袋過水。該方案需在岸側布置控制室，采用水泵充、排水。

2.2 翻板壩

自動翻板壩多位于平原河道，要求河道底坡降較小。采用自動翻板，轉軸位于擋水高度約2/3 位置處，非汛期采用翻板閘門擋水，形成上游水面。當汛期來臨或壩上水位上漲至預設水位時，閘門自動翻轉，排泄河道上游來水。洪水過后，水位降至預設水位，閘門自動復位重新擋水。

2.3 鋼壩閘

鋼壩閘屬于動力機控生態潛壩型，其中：山區河道主要可用來蓄水營造水景觀。采用動力翻板，非汛期采用鋼閘門擋水，形成上游水面；汛期來臨時，閘門動力向下游臥倒，排泄上游來水，行洪后，鋼壩動力恢復擋水狀態。

2.4 砌石壩

砌石壩是山區較大坡降河道常用生態潛壩型，采用砌石攔河形成固定壩體。河道非汛期，采用壩體擋水，形成上游水面。當汛期來臨時，洪水需漫過壩頂過流。由于固定壩體的存在，原設計洪水過壩時形成壅高，對兩側防洪有一定的影響，需同步加高加固。

以上4 個方案各有優缺點，具體比選見表1所列。

表1 壩型方案比選表

根據Hec-Ras 軟件計算結果，設壩后水面線抬高1～10 cm，影響范圍約為壩上游2 km，未超出工程范圍，對工程安全及堤防工程投資影響不大。因此，該工程設壩后對河道行洪影響較小，對行洪水位抬升影響較小，僅需簡單加高兩岸堤頂部分。

從景觀、投資、運行、維護、行洪等方面綜合考量，該工程選用砌石壩方案。

3 生態潛壩設計

3.1 生態潛壩布置

該項目新建生態潛壩2 座，可以形成多級水面，豐富水景觀效果，同時可以減少對河道沖刷，達到穩定河床的效果。表2 為新建生態潛壩平面特性表。

為了營造水體，兼顧自然、寫意，該生態潛壩主體采用砌石結構，可與山區河道砂石環境相融合，并易構造壩身造型。1#壩采用曲線造型，壩型似片片魚鱗，壩上幽靜的水面粼粼，壩下為原始粗獷的跌瀑。2#壩采用多級跌水造型，與景觀設計中的濕地公園融為一體。為了使壩身結構更貼近真實，兩座壩的壩身外側面均鑲嵌河床石子。這些獨具特色的自然元素構思將寫實與寫意相融合，重現了崇陽溪鳶飛魚躍的動人情景，是自然、是生命，是原生態治理的延續和升華，同時也訴傾了水利景觀的內涵和真諦，是該項設計的重點所在。生態潛壩工程實景見圖1 所示。

表2 新建生態潛壩平面特性表

圖1 生態潛壩工程之實景

3.2 生態潛壩設計

生態潛壩在順水流向由上而下分別布置上游海漫、壩身、消力池和下游海漫，海漫末端設防沖槽。生態潛壩設計以2#潛壩為例。

3.2.1 壩體

壩身上部采用砌石結構，擋水高度為2.0 m ，下部設鋼筋混凝土底板。底板厚取0.8 m，上下游底部設0.5 m 深齒坎抗滑，下游端部設0.5 m 高消能坎，壩身砌石和鋼筋混凝土底板之間設石筍固結。壩身根據安全穩定、防滲及造型需要進行布置，長度25 m，并利用壩身下游段兼作消力池。

2#壩基礎坐落于卵石層，屬于中等透水層，下臥基巖層埋深約1～2 m。2# 壩壩基推薦采用組合防滲方案，垂直截滲采用素混凝土截滲墻，水平鋪蓋采用防滲土工膜。

3.2.2 沖砂閘

為減輕壩前淤積，沿壩軸線1/4 及3/4 長度位置處，在壩身設置2 孔沖砂閘，單孔尺寸1 m×1 m（寬×高），采用鑄鐵直升門，配備手動螺桿啟閉機。

3.2.3 上游海漫段

上游海漫段由干砌塊石段和灌砌塊石段組成，分別長15 m 和5 m。干砌塊石段采用400 厚干砌塊石，下設100 厚碎石墊層及防滲土工膜。灌砌塊石段采用400 厚灌砌塊石，下設100 厚碎石墊層及防滲土工膜。

3.2.4 下游海漫段

下游海漫段采用灌砌塊石結構，2# 壩為多級跌水，海漫長度取20 m。采用400 厚灌砌塊石，下設100 厚碎石墊層及無紡土工布。海漫末端設5 m長的拋石防沖槽，槽深按構造考慮，取為1 m。

3.2.5 漂流槽

漂流槽靠岸設置，利用潛壩岸墻兼作漂流槽的臨土側擋墻，另一側采用L 型鋼筋混凝土擋墻與岸墻底板連接，底板上部依次設置埋石混凝土基礎及鋼筋混凝土漂流槽底板，形成封閉的U 型槽結構，為確保安全，兩側墻身高出槽底板頂面1 m。經調查，當地漂流所用竹筏長約9 m，寬約2 m，常規吃水深度約0.1～0.2 m。考慮槽身兩側富余寬度及吃水富余深度，槽身凈寬取3 m，漂流槽起始端底板面高程較壩頂低0.5 m。根據類似工程經驗，為確保漂流竹筏的安全，槽身縱向坡比為1∶50，按照上下游水位差1 m 左右考慮，槽身長度取50 m。

生態潛壩順水流向斷面見圖2 所示。

4 施工注意事項

4.1 施工導流

該項工程因河道較寬，過水流量較大，采用分期導流，在河道中心側修建縱向圍堰，在上、下游側修建橫向圍堰，形成干地施工條件。一期工程先施工右岸側潛壩，利用左側束窄的河道進行導流。二期時，拆除一期圍堰，利用已建潛壩壩頂過流，在河道左側填筑二期圍堰，形成干地施工條件[5]。

4.2 圍堰設計

潛壩工程圍堰高程為非汛期5 a 一遇洪水標準水位+0.5 m 安全超高。圍堰頂寬3 m，迎水面邊坡1∶1.5，用兩層編織袋裝碎石護面，下設380 g/m2防滲土工膜一層；背水坡為1∶1.5 兩層袋裝土填壓，下設400 g/m2反濾土工布一層，中間填筑砂石料，兩坡腳設置尼龍網石籠進行鎮腳。圍堰采用帷幕灌漿，截滲帷幕灌漿范圍為堰頂至強風化基巖與中風化基巖交界位置，有效寬度不小于0.6 m。在圍堰坡腳一定范圍設置排水溝和集水坑，及時進行抽排水，保證基坑內干地施工條件。圖3 為潛壩圍堰斷面圖。

圖3 潛壩圍堰斷面圖（單位：mm）

4.3 基坑排水及泥漿控制

基坑排水分初期排水和經常性排水。初期排水主要包括基坑積水、圍堰及地基滲水。初期排水時，對基坑水位下降速度應加以控制，以每晝夜不超1.0m 為宜，以免影響圍堰邊坡穩定。經常性排水主要包括：圍堰及地基滲水、降水及施工棄水等。圍堰滲水主要考慮圍堰基礎滲水。基坑排水設備主要按滿足經常性排水要求進行配置。對于基坑開挖深度較淺的部位，采用排水溝排水；對于開挖深度較深的部位，采用排水溝與深井排水相結合排水，以保證開挖邊坡的穩定。生態潛壩施工過程會因基坑排水及壩體填筑產生懸浮物影響崇陽溪水質。對此，潛壩施工期的環保措施，宜設置沉淀池、圍擋，控制濁水擴散。

5 結 論

該項工程采用的砌石壩能夠與山區河道砂石環境相融合，并易構造壩身造型，兼顧寫實、寫意，具有投資低、結構穩定、施工期短、運維方便、造型多變、視覺效果好等特點，同時對汛期河道的行洪影響較小，兼顧了河道行洪與生態景觀功能。

圖2 生態潛壩順水流向斷面圖

修筑梯級生態潛壩，擴大溪水面，增強河道靈氣，并與陸域景觀建設相互映襯，給人與自然提供了一處合寫的河岸空間。同時，造成曝氣效果，有利于水質凈化，并豐富河流生態環境，增強生物多樣性，建立完整的水生態系統，使得此結構形式在今后“水美城市”工程中有著較為廣泛的應用前景。