城市生態堤防設計的必要性及其原則分析

張吉剛，李劍鋒，李孟洋

（河南省水利勘測設計研究有限公司，鄭州 450016）

1 引言

針對堤防結構風險開展有效規劃，融合生態設計思想，能夠積極展現生態堤防的作用，有助于發揮其環境保護功能。為此，研究生態堤防設計方法，構建城市生態屏障，具有較高的研究價值。

2 堤防生態性設計的重要價值

2.1 改善景觀

規則斜坡設計形成的堤防，對原有河域生態體系形成了嚴重破壞，加劇了生物棲息場所受損嚴重性。堤防設計的各項環節中，需盡可能地控制洪水帶來的河岸沖擊作用，維持斜坡處高度、坡度的平衡性。河域具有不規則特點，洪水侵蝕強度較高會使其生態環境遭到嚴重破壞，難以保持河道景觀的完好性。為此，加強堤防設計，融合生態思想，可有效抵御災害，保持河域觀賞性。

2.2 保持河域生態

堤防設計需綜合參考泄洪情況，如洪水速度，合理控制堤防項目支出。堤防施工時，需以原有河道為基礎，開展河道改建工作，融合生態思想，加強設計方案調整，可強化堤防功能，順應城市居民對堤防環保性的需求，極具實踐價值。

3 生態堤防設計的各項要求

3.1 安全性

堤防設計初期，設計人員需全面思考防洪抗災的要求。在方案中引入安全性思想，確保方案設計內容的可行性，積極構建堤防生態體系。因此，安全性是堤防方案設計的首要原則。

3.2 景觀性

生態學在堤防設計中的融合，顯著更新了堤防建筑方案。在堤防設計期間，積極融合自然因素，設計成員可借助環境勘測方式，保證工藝方案的生態性。針對蜿蜒曲折的河域項目，需進行大規模的河岸修建，會增加各項施工資源的消耗量，形成較嚴重的環境污染問題。為此，在前期規劃時，可融合環保思想，保護原有景觀，開展相應的生態設計，維持原有生態結構的生命力，成為堤防設計的關鍵要領。

3.3 異質性

堤防前期規劃中，需積極考量生態方案的可行性，如經濟性、護岸安全性、堤防邊緣情況等。設計各環節需積極融合生態思想，把握自然景觀的生態需求，關注各類生態的發展特點，營建優質的水域環境，維持水生植物的生長力，發揮生態堤防的防護功能[1]。

3.4 親水性

生態設計需綜合成本、生態、社會功能等。在城市區域為人們營建生態堤防，構建多樣性的水域休閑設施，打造成水域景觀，豐富區域項目的文娛性，補充區域項目功能，為人們修建兼顧植物生態、景觀欣賞、休閑娛樂的場所。

4 工程實例設計分析

4.1 工程概述

某工程內山脊高度值域為[1 550 m，1 750 m]，河域內地面高程為（1 345±15）m，部分區域表層含有黃土層，多數基巖處于裸露狀態。少數基巖露出的巖石類型為花崗巖。工程所在地域具有季風性特點，區域內雨量充足、草植豐富、植被生長狀態極佳。

4.2 總體設計思路

設計時綜合考量河域環境、休閑娛樂、景觀布設、城市規劃等需求，最終確定案例項目的堤防方案為植物+石籠結構，以此保障護坡質量，改善案例項目周邊的景觀設計質量。實踐中配合河道整治、河域周邊綠植種植等措施，營建優質的水域娛樂環境。

4.3 設計布置

堤防設計參照初期堤防規劃的各項規范，拆除早期建成的堤防項目，將其改造為生態堤防。河床面位置設計一組泄洪槽，便于快速排除洪水，排洪能力設計為21.7 m3/s；排洪槽設計在河道中心處，槽體結構為賓格石籠，排洪槽與堤防間隔區域設計成公園，種植水生植物，搭配園林小品，增設步行棧道。

4.4 泄洪槽設計

排洪槽設計方案見表1。

表1 排洪槽設計方案

表1 方案中，坡降i設計取值為0.005。各參數的計算方法：

將表1 中數據代入式（1）～式（3）確定排洪槽的設計方案：槽寬=水面寬度k=10 m，槽深大于河水深度h，取2 m。排洪槽結構方案為賓格石籠，結構底部使用C20 用料，施工成栽卵石樣式，結構參數與槽方案一致，即結構寬取10 m，深取2 m，結構設計如圖1 所示。

圖1 排洪槽結構設計示意圖（單位：cm）

4.5 生態護坡設計

4.5.1 堤距寬度

此次生態改造堤防初期設計的參照規范為GB 50286—2013《堤防工程設計規范》。在設計中，造床流量參數參看“2 年發生一次的洪水流量”。堤防間距具體指兩個護堤中位的間隔長度。堤距寬度設計需參考的因素：堤防安全性，保證排泄順暢；河相關系，盡量保持河型，減少外形改變量；控制耕地占用量，平衡工程量、堤防防洪能力，控制施工成本，綜合考量各河段的洪水運行特點。堤距寬度設計的最小值需大于造床流量條件時的河寬參數B。堤距寬度設計的最高值以河床外沿、一般岸寬數值為參考，綜合給出參數大小。在水流、河床長時間的水力作用下，形成了沖積河流，具有自由調整河床的能力。河床外觀、水域內泥沙、河床屬性各參數之間存在一定關系[2]。在計算基礎河寬參數B時，引入阿爾圖寧計算法：

式中，q為造床流量，m3/s；j為河床比降，取0.005；e為河相系數，取7.84；s取0.02 m2，最終獲得基礎河寬參數B值為36.46 m。案例項目初期堤防間距是（125±5）m，堤防間距明顯高于河寬參數，采取初期堤線方案進行新堤線布置，以此保障防洪效果。

4.5.2 護坡結構的生態性分析

依據案例項目的實際規劃情況，選用賓格石籠結構進行護坡設計，此種結構組成有網箱、石塊，表現出較強的撓性，優異的韌性可積極應對河床變形問題，表現出較強的透水能力，可保證邊坡長時間處于結構穩定狀態。結構具有優異的淤泥性，可增強自然植被的生長能力，使結構設計能與河岸周邊環境相融合，表現出較高的生態性。拼搭賓格石籠，能在短時間內高效完成施工，相比混凝土不會對環境形成較大污染。

4.5.3 堤防斷面設計

參照案例項目所在區域的堤防工藝，分別從生態、施工成本等方面思考設計方案的可行性。經方案對比選擇梯形結構進行堤防斷面設計。梯形斷面的用料選自工程區域內的河床砂礫石。護坡設計時選用植物+石籠的結構方案。邊坡設計方案為1∶1.5。邊坡厚度參數的平均值為0.3 m。在河床表層使用賓格石籠進行鋪設，鋪設厚度取0.3 m，石籠寬度取2.5 m。護坡結構生產時，采用雙面絞合鋼絲，配合底座結構、聚合蓋面，組裝成生態性極強的網墊體系，可進行綠植高效種植。護坡設計方案如圖2 所示。

圖2 護坡設計方案

4.6 生態景觀設計

景觀設計時主要進行花卉種植，間隔配置園林小品，鋪設可用的人行路線。景觀設計時以小廣場為主要場區，配合綠植設計，增加場區內的生態性。綠植主要包括灌木、喬木。大范圍使用草皮，重點位置種植花卉[3]。

園林小品設計：以景觀步行路為沿線，進行照明設計，間隔擺放休息長椅、踏石、垃圾回收設施等。

4.7 工藝要求

1）案例項目進行賓格石籠生產制作時，邀請相關專家給予工藝指導，確保石籠結構的生態性。結構中使用了U 形釘，保證石籠與坡面的連接穩固性。在坡頂位置設計出錨固位，用于底部連接。

2）使用鋼筋制作U 形釘，連接固定時將其布置成梅花形，固定釘間隔1 m。網面結構抗拉強度取24 kN/m。

3）石籠網面使用鋼絲，由機械設備生產獲得，網面性能應滿足YB/T4190—2018《工程用機編鋼絲網及組合體》。

4）填筑石料時，需檢查石塊質地性能，石料強度的檢查標準為MU30，石料比重的最小值為25 t/m3，石料規格值域為[70 mm，150 mm]。

5）測定堤防性能時，要求堤防結構水中穩定性強，具有優異的抗水解穩定性、抗風能力。

6）結構拼接不可使用薄片石料。石料填充不可使用泥巖。材料填筑形成的孔隙比需小于30%。

7）聚酯布的性能要求：抗斷強度最小值為10 kN/m，具體參看GB/T 17639—2008《土工合成材料長絲紡粘針刺非織造土工布》的各項規定。

8）結構底部連接使用的C 形釘，釘生產用料為鋼絲，材料直徑取值為3 m，在材料外層進行鍍鋅處理，鍍鋅層質量最小值為255 g/m2。鋼絲整體抗拉性能最小值為1 720 MPa，生產獲得的C 形釘拉力性能最小值為2.1 kN。

5 結語

綜上所述，堤防設計直接決定著國內水利項目的最終質量。為此，在設計中需遵循設計規范，結合工程實際要求，給出可行的設計方案，逐步增強堤防功能。