混凝土生態框在河道改線工程中的方案比選與應用

金子嵩

（遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006）

1 前言

河道整治工程中護岸是最為常見的工程形式，長期以來，河道邊坡防護主要采用漿砌或干砌塊石護坡、現澆混凝土擋墻等硬質材料[1]，這類工程型式可以發揮出河道的行洪、排澇、安全性以及水土保持等功效[2]，卻不利于河流生態系統多樣性的發展，引起生態系統功能退化。近年來，全國開始倡導生態治河的理念，遼寧省內多采用格賓石籠的型式，格賓石籠雖然具有生態效果好的優點，然而也有很多局限性，譬如景觀效果較差，同時格賓石籠多為坡式，減小河道行洪面積，立式石籠穩定性難以保證。混凝土生態框作為一種新的護岸型式，具有生態效果好、景觀效果好，增大河道行洪面積等優勢，有廣闊的應用前景。本文以沈東四路跨小沙河處河道改線工程為例，對不同的護岸工程型式進行分析比選，并最終確定混凝土生態框的應用方案。

2 工程概況

小沙河為天然河道，遼寧省沈撫新區域內小沙河長度為19 km，河道平均比降1.22‰，非汛期日均流量約0.2 m3/s。針對沈撫新區規劃路網情況，在沈東四路跨越小沙河處擬對小沙河平面走向進行局部調整，調整后河道相對順直，水流流態更好，調整后沈東四路與四環路連接道路工程只跨越小沙河1 次，橋梁由3 座減少為1 座，可有效減少橋梁建設投資。綜合考慮河道過流能力需求及工程占地，確定設計河道頂寬為33 m。工程平面布置見圖1。

圖1 小沙河改線工程平面布置示意圖

3 方案比選

3.1 方案初選

本次小沙河河道改線工程設計河道均為重新疏挖的，河道兩岸需要布設防護工程。考慮到本段河道臨近規劃道路，加之沈撫新區為生態建設示范區，因此防護工程需要綜合考慮河道過流能力能力及生態景觀效果。擬定三種工程型式作為比選方案，分別為漿砌石擋墻（方案1）、固濱籠擋墻（方案2）、混凝土生態框（方案3）。

方案1：本方案河道斷面型式參考《沈撫新區水利專項規劃》中的成果，采用復式斷面，復式斷面底部為矩形，主槽兩側采用漿砌石擋墻防護，河道底寬22.5 m。從漿砌石墻頂直接以1∶2 向上放坡至現狀地面，保證河道頂寬為33 m 左右，下端向河道內布設2.5 倍沖刷深長的水平石籠，提升河道的抗沖性。斷面圖見圖2。

圖2 漿砌石擋墻型式設計橫斷面圖

方案2：本方案也采用復式斷面，復式斷面底部為矩形，主槽兩側采用固濱籠擋墻防護。從固濱籠墻頂直接以1:2 向上放坡至現狀地面，河道底寬15.3m。其余型式與漿砌石擋墻一致。斷面圖見圖3。

圖3 固濱籠擋墻型式設計橫斷面圖

方案3：本方案采用混凝土生態框擋墻，生態框內填充種植土。格室寬1 m，高0.5 m，間隔0.4 m 錯臺擺放，邊坡1∶0.46，生態框錯臺底部設置3.5 m 土工格柵。生態框底部采用毛石混凝土護腳。河道底寬20.9 m，從設計河底以下一直堆至現狀地面。斷面圖見圖4。

圖4 混凝土生態框型式設計橫斷面圖

3.2 過流能力驗算

河道治理工程設計型式需要滿足對應頻率洪水條件下的過流能力，因此需要對不同型式的設計斷面進行過流能力驗算，判斷是否滿足對應的防洪標準。

本次水力計算采用DHI 公司開發的MIKE 軟件建立一維水流分析模型。MIK11 水動力學模型的微分方程為一維明渠非恒定流方程，即圣維南(Saint-Venant)方程組[3]。根據《防洪標準》（GB 50201-2014），確定本工程的建設標準為20年一遇，因此采用20年一遇流量進行計算。

選取合適的起點水位，分別對以上3 種型式的設計斷面進行計算。經計算可知，在頂寬固定的前提下，方案1、方案3 對應的設計水位均在設計岸頂以下0.5 m 左右，滿足過流能力要求，方案2 由于邊坡較長導致過流面積較小，設計水位勉強平設計岸頂，局部甚至出現漫灘，不滿足過流能力要求。

3.3 方案比較

選一個典型斷面進行斷面設計，選取單位長度分別計算各個方案的工程量和相應投資；根據過流能力驗算結果；根據工程范圍內的地形、地質條件、河道水流形態、建筑材料料場、儲量及工程要求等，經綜合比較后確定防護型式。本護岸方案主要優缺點比較見表1。

表1 工程型式比較表

經過水力計算可知，方案1 和方案3 的河道斷面過流能力較好，能夠滿足20年一遇防洪標準，方案2 不滿足防洪標準，因此不作考慮，方案1 生態效果差、施工質量難以保證。考慮到沈撫新區是生態建設示范區，因此在兼顧防洪標準和生態效果的前提下，因方案3 生態景觀效果較好，本次確定采用方案3。

4 方案設計

混凝土生態框型式的主要特點在于生態景觀效果好，生態框內可以種草，提升河道兩岸的生態效果，也可以結合市政景觀建設要求，栽種小植株、花朵等。此外，生態框采用的混凝土結構耐腐蝕，荷載作用下不易變形，耐久性好，而且其裝配式結構的特點使其施工方法簡單靈活，可以從廠家購置、外運也可以就近預制。

護岸整體設計：生態框護岸底部高程取自設計河底高程，向上0.4 m 錯臺擺放。在滿足設計河道防洪標準，同時不浪費材料的前提下，經過設計河道過流能力計算，確定共擺放7 層，此時設計水位剛好位于設計岸頂以下0.1 m～0.2 m。繼續以1∶2邊坡向上，考慮到與生態框護岸的生態景觀相結合，生態框以上邊坡采用草皮護坡防護至設計岸頂。

生態框護岸細部設計：單個生態框尺寸為2 m×1 m×0.5 m（長×寬×高），豎向上下采用錯臺方式疊放，橫向相鄰生態框間采用防腐螺栓側向連接。單個生態框上部不封閉，前后立面及兩側均有孔洞，利于植被生長。生態框內部回填土料及撒草籽，生態框有孔洞部位內襯土工布。生態框錯臺底部設置3.5m 高韌性聚酯紗線集束格柵，以滿足邊坡穩定要求。草皮護岸設計：設計邊坡為1∶2，草皮護坡。生態框結構及縱向連接見圖5～圖7。

圖5 混凝土生態框護岸設計橫斷面圖

圖6 混凝土生態框結構圖

圖7 混凝土生態框縱向連接圖

護腳設計：直立式毛石混凝土護腳，護腳深度為設計沖刷深1.7 m，即護腳高度為1.7 m，下設0.1 m 厚素混凝土墊層。

5 結論

河道整治工程設計時要充分貫徹生態治河的思想，即在滿足河道行洪能力的前提下，恢復河道生態植被，營造良好的水環境，進而維護河道區域的生物多樣性[4]。本工程所采用的混凝土生態框型式，既能留出足夠的過流面積，保證河道過流能力滿足防洪標準，又能最大限度地打造親水性生態景觀型河道，符合現今流行的生態治河理念。

近年來遼寧省內河道護岸工程多采用格賓石籠型式，顯得千篇一律，本文也為致力于建設生態型河道的工程人員提供參考。