生態(tài)水利工程河道柵格結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計及實踐應(yīng)用

姜延宏

（甘肅省武威市涼州區(qū)雜木河水利管理處，甘肅 武威 733000）

柵格結(jié)構(gòu)是一種網(wǎng)格狀的護(hù)岸，柵格內(nèi)可填充砂石，種植植物；底部有孔，可以與坡底土壤相連，形成一個“水下- 岸坡- 水上”的共生系統(tǒng)，對提高河道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有積極幫助。近年來，柵格結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于河道治理中，現(xiàn)結(jié)合某護(hù)城河的改造實例，對生態(tài)河道柵格結(jié)構(gòu)的規(guī)劃要點和應(yīng)用實踐展開分析。

1 工程實例

某地護(hù)城河修建于1994 年，長度13.07 km，橫斷面呈梯形，河底寬度14.7～21.1 m，上口寬度29.4～46.2 m，深度5.0～14.4 m，見圖1。該護(hù)城河兼有蓄積雨水和排水泄洪功能。近年來，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快，該護(hù)城河的污染問題也變得愈發(fā)嚴(yán)重。從2011 年開始，該市投入大量資金、人力、設(shè)備實施護(hù)城河改造工程，在改善水質(zhì)、景觀營造等方面取得了顯著成效。但是在部分河段，還存在河道過分硬化、岸坡植被稀疏、親水平臺的親水性差等問題。基于此，本研究提出了一種基于生態(tài)水利工程理念的河道柵格結(jié)構(gòu)改造方案。

圖1 護(hù)城河實景

2 生態(tài)河道柵格結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計

2.1 護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計

對河道的護(hù)岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良設(shè)計，替換成綠濱墊型護(hù)岸，坡腳選擇固濱籠護(hù)砌。其中，綠濱墊的垂直防護(hù)高度為3.66 m，護(hù)岸迎水面邊坡的坡長為7.7 m，岸坡坡度1:2，在護(hù)岸的頂部使用0.6 m 寬的壓頂。充分利用護(hù)岸頂部空間，栽種垂柳、榆葉梅等樹木。樹間距統(tǒng)一設(shè)計為1.5 m，定期修剪樹枝使樹高控制在2.0～2.5 m。為提高護(hù)岸景觀效果，在綠濱墊塊石上平鋪厚度為30 cm 的生態(tài)袋。同時用石籠網(wǎng)兜住塊石與生態(tài)袋，起到固定效果。生態(tài)袋內(nèi)含有草籽，一段時間后長出草本植物，起到固土、綠化的效果[1]。綠濱墊的下方為一層厚度約30 cm 的砂礫墊層，該墊層以下是無紡?fù)凉げ迹恢毖由斓阶o(hù)腳。護(hù)岸回填部分要注意保證密實，可在分層填土?xí)r使用工具夯實。賓格石籠內(nèi)裝填塊石，對塊石的具體要求見表1。

表1 格賓石籠填充物的性能指標(biāo)

河道護(hù)岸使用“綠濱墊+固濱籠”相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)一步提高了河道護(hù)岸的防洪性能。

2.2 網(wǎng)箱擋土墻設(shè)計

擋土墻適用于岸坡坡度＞1:1.5 的河道，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，又可分為墻背擋土墻、坡面擋土墻、網(wǎng)箱擋土墻等若干種型式。在本次生態(tài)河道柵格結(jié)構(gòu)設(shè)計中選擇網(wǎng)箱擋土墻，并做如下設(shè)計：

網(wǎng)箱擋土墻的上、下側(cè)均需要設(shè)置扶壁，其中上游扶壁在距離護(hù)城河上游邊界3.0 m 處，下游扶壁在距離護(hù)城河下游5.5 m 處，伸入河岸部分不得低于4.0 m。根據(jù)往年護(hù)城河的水位變化規(guī)律，確定網(wǎng)箱擋土墻的基礎(chǔ)埋深，一般要求網(wǎng)線擋土墻的基礎(chǔ)部分埋設(shè)于最大沖刷深度以下。對于護(hù)城河的彎曲段，考慮到河水沖刷較為明顯，因此在設(shè)置網(wǎng)箱擋土墻時，還應(yīng)增加網(wǎng)墊護(hù)坦。網(wǎng)箱擋土墻必須同時具備較強(qiáng)的擋土能力和一定的透水效果。因此網(wǎng)線擋土墻的填料選型十分關(guān)鍵。可選擇粒徑在10～30 cm 的碎石，同時回填一層粒徑在2～3 cm 的細(xì)砂，形成濾層。網(wǎng)箱擋土墻的土壓力（K）可根據(jù)“數(shù)解法”求出：

式中：q 表示地表均勻荷載；γ 表示填土重量；H 表示擋土墻高度；α 表示墻背與水平面的夾角；β 表示填土表面與水平面之間的夾角。要求擋土墻能夠承受的土壓力必須大于擋土墻后土體的實際壓力，才能保證整體的穩(wěn)定性。

2.3 生態(tài)格網(wǎng)設(shè)計

生態(tài)格網(wǎng)由鋼絲、填石、濾層三部分組成，各組成成分的設(shè)計要求見表2。

表2 生態(tài)格網(wǎng)的材料組成及要求

在生態(tài)格網(wǎng)設(shè)計中，還應(yīng)注意以下技術(shù)要點：（1）科學(xué)選用生態(tài)格網(wǎng)的規(guī)格。該設(shè)計方案中使用到2 種規(guī)格的生態(tài)格網(wǎng)，一種是網(wǎng)孔60 mm×100 mm，鋼絲直徑2.5 mm～3.0 mm；另一種是網(wǎng)孔100 mm×150 mm，鋼絲直徑3.5 mm～4.0 mm。將鋼絲圍繞4 倍于直徑的芯軸纏繞5 圈后，用尖針刮擦鍍層，可避免生態(tài)格網(wǎng)開裂或脫落的情況[2]。（2） 對填石進(jìn)行篩選，要求生態(tài)格網(wǎng)中粒徑小于網(wǎng)目的石料不得超過10%。在放置填石時，應(yīng)按照“外大內(nèi)小”的原則，用砂礫填充石料的縫隙，保證外部裸露的石料擺放整齊、力求美觀。（3） 在垂直方向上，每隔40 cm 設(shè)置一道水平拉筋，按照由外向內(nèi)的方向張拉，使拉筋張緊，保證內(nèi)部的土石料穩(wěn)定，可有效避免河水沖刷導(dǎo)致土石料流失的問題。（4） 濾層所用的土工織物，優(yōu)先考慮耐沖磨、易滲透的無紡?fù)凉た椢铩?/p>

2.4 清淤河段設(shè)計

根據(jù)實地勘察結(jié)果，該護(hù)城河部分河段由于水流平緩，河底淤泥較多，主河槽的寬度不足原來的2 3 ，不利于洪水排泄，因此在河道改造中需要進(jìn)行清淤拓寬設(shè)計。清淤寬度100～280 m，在原始河道范圍之內(nèi)。清淤拓寬以后，可使河水流速有一定的增加，增強(qiáng)對河底泥沙的沖刷能力，形成良性循環(huán)。在河段清淤作業(yè)中，開挖出來的土方可作為砌筑護(hù)岸的材料，其他剩余的材料可集中清運(yùn)到附近的坑塘，用于保護(hù)岸灘。

3 生態(tài)河道部分景觀柵格結(jié)構(gòu)的設(shè)計改造

3.1 溢水堰結(jié)構(gòu)設(shè)計

該護(hù)城河現(xiàn)有的溢水堰屬于梯形型式，從測量數(shù)據(jù)來看，高水位與低水位之間的落差超過了2 m。在雨季雨水較多的情況下，水流會漫過溢水堰；在旱季雨水偏少的情況下，水流則經(jīng)過溢水堰底部的排水孔流出。這種型式不利于堰壩頂部植被的生長，無法發(fā)揮護(hù)城河的景觀效益。因此，在生態(tài)河道的景觀柵格結(jié)構(gòu)改造中，將梯形直立的溢水堰改造成為斜面柵格形式，并且在柵格中填充生態(tài)袋和砂石。生態(tài)袋內(nèi)為蘆葦?shù)人参锏姆N子。這樣當(dāng)雨季來臨，河流水漫過溢水堰的斜面后，可以為水生植物提供良好的生長環(huán)境，達(dá)到景觀綠化的效果；而進(jìn)入旱季后，斜面柵格本身有一定的蓄水能力，也能滿足水生植物的生長所需[3]。采用這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行溢水堰改造，可以兼顧生態(tài)效益和觀賞價值。河道溢水堰的斷面設(shè)計見圖2。

圖2 河道堰壩縱向斷面設(shè)計

3.2 親水平臺和堤岸結(jié)構(gòu)設(shè)計

從調(diào)查情況來看，該護(hù)城河現(xiàn)有的幾處親水平臺，都是采用直接臨水的設(shè)計，由于采用的是直立式的砌墻結(jié)構(gòu)，使人產(chǎn)生一種突兀感。基于生態(tài)河道的柵格改造，是將直立式的砌墻結(jié)構(gòu)改為斜面柵格結(jié)構(gòu)，并且保證斜面柵格均勻分布在人行道以外、近水面以上，利用斜面柵格結(jié)構(gòu)將河面、河道以及沿河步行道連接成為有機(jī)整體，改善河道生態(tài)。柵格空間內(nèi)可以填充生態(tài)袋或者普通的砂土，并且種植一些草本植物或灌木，起到綠化河岸、蓄水保土的效果。需要注意的是，親水平臺的柵格結(jié)構(gòu)并不是獨立的系統(tǒng)，而是要與岸邊深層土質(zhì)相互聯(lián)系。這樣一來，當(dāng)雨季河道水位上漲時，河流水就能通過柵格空間向深部土層滲透，起到補(bǔ)充地下水的效果；在進(jìn)入旱季以后，親水植物則可以從深層土壤中吸收水分維持自身的生長。采用這種斜面柵格式的親水平臺設(shè)計，可以進(jìn)一步增強(qiáng)親水平臺，改善了河岸景觀。親水平臺以下河道堤岸的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 親水平臺以下河道堤岸橫斷面設(shè)計

護(hù)城河的堤岸大部分區(qū)域采用了磚砌結(jié)構(gòu)，使得護(hù)坡隔水面顯著增加。雖然客觀上起到了疏導(dǎo)水流的作用，但是削弱了河道堤岸的景觀效益。因此，基于生態(tài)理念對河道堤岸進(jìn)行改造，應(yīng)兼顧生態(tài)效益和實用功能。在現(xiàn)有的堤岸坡面上進(jìn)行小孔徑孔隙柵格化處理，使用鉆機(jī)垂直于坡面鉆孔，孔徑為2 cm，孔深為1.0～1.2 m，孔間距為30 cm，排間距為50 cm，保證小孔均勻排列，提高美觀性[4]。然后向小孔內(nèi)填塞草籽，或者是種植花卉。通過合理布局，無論是在雨季高水位時，還是旱季低水位時，都能保證護(hù)城河堤岸上有可以欣賞的景觀，同時發(fā)揮了生態(tài)效益、觀賞價值和實用功能。

3.3 河道結(jié)構(gòu)設(shè)計

該護(hù)城河的河道統(tǒng)一采用矩形混凝土隔水凹槽式結(jié)構(gòu)，屬于典型的“三面光”結(jié)構(gòu)。由于混凝土本身有良好的防滲性能，因此使河道內(nèi)外環(huán)境相互獨立，河道可以看作是一個獨立的儲水系統(tǒng)。這種河道設(shè)計不僅導(dǎo)致河道底部容易出現(xiàn)淤積，而且不利于河流水生態(tài)的穩(wěn)定性，容易出現(xiàn)水質(zhì)變差問題。針對這一現(xiàn)象，基于生態(tài)河道理念對該護(hù)城河的河道進(jìn)行了改良設(shè)計。具體內(nèi)容如下：

首先是在河床的底部，靠近兩岸親水平臺的地方，修建了柵格結(jié)構(gòu)的箱狀構(gòu)筑物。在具體的布局上，以河道兩岸為中心，依次向外延伸，直到擋土墻處。這些構(gòu)筑物高低不同，呈錯落分布狀，并且分隔出若干深淺不同的箱狀空間。可以向這些空間中人工填筑一些砂石，并根據(jù)水位的高低種植不同的水生植物。在距離堤岸較近的淺水區(qū)，可種植一些挺水植物，如荷花、菖蒲等；而距離堤岸較遠(yuǎn)的深水區(qū)，則種植一些沉水植物，如黑藻、金魚藻等[5]。這些水生植物除了發(fā)揮美化河道經(jīng)過的作用外，還能為水生動物提供棲息地，對提高河道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有積極效果。經(jīng)過改造后的生態(tài)河道斷面見圖4。

圖4 河道平面設(shè)計

在硬質(zhì)河床的生態(tài)化改造中，使用柵格形式代替原來光滑的硬質(zhì)河床是一種理想的選擇。但是要想達(dá)到理想的改造效果，還應(yīng)根據(jù)河道內(nèi)水流的流速以及河水的水質(zhì)等，確定柵格規(guī)格的大小。這是因為河道柵格有一定的阻水效果，如果盲目增加?xùn)鸥竦囊?guī)格，可能會導(dǎo)致護(hù)城河的水流速度嚴(yán)重減緩，加重泥沙的沉積。如圖4 所示，該護(hù)城河的河道柵格結(jié)構(gòu)規(guī)劃中，將河道兩側(cè)柵格的規(guī)格控制在2 m 左右，可以取得較好的綜合效益。

4 結(jié)論

在生態(tài)河道治理中，推廣生態(tài)河道柵格結(jié)構(gòu)，可以在生態(tài)效益、觀賞價值、防洪效果等方面達(dá)到統(tǒng)籌兼顧。生態(tài)河道柵格作為一種硬性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，不僅起到了加固堤岸、保水固土的效果，而且還能在柵格內(nèi)種植植物、花卉甚至是樹木，發(fā)揮了景觀綠化的作用，對切實改善河道整體生態(tài)有積極幫助。在河道柵格結(jié)構(gòu)的規(guī)劃設(shè)計與實踐應(yīng)用中，應(yīng)做好河道沿線調(diào)查，掌握岸坡坡度、水位變化等基本信息，然后基于生態(tài)理念提出河道柵格結(jié)構(gòu)的改造方案。其中，河道堤岸改造、親水平臺改造、溢水堰改造等，都是生態(tài)河道柵格改造設(shè)計的重點內(nèi)容。只有進(jìn)行科學(xué)的改造設(shè)計，才能保證河道柵格結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用效果達(dá)到最優(yōu)。