生態水利工程河道柵格結構規劃設計及實踐應用

姜延宏

（甘肅省武威市涼州區雜木河水利管理處，甘肅 武威 733000）

柵格結構是一種網格狀的護岸，柵格內可填充砂石，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，對提高河道生態系統的穩定性有積極幫助。近年來，柵格結構被廣泛應用于河道治理中，現結合某護城河的改造實例，對生態河道柵格結構的規劃要點和應用實踐展開分析。

1 工程實例

某地護城河修建于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。該護城河兼有蓄積雨水和排水泄洪功能。近年來，隨著城鎮化建設進程的加快，該護城河的污染問題也變得愈發嚴重。從2011 年開始，該市投入大量資金、人力、設備實施護城河改造工程，在改善水質、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水利工程理念的河道柵格結構改造方案。

圖1 護城河實景

2 生態河道柵格結構規劃設計

2.1 護岸結構設計

對河道的護岸結構進行改良設計，替換成綠濱墊型護岸，坡腳選擇固濱籠護砌。其中，綠濱墊的垂直防護高度為3.66 m，護岸迎水面邊坡的坡長為7.7 m，岸坡坡度1:2，在護岸的頂部使用0.6 m 寬的壓頂。充分利用護岸頂部空間，栽種垂柳、榆葉梅等樹木。樹間距統一設計為1.5 m，定期修剪樹枝使樹高控制在2.0～2.5 m。為提高護岸景觀效果，在綠濱墊塊石上平鋪厚度為30 cm 的生態袋。同時用石籠網兜住塊石與生態袋，起到固定效果。生態袋內含有草籽，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，該墊層以下是無紡土工布，一直延伸到護腳。護岸回填部分要注意保證密實，可在分層填土時使用工具夯實。賓格石籠內裝填塊石，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

河道護岸使用“綠濱墊+固濱籠”相結合的結構形式，進一步提高了河道護岸的防洪性能。

2.2 網箱擋土墻設計

擋土墻適用于岸坡坡度＞1:1.5 的河道，根據其結構的不同，又可分為墻背擋土墻、坡面擋土墻、網箱擋土墻等若干種型式。在本次生態河道柵格結構設計中選擇網箱擋土墻，并做如下設計：

網箱擋土墻的上、下側均需要設置扶壁，其中上游扶壁在距離護城河上游邊界3.0 m 處，下游扶壁在距離護城河下游5.5 m 處，伸入河岸部分不得低于4.0 m。根據往年護城河的水位變化規律，確定網箱擋土墻的基礎埋深，一般要求網線擋土墻的基礎部分埋設于最大沖刷深度以下。對于護城河的彎曲段，考慮到河水沖刷較為明顯，因此在設置網箱擋土墻時，還應增加網墊護坦。網箱擋土墻必須同時具備較強的擋土能力和一定的透水效果。因此網線擋土墻的填料選型十分關鍵。可選擇粒徑在10～30 cm 的碎石，同時回填一層粒徑在2～3 cm 的細砂，形成濾層。網箱擋土墻的土壓力（K）可根據“數解法”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，才能保證整體的穩定性。

2.3 生態格網設計

生態格網由鋼絲、填石、濾層三部分組成，各組成成分的設計要求見表2。

表2 生態格網的材料組成及要求

在生態格網設計中，還應注意以下技術要點：（1）科學選用生態格網的規格。該設計方案中使用到2 種規格的生態格網，一種是網孔60 mm×100 mm，鋼絲直徑2.5 mm～3.0 mm；另一種是網孔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，可避免生態格網開裂或脫落的情況[2]。（2） 對填石進行篩選，要求生態格網中粒徑小于網目的石料不得超過10%。在放置填石時，應按照“外大內小”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 設置一道水平拉筋，按照由外向內的方向張拉，使拉筋張緊，保證內部的土石料穩定，可有效避免河水沖刷導致土石料流失的問題。（4） 濾層所用的土工織物，優先考慮耐沖磨、易滲透的無紡土工織物。

2.4 清淤河段設計

根據實地勘察結果，該護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行清淤拓寬設計。清淤寬度100～280 m，在原始河道范圍之內。清淤拓寬以后，可使河水流速有一定的增加，增強對河底泥沙的沖刷能力，形成良性循環。在河段清淤作業中，開挖出來的土方可作為砌筑護岸的材料，其他剩余的材料可集中清運到附近的坑塘，用于保護岸灘。

3 生態河道部分景觀柵格結構的設計改造

3.1 溢水堰結構設計

該護城河現有的溢水堰屬于梯形型式，從測量數據來看，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，無法發揮護城河的景觀效益。因此，在生態河道的景觀柵格結構改造中，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袋和砂石。生態袋內為蘆葦等水生植物的種子。這樣當雨季來臨，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境，達到景觀綠化的效果；而進入旱季后，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]。采用這種結構進行溢水堰改造，可以兼顧生態效益和觀賞價值。河道溢水堰的斷面設計見圖2。

圖2 河道堰壩縱向斷面設計

3.2 親水平臺和堤岸結構設計

從調查情況來看，該護城河現有的幾處親水平臺，都是采用直接臨水的設計，由于采用的是直立式的砌墻結構，使人產生一種突兀感。基于生態河道的柵格改造，是將直立式的砌墻結構改為斜面柵格結構，并且保證斜面柵格均勻分布在人行道以外、近水面以上，利用斜面柵格結構將河面、河道以及沿河步行道連接成為有機整體，改善河道生態。柵格空間內可以填充生態袋或者普通的砂土，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，親水平臺的柵格結構并不是獨立的系統，而是要與岸邊深層土質相互聯系。這樣一來，當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，起到補充地下水的效果；在進入旱季以后，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計，可以進一步增強親水平臺，改善了河岸景觀。親水平臺以下河道堤岸的結構見圖3。

圖3 親水平臺以下河道堤岸橫斷面設計

護城河的堤岸大部分區域采用了磚砌結構，使得護坡隔水面顯著增加。雖然客觀上起到了疏導水流的作用，但是削弱了河道堤岸的景觀效益。因此，基于生態理念對河道堤岸進行改造，應兼顧生態效益和實用功能。在現有的堤岸坡面上進行小孔徑孔隙柵格化處理，使用鉆機垂直于坡面鉆孔，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，都能保證護城河堤岸上有可以欣賞的景觀，同時發揮了生態效益、觀賞價值和實用功能。

3.3 河道結構設計

該護城河的河道統一采用矩形混凝土隔水凹槽式結構，屬于典型的“三面光”結構。由于混凝土本身有良好的防滲性能，因此使河道內外環境相互獨立，河道可以看作是一個獨立的儲水系統。這種河道設計不僅導致河道底部容易出現淤積，而且不利于河流水生態的穩定性，容易出現水質變差問題。針對這一現象，基于生態河道理念對該護城河的河道進行了改良設計。具體內容如下：

首先是在河床的底部，靠近兩岸親水平臺的地方，修建了柵格結構的箱狀構筑物。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，可種植一些挺水植物，如荷花、菖蒲等；而距離堤岸較遠的深水區，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揮美化河道經過的作用外，還能為水生動物提供棲息地，對提高河道生態系統的穩定性有積極效果。經過改造后的生態河道斷面見圖4。

圖4 河道平面設計

在硬質河床的生態化改造中，使用柵格形式代替原來光滑的硬質河床是一種理想的選擇。但是要想達到理想的改造效果，還應根據河道內水流的流速以及河水的水質等，確定柵格規格的大小。這是因為河道柵格有一定的阻水效果，如果盲目增加柵格的規格，可能會導致護城河的水流速度嚴重減緩，加重泥沙的沉積。如圖4 所示，該護城河的河道柵格結構規劃中，將河道兩側柵格的規格控制在2 m 左右，可以取得較好的綜合效益。

4 結論

在生態河道治理中，推廣生態河道柵格結構，可以在生態效益、觀賞價值、防洪效果等方面達到統籌兼顧。生態河道柵格作為一種硬性網格結構，不僅起到了加固堤岸、保水固土的效果，而且還能在柵格內種植植物、花卉甚至是樹木，發揮了景觀綠化的作用，對切實改善河道整體生態有積極幫助。在河道柵格結構的規劃設計與實踐應用中，應做好河道沿線調查，掌握岸坡坡度、水位變化等基本信息，然后基于生態理念提出河道柵格結構的改造方案。其中，河道堤岸改造、親水平臺改造、溢水堰改造等，都是生態河道柵格改造設計的重點內容。只有進行科學的改造設計，才能保證河道柵格結構的實際應用效果達到最優。