烏沙河望城段河道治理工程生態防洪堤設計

劉仁德，吳 蓋，康宏志，張 煌，王志超

(1.中鐵水利水電規劃設計集團有限公司，江西 南昌 330029；2.江西省水利科學院，江西 南昌 330029)

河流是自然生態系統與經濟社會系統進行能量交換的重要媒介，是城市防洪排澇、生態文化、調蓄通航、游憩景觀等綜合效益的重要載體[1]。河道治理是補齊城市防洪排澇短板、恢復河道生態屬性和防洪減災的重要途徑。隨著南昌市昌北城區的建設發展，現狀烏沙河昌北城區河段基本處于人類活動影響下的荒蕪、雜亂狀態，防洪標準低、河面寬窄不均、橋涵阻水壅水等嚴重影響河道防洪、排澇、生態景觀等功能的正常發揮。因此，面對十八大后生態文明建設對河道治理的新要求以及南昌生態花園城市發展流域防洪、排澇新特點，在充分調研烏沙河昌北城區河段河道現狀的基礎上，遵循堤防、自排、提排、滯蓄等相結合的防洪原則，通過河道清淤、河堤岸線重塑、生態堤加固修復等改善水環境的治理思路，構筑集“防洪、生態治理和濱水景觀建設”等功能為一體的生態景觀河道[2]，促進昌北城區生態環境保護和區域經濟建設和諧共贏協調發展。

1 工程概況

烏沙河為贛江左岸的一級小支流，河長約40km，集雨面積263.3km2。烏沙河流域主流及支流中、下游河段均地處昌北城區。烏沙河昌北城區望城段綜合整治工程初步設計范圍為河道樁號15+450m～17+220m，長1.77km，其中：樁號15+450m～16+000m河道清淤，樁號16+000m～17+220m河道綜合整治。按50年一遇防洪標準設防，通過河道整治、新建防洪堤、生態修復、新建調蓄區自排閘等措施與現有防護工程有機鏈接構筑封閉的生態防洪體系，有效解決昌北城區的區域防洪洪澇和水生態環境問題。

2 烏沙河綜合治理解決方案

烏沙河(望城段)位于江西省南昌市北城區，烏沙河為贛江下游左岸的一條支流，河長約40km，集水面積263.3km2。烏沙河作為贛江的一條重要分支，屬平原地區典型的城市中小型河流，“人類-城市-河流”的關系極為密切?，F狀烏沙河主要存在行洪能力差、城市污染物直接入河、規劃河道工程化明顯、河道環境承載力降低、河岸穩定性差和河流社會服務能力差等問題。治理河段因其位置和功能上的特殊性，在規劃設計中需要從防洪功能、開發利用功能、生態功能、環境功能和服務功能等多方面進行綜合考慮。針對烏沙河河道空間占用明顯、行洪排澇不暢、人類干擾嚴重、水質污染嚴重、治理標準高等問題，提出重點考慮防洪排澇安全、外源污染控制、水生態修復、水景觀打造、水文化構建和生態修復長效機制的綜合治理技術[3- 4]?；凇白匀缓拥涝O計”理念，對原有自然的河道平面盡量予以保留，硬質化、規則化、直線化的河段進行改造，縱向上滿足生物和能量交流的需要，橫向上護坡護岸、河漫灘、消落帶進行有效的銜接。烏沙河綜合治理解決方案，如圖1所示。

圖1 烏沙河綜合治理解決方案

3 治理工程總體布置

烏沙河樁號15+450m～16+000m河段經過河道整治后，河道行洪條件與景觀等到極大的改善，但由于近期的城市快速路建設等原因，導致河道內淤積嚴重，影響河道行洪與水環境水景觀，急需進行清淤整治。烏沙河干流長堎聯圩樁號16+000m～17+550m段位于南昌市西部、基本處于天然彎曲狀態，隨著長堎新區和昌灣大道的規劃與建設，為縮短河道以及防洪堤線長度，使建設用地地塊完整，并減少因河道彎曲而帶來的河勢不穩定作用，對該河段進行改道和岸線整治。烏沙河現狀蜿蜒曲折、寬窄不一，在滿足行洪安全的前提下，盡最大可能維持河道現狀蜿蜒程度，并最大限度利用現有河灘地，營造河道斷面多樣、深淺不一、形狀各異的平面形態。基于近自然工法的河道平面形態設計，其總體布置如圖2所示。

圖2 近自然工法河道治理

(1)河道整治工程

整治河段位于烏沙河干流(樁號15+450m～17+220m段)，總長度1.77km。根據地形情況和工程特點，工程建設的主要任務是對河道進行整治。根據烏沙河河道整治的整體規劃，對該段河道整治布置如下：①樁號15+450m～16+000m段設計河床底高程17.88～18.16m；②樁號16+000m～17+220m段設計河床底高程18.16～18.93m，河道控制底寬為50m。

(2)防洪堤加固及生態修復

防洪堤堤頂超高結合區內建設用地高程以及景觀要求定為1.0m；堤頂寬度綜合考慮堤現狀構造、防汛及交通要求定為6.0m。并結合“自然河流”的形態及水流的自然規律，對原河道進行水生態修復設計[5- 6]。

(3)新建調蓄區自排閘及機耕橋

蔡家橋調蓄區自排閘位于烏沙河樁號12+025m左岸堤防處，為蔡家橋電排站三個調蓄區中的第2個調蓄區中的自排閘。自排閘為新建，單孔，孔口尺寸2.5m(寬)×1.8m(高)。閘設計洪水位為23.69m，閘內調蓄區采用蔡家橋電排站最高蓄澇水位為22.50m。閘底板高程為16.30m，閘門為鑄鐵閘門。為滿足禹港水的后期規劃要求以及烏沙河機耕路的通行要求，禹港水匯入烏沙河的匯合口處，在樁號17+220m的左岸修建1座機耕橋。

4 生態防洪堤設計計算

4.1 工程地質

工程區位于揚子準地臺、江南臺隆、九嶺～高臺山臺拱之次級鄱陽湖凹陷帶構造單元中。工程區地震動峰值加速度為0.05g，相應地震烈度為Ⅵ度。區內第四系地層分布廣泛，地下水類型主要為孔隙性潛水。環境水對混凝土具多種弱～中等腐蝕性；對鋼結構具弱腐蝕。防洪堤防位于贛江Ⅰ級沖積階地，地勢較低，岸坡的巖性為第四系全新統沖積含礫粘土、壤土、砂壤土、細砂及粗砂，各土層的抗沖刷能力均較差，特別是在樁號17+300m～17+400m及樁號16+100m附近一帶，由于岸坡處于河道的凹岸，受水流沖刷作用影響較大，岸坡極易被沖刷淘蝕，導致岸坡崩塌，影響堤防的穩定與安全，需對開挖河道整段岸坡進行防沖刷處理。

4.2 護岸型式選擇

烏沙河(望城段)治理工程為國家重點研發計劃重點專項“鄱陽湖五河及湖區生態水利綜合治理關鍵技術及示范”項目的示范點之一。根據烏沙河數模成果，景觀平臺以下采用聯鎖式生態混凝土護岸，由預制混凝土磚塊組成的鋪面系統，每塊聯鎖式磚與附近六塊磚聯鎖鉸接，整個鋪面為柔性體，耐沖刷能力較強和整體穩定性好，磚孔中可種植草本植被，美化環境，改善生態效果[7- 8]。聯鎖式生態混凝土護岸操作簡單，施工快捷，與其他生態護坡技術相比，工效更高，施工速度更快，單價約100元/m2。樁號16+050m、16+100m和16+750m三個生態島的附近平均流速較大，設計對這三個生態島的岸坡進行仿木樁護岸，仿木樁直徑0.3m，單根長3.0m。

4.3 護坡型式選擇

(1)蜂巢式網格植草護坡

在樁號16+000m～16+050m的右岸及樁號16+050m～16+250m的左岸景觀平臺以上采用蜂巢式網格植草護坡。蜂巢式網格植草護坡是一種新型土工合成材料，是以高分子聚合物片材，經超聲波焊接而成具有三維網狀立體結構的格室，如圖3所示。

圖3 蜂巢式網格植草護坡

(2)生態混凝土護坡

在樁號16+350m～16+650m的右岸以及樁號16+550m～16+800m的左岸景觀平臺以上采用生態混凝土護坡。生態混凝土是將連續粒級的粗骨料、細骨料和生態膠凝材料按一定配合比進行均勻拌合澆筑(必要時可不用細骨料)，自然養護后在混凝土表面呈米花糖狀并有大量連通、細·密孔隙的多孔質混凝土[9]，如圖4所示。

圖4 生態混凝土護坡

(3)生態袋護坡

在樁號16+900m～17+050m的右岸及樁號16+950m～17+150m的左岸景觀平臺以上采用生態袋護坡。生態袋具有抗老化、抗紫外線、無毒、不助燃、裂口不延伸和零污染等特點。生態袋裝土后尺寸為81.5×44×15mm(長×寬×厚)，如圖5所示。

圖5 生態袋護岸

4.4 截水凈化設計

截水凈化設計選取樁號16+000m～16+200m段右岸堤防與濕地島之間的水域，開展濱水帶岸坡雨污分離凈化關鍵技術的示范。通過在下游設置景觀式溢流壩，并結合左岸河道走勢，在濕地島遠離堤防處設置仿木樁擋土墻形成生態導墻，使濕地島和右岸堤防之間形成一塊相對封閉的水域，并延長上游雨污水在該流域停留的時間。通過在濕地島四周的功能性護坡材料、水生植物以及微生物的聯合作用去除水體中的污染物質，實現局部的雨污分離凈化。

4.5 梯田生態擋墻(格賓擋墻)設計

將抗腐耐磨高強的低碳鋼絲，經過表面鍍層和覆層處理，編織成六邊形網目，組裝成箱，并在其中填入石料形成的梯田生態擋墻護坡系統。在樁號16+650m的左岸休閑小廣場弧形連接段設計梯田生態擋墻，擋墻采用下部兩個0.5m×0.5m×0.5m鋼絲箱并和上部的1個0.5×0.5×0.5m鋼絲箱進行組裝，如圖6所示。

圖6 梯田生態擋墻

4.6 岸坡抗滑穩定分析

選取堤身粘土覆蓋層較薄、下部砂類土較厚的斷面，對樁號16+600m斷面采用剛體極限平衡法按均質土壩簡化分析[10]。堤壩填筑土料特性指標為：天然容重19kN/m3；飽和容重19.2kN/m3；粘聚力15.8kPa；內摩擦角Φ=10°。計算得生態防洪堤護岸邊坡整體穩定分析成果，如表1所示。

表1 生態防洪堤抗滑穩定分析成果

從表1可知，生態防洪堤抗滑穩定最小安全系數為kc=1.86，大于允許最小值[kc]=1.25的指標要求，防洪堤整體安全穩定。

5 結論

烏沙河(望城段)是南昌市烏沙河封閉防洪體系中尚未進行完全整治的河段，通過綜合治理工程實施提高河道防洪標準、確保沿河兩岸居民人身財產安全和生態修復至關重要。治理河段基本處于人類活動影響下的荒蕪、雜亂狀態，針對河道堤防防洪標準低、河面寬窄無序、橋涵阻水壅水、河道過流能力小等問題，通過河道整治、新建堤防、生態修復等措施，采用近自然工法生態防洪堤型與已建防洪堤有機銜接形成封閉防洪體系。在類似工程設計中，要充分考慮河道現狀，結合“自然河流”的形態以及水流的自然規律，優選工程適宜性強、上下游銜接好、水體水質改善與生態修復具有長效保持機制的生態防洪堤結構體型，增強河道防洪和排澇能力，實現城區自然環境、水生態和人文景觀的和諧發展。