堤防生態建設在丹江老河坎下游段的應用

□何 康 □任澤垠 □張竟之

（1國務院南水北調辦公室稽察大隊；2南陽市水利建筑勘測設計院；3河南靈捷水利勘測設計研究有限公司）

1 生態護岸的功能

生態護岸作為一種新型的護岸型式，其功能主要體現在以下幾點：一是防洪效應：生態護岸作為一種更加高級的護岸形式，當洪水來臨時，洪水通過坡面植被大量地向堤中滲透儲存，便可以起到削弱洪峰、延滯徑流的作用；二是生態效應：生態護岸的修建，在發揮相應防洪效果的同時，可以把水、河道、堤防、河畔植被等連成一體，構成一個完整的河流生態系統；三是景觀效應：生態大堤能夠形成樹木與水生植物交相輝映的綠色長廊，使得昔日的碧水漪漪、青草漣漣的動態美得以重現；四是自凈效應：生態護岸系統中種植有大量的水生植物，能從水中吸收無機鹽類營養物質，其龐大的根系還是大量微生物吸附的良好介質，從而起到水質凈化的作用。

丹江流經荊紫關鎮老河坎下游河段，由于河槽滾動無常，河道沖淤不定，加之丹江屬于山區性河流，年際和年內流量變幅大，洪水暴漲暴落，水位變幅達5.00m深，導致該河段歷史上曾多次出現洪澇災害，嚴重威脅著兩岸人民生命財產的安全，影響社會穩定，制約經濟社會可持續協調發展，受到各級黨和政府的高度重視。為充分發揮防洪效益，長江水利委員會建議開展老河坎下游河段防洪治理工程，防洪治理工程內容主要為左岸長523m堤防工程。

2 工程概況

2.1 基本情況

丹江荊紫關鎮老河坎下游河段防洪治理工程位于丹江中游左岸豫鄂兩省水事糾紛河段下游處，該工程河段左岸為河南省淅川縣荊紫關鎮史村，右岸為荊紫關鎮吳村。

丹江荊紫關鎮老河坎下游河段河谷開闊，水位變幅較大，每遇洪水經常發生洪澇災害，危及沿岸居民安全，毀壞農田。淅川縣荊紫關鎮地處山區，山多地少，土地資源極為寶貴，加之當地經濟落后，群眾收入較低，為了保護耕地，當地群眾在老河坎下游沿岸修建了一些沙堤來抵御洪水襲擊。修建的沙堤防洪標準低，工程質量差，遇上稍大一點的洪水便被沖毀。2005年8月，老河坎下游約650m長的沙堤被洪水沖毀，吞噬沿岸農田近20hm2。

2.2 洪峰流量

通過對歷史洪水和實測洪峰資料的分析，根據《水利水電工程設計洪水計算規范》和洪水資料，通過洪水頻率復核計算，原荊紫關水文站20a一遇設計洪水流量為4640m3/s，和1987年洪水流量4860m3/s接近。將收集到的35a來實測年最大洪峰流量資料，按變量大小遞減排列，并計算各變量的經驗頻率，點繪在頻率格紙上，計算水文系列的統計參數Q、CV。

采用皮爾遜Ⅲ型曲線法，經過分析論證，選出一條與經驗點據配合最好的曲線，作為計算結果見表1，從該曲線讀出對應設計頻率設計洪峰特征。

表1 荊紫關水文站洪峰流量頻率計算成果表

由于丹江老河坎段無實測洪水資料，無法直接計算工程所在河段的洪水，但同一流域丹江上設有荊紫關水文站，和本工程的位置十分接近。因此，可通過荊紫關水文站洪水資料按面積比法間接推求本工程的設計洪峰流量。鑒于水文站與本工程同處一鎮，兩者的距離十分接近，且區間沒有支流匯入，兩者的計算洪水差異很小。因此，直接采用荊紫關水文站的洪水計算成果，即老河坎下游段工程位置處20a一遇設計洪水洪峰流量為4350m3/s。

2.3 工程地質

丹江荊紫關鎮老河坎下游河段防洪工程堤防坐落在寬闊的河灘地上。1995年9月，長江水利委員會漢江水文水資源勘測局在丹江左岸老河坎上游約1800m處進行了淺層坑探，從地面至地面以下2m皆為細砂，地面以下2～2.05m為粗砂，2.05～2.15m又為細砂，2.15～2.25m為卵石類砂層，河床組成主要為卵石夾砂。

3 堤防生態建設措施

3.1 修復河道形態

大江大河在枯水期水量較小甚至長期斷流，而在汛期則水量激增甚至造成河流改道。經過長期的河道演變及變遷，從而形成了現在深淺交錯、流向多變的河道形態。但是，正是這種彎曲多變的河流系統，卻具有高效的生態效益，如減少水土流失、擴大生態環境面積、增加生態多樣性等。

3.2 修復河床斷面

傳統的河道治理工程造成了河道景觀遭到破壞，河流中生物賴以生存的自然環境也隨之消失，水環境逐漸惡化。修復河床斷面，主要是改造河流中被硬化覆蓋了的河床，恢復河床的多孔質化、多樣性，同時建設生態型河堤，為水生動植物重建生長及棲息環境，這將使河流集防洪、生態功能于一體。

3.3 修復河岸生態系統

河岸在陸地和水系之間進行著營養物質及能量的轉換，兩者相輔相成，互為補充，且作為濕地的組成部分之一，河岸帶具備濕地幾乎所有的功能。因此，有必要在河流護岸工程設計時改變傳統的設計思路，引入生態護岸的理念。

4 本工程生態護岸設計

4.1 原傳統護岸設計

4.1.1 樁號0+000～0+225段

堤防斷面采用梯形斷面。臨水側和背水側均采用漿砌石擋土墻，墻頂寬均為0.40m，水泥砂漿標號為M5，臨水側及背水側擋土墻臨水面坡比均為1:0.20，背水面為鉛直面。臨水側和背水側漿砌石擋土墻之間回填砂卵石，砂卵石干密度≥19.40kN/m3。堤防頂采用0.20m厚的細石混凝土砌卵石封頂，堤頂寬為4.00m。

4.1.2 樁號0+225～0+235段

該段為過渡段，對兩段不同斷面形式的護坡，采用漿砌石扭曲面平順連接，連接段厚0.80m，長10.00m。

4.1.3 樁號0+235～0+523段

對原砂堤進行加寬培厚，并在迎水側和背水側均采用漿砌石護坡，迎水側及背水側漿砌石護坡厚度均為0.30m，護坡坡比均為1:1.73，坡腳設漿砌石擋墻。堤防頂采用0.20m厚的細石混凝土砌卵石封頂，堤頂寬為4.00m。

4.1.4 穩定計算

樁號0+000～0+225段堤防結構形式為重力式擋土墻，其建筑物等級為4級，根據地質條件，堤防基礎均為砂基，擋土墻底部與砂基的摩擦系數取0.30，地基允許承載力為180kN/m2，最小抗滑穩定安全系數［Kc］=1.20，允許最大地基應力不均勻系數為2，最小抗傾覆安全系數［K0］=1.40，填土濕容重19kN/m3，漿砌石容重22kN/m3。

計算條件：根據實際情況計算兩種工況:1、外江水位為20a一遇洪水，堤內無水；2、施工完建期。計算結果見表2。

表2 堤防穩定計算成果表

從上表可以看出，擋土墻的抗滑穩定安全系數>1.20，抗傾覆安全系數>1.40，地基應力小于地基承載能力,地基應力不均勻系數小于允許不均勻系數，滿足要求。

樁號0+230～0+523段堤防結構形式為貼坡式護堤段，該段堤防填筑為砂礫石，設定邊坡1:1.73，根據《堤防工程設計規范》（GB50286—2013），堤坡穩定計算按瑞典圓弧滑動法計算。經計算，堤坡施工期水位降落抗滑穩定安全系數為1.25，堤坡穩定期抗滑穩定安全系數為1.33，滿足規范規定要求。

4.1.5 傳統護岸的預算投資如下

一是主要工程量：土砂方開挖5185m3，土砂方回填5336m3，砌體3855m3，混凝土161m3。二是主要材料用量：水泥398.60t，碎石475.19m3，砂1587.48m3，塊石3885.84m3，柴油2.22t，總工時54382個。三是工程預算總投資為110.32萬元。其中，建筑工程86.63萬元，臨時工程2.00萬元，其他費用21.69萬元。

4.2 格賓擋墻設計

格賓是將低碳鋼絲經機器編制而成的雙絞合六邊形金屬網格組合的工程構件，在構件中填石構成主要用于支擋防護的結構。格賓重力式擋墻的基本穩定原理與漿砌石重力擋墻和混凝土重力擋墻相同，均是通過墻體自身重量來維持擋墻在土壓力下的穩定。格賓重力式擋墻的外形通常有外臺階、內臺階、寶塔式三種。

在樁號0+000～0+230堤防段采用鍍高爾凡格賓生態擋墻，面墻退臺0.50m。根據墻前沖刷防護形式的不同，護腳采用增加格賓擋墻埋深防止墻趾沖刷。格賓擋墻+增加擋墻埋深防沖，擋墻底部埋深應在最大沖刷深度以下≥0.50m處。

4.3 雷諾護墊設計

當雷諾護墊防護體系的抗沖能力大于實際的沖刷時，該防護體系就可以認為是成功的。而雷諾護墊的抗沖能力主要由兩方面因素所提供：雷諾護墊內部填石自身的抗沖能力，以及鋼絲網箱所能提供的限制石料位移的能力。然而在實際工程設計中，通常不會將這兩方面因素分開考慮，而是采用將整個雷諾護墊防護體系視做一個整體進行考慮。

根據防沖刷穩定分析的兩種思路（允許剪應力法和允許流速法），通過詳盡的雷諾護墊的抗沖刷模型和原型試驗，可以得出其允許流速，見表3。

表3 雷諾護墊系列防護與流速關系表

在樁號0+230～0+523堤防段采用鍍高爾凡雷諾護墊生態護坡防護，厚度為30cm（雙隔板），邊坡坡比1：1.73，根據坡腳沖刷防護形式的不同，采用延長雷諾護墊護腳。雷諾護墊護坡+延長雷諾護墊護腳，延長長度為最大沖刷深度的1.50～2倍。

5 預算投資比較

一是主要工程量為：土砂方開挖3630m3，土砂方回填3575m3，格賓1955m3，雙隔板雷諾護墊2784m2。二是主要材料用量：石料（鵝卵石或塊石）2790m3，土工布（250g/m2）4739m2，柴油1.08 t，總工時19034個。三是工程預算總投資為88.41萬元。其中，建筑工程69.39萬元，臨時工程1.70萬元，其他費用17.32萬元。

采用傳統的漿砌石護岸，總投資為110.32萬元，而采用生態格賓和雷諾護墊護岸，總投資88.41萬元。經比較，采用混合型生態護岸，可節省投資21.91萬元。

6 結論

傳統的堤防建設大多采用硬質護岸，從而破壞了河流自身生態系統的多樣性。研究探索在保證河道防洪安全的同時又能改善河道周圍生態環境的堤防建設新技術，并深入了解人水和諧的生態理念。在今后的河流整治中，不僅僅要考慮其安全性還要注重生態景觀建設，不僅僅要滿足人們物質的需求更要滿足精神上的需求，修復更多的生態河流是全社會的共同目標。這對提高堤防抗御洪水能力，構建人水和諧的社會環境，有著重要的理論意義和實際應用價值。