河道整治工程護坡型式綜合比選模型構(gòu)建及分析研究

余 旭

(江蘇昌源水利工程咨詢有限公司,江蘇 靖江 214500)

0 引 言

隨著社會的發(fā)展進步,河流生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)越來越受到重視。傳統(tǒng)的河道治理工程措施,多采用混凝土、水泥和石料等硬質(zhì)材料進行護坡,使河岸邊坡穩(wěn)定得到明顯改善,對洪水、排澇、土壤侵蝕的控制作用較為顯著[1-2]。但大面積的剛性護砌面阻礙了水體與土壤之間的物質(zhì)交換,對河流生態(tài)系統(tǒng)造成破壞,還不具備凈化水質(zhì)的功能。而且,河流中的水生生物喪失了所依賴的生境,導(dǎo)致河流的自凈能力減弱,水質(zhì)惡化嚴(yán)重。

而生態(tài)護坡兼具護坡功能,以及維護河道生態(tài)系統(tǒng)平衡的功能。其在保證河道邊坡穩(wěn)定性的前提下,通過植被重建,來提高河道的自我修復(fù)與凈化能力。如何達(dá)到河道生態(tài)護坡的目的,已經(jīng)成為國內(nèi)外河道治理工程中的一個重要方面[3-4]。新時代水利發(fā)展對水利工程建設(shè)提出了更高要求,不僅要考慮工程可靠性、經(jīng)濟合理性和技術(shù)可行性,還要考慮生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展要求。因此,在河流治理工程中,應(yīng)從設(shè)計階段開始,注意以生態(tài)學(xué)的觀念來維護河流的生態(tài)環(huán)境,維護河道的生態(tài)平衡[5]。

本次研究對河道的生態(tài)護坡類型及特點進行深入分析,在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建相應(yīng)的河道整治工程護坡型式綜合比選模型。研究旨在基于模型,比選出最具有效益的生態(tài)護坡型式,并為堤防工程中生態(tài)護坡技術(shù)的有效應(yīng)用提供有效的借鑒。

1 河道整治工程護坡型式綜合比選方法及模型構(gòu)建研究

1.1 研究區(qū)概況

構(gòu)峪河是渭河南山支流,河流出峪口后地勢平坦,綜合治理河道長5 135.49m,大體分兩段。第一段為構(gòu)峪河隴海鐵路橋至老西潼公路橋處,治理護岸總長2 525.37m,簡稱上游段;第二段為老西潼公路橋至構(gòu)峪河入二華排水干渠交匯口區(qū)間,治理河道長2 621.12m,簡稱下游段,為地上懸河。該治理工程主要是將治理河段堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高至20年一遇,堤防工程級別為4級。

該工程所面臨的主要地質(zhì)問題為堤基與岸坡的穩(wěn)定性、岸坡受到河水的沖刷,以及岸坡的滲流與變形等。沿江河岸坡地多為軟弱泥質(zhì)土區(qū)或疏松砂壤土區(qū),抗沖刷性能較差,必須進行防沖刷加固。特別是在水位變化區(qū)、河床彎道等處,應(yīng)采取相應(yīng)的護坡措施。根據(jù)該工程施工情況,可根據(jù)生態(tài)、景觀和可持續(xù)發(fā)展的原則,進行河道生態(tài)護坡的選擇。在護坡工程中,應(yīng)盡可能選用淺水區(qū)的護坡方式,使其能完全滿足防堤的沖刷和穩(wěn)定性要求,以確保堤壩沿岸的封閉性;堤基的埋設(shè)深度應(yīng)滿足堤基的應(yīng)力、抗沖刷和凍土的要求;建筑設(shè)計應(yīng)當(dāng)盡量達(dá)到外觀美觀、經(jīng)濟合理,以及方便施工等要求。

1.2 河道整治工程護坡型式綜合比選指標(biāo)體系設(shè)計

生態(tài)護坡是一種以生態(tài)保護為目的,將工程力學(xué)、生態(tài)學(xué)、植物學(xué)等學(xué)科知識與技術(shù)相結(jié)合,形成工程與植物相結(jié)合的復(fù)合護坡體系[6]。大型河道整治工程生態(tài)護坡綜合評價指標(biāo)體系包括幾個方面:首先需要滿足其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及抗沖刷能力的要求,這也是評價指標(biāo)選擇的依據(jù)。其次,還需考慮生物多樣性與生態(tài)功能等要素,以便形成完整的河流生態(tài)系統(tǒng)。然后需要在一定的時間尺度上,反映出坡面的效益。最后,由于評價設(shè)計較多的指標(biāo),因此需要對其進行量化處理。而對于無法量化的指標(biāo),則需要進行定性分析。所以,應(yīng)當(dāng)將定量與定性指標(biāo)相結(jié)合,使得結(jié)果更具合理性。基于以上原則,研究構(gòu)建的河道整治工程護坡型式綜合比選指標(biāo)體系見圖1。

圖1 河道整治工程護坡型式綜合比選指標(biāo)體系

由圖1可知,在大型河道治理工程中,對生態(tài)護坡類型的選擇標(biāo)準(zhǔn)從結(jié)構(gòu)特性、經(jīng)濟特性、施工特性和生態(tài)特性4個方面進行分析。結(jié)構(gòu)特性是指護岸能否達(dá)到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,包含護岸的防洪排澇能力,護岸的穩(wěn)定能力和抗沖刷能力[7]。經(jīng)濟特性是指護坡工程的建設(shè)成本,包含護坡工程的建設(shè)周期、護坡工程的后期維修成本和運行壽命。施工特性是指護坡本身從無到有的難易性,包括建設(shè)、養(yǎng)護等方面的困難程度。生態(tài)特性是指護坡對周邊生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的效果,包含親水與涵養(yǎng)、水文調(diào)蓄、水土保持效果等多項指標(biāo)[8]。

結(jié)構(gòu)特性又被分為4個評價指標(biāo),分別為防洪、排澇、穩(wěn)定性、抗沖刷性。其中,純植被型護坡僅能利用植物的力學(xué)作用和水文效應(yīng),對土體進行固結(jié),保持水土,阻止水土流失,進而改善坡面穩(wěn)定性。該類型護坡可采用極限法中的條分法進行計算,該理論可獲得土的抗剪強度計算表達(dá),公式如下:

τf=c+σtanφ

(1)

式中:c為滑動面上的法向應(yīng)力;σ為土的黏聚力;φ為土的內(nèi)摩擦角。

研究采用瑞典條分法對土體穩(wěn)定安全系數(shù)進行計算,土坡沿某滑裂面滑動的安全系數(shù)公式如下[9]:

式中:W為土條的自重;αi為土條與法線之間的夾角。

通過對邊坡滲流場的計算,得到邊坡滲流場的分布規(guī)律,為邊坡失穩(wěn)分析奠定了基礎(chǔ)。其次是確定出逸剖面的滲透坡度,判斷出逸剖面有無滲透破壞。在進行滲流計算時,必須考慮滲流的穩(wěn)定性,其計算公式如下[10]:

式中:k為滲透系數(shù);T為滲流線達(dá)到背水層坡腳處的時間;n、n0分別為孔隙率和有效孔隙率;Sw為飽和度;H為最大降距。

采用主動土壓力法進行擋土墻穩(wěn)定性分析,將推動建筑物或結(jié)構(gòu)運動的土質(zhì)作用力轉(zhuǎn)化為主動土壓力[11]。而工程生態(tài)綜合型護坡既有純粹的植被類型,又有植物與工程類型相結(jié)合的優(yōu)勢。因此,其穩(wěn)定性系數(shù)可以由計算得到,然后對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進行全面分析。護坡材料的耐久性是其抗沖刷性的重要指標(biāo);抗壓強度和抗凍性則是其抗侵蝕性能的重要指標(biāo)。可根據(jù)有關(guān)規(guī)定,采用實驗室試驗的方式,測定混凝土的抗壓強度及抗凍性。

1.3 河道整治工程生態(tài)護坡型式綜合比選評價模型構(gòu)建

在河道治理工程中,運用生態(tài)護坡技術(shù),可以在確保河岸坡度安全和穩(wěn)定的前提下,對河岸坡度進行生態(tài)修復(fù),增強水體的自凈能力,同時還可以改善河岸的水景觀。圖2為河道生態(tài)護坡型式的主要類型及其特點。

圖2 河道生態(tài)護坡型式主要類型及特點

由圖2可知,河道生態(tài)護坡型式主要包括純植被型護坡、植被結(jié)合工程型護坡、工程生態(tài)綜合型護坡。純植被類型護坡利用植物來維持河岸的天然特征[12],該類型護坡一般用于坡面比較平緩、內(nèi)陸面積比較大的河段。植被結(jié)合工程型護坡除了種植植物外,更多的是采用自然物質(zhì)來加固斜坡及底面,如在斜坡上安放漿砌塊等。這種形式的護坡一般用于陡峭的岸坡,或者要求具有較大抗沖能力的河段。工程生態(tài)綜合型護坡是以植物與工程型護坡相結(jié)合,并使用預(yù)制混凝土塊或鋼筋混凝土等材料,以保證其抵御洪水的穩(wěn)定性。這種方法通常適用于對洪水有較高的要求,或?qū)恿鞯刭|(zhì)條件比較復(fù)雜的地區(qū)。

根據(jù)河道整治工程護坡型式綜合比選指標(biāo)體系,對護坡型式綜合比選指標(biāo)進行定量與定性評價。首先對于穩(wěn)定性指標(biāo),用K表示穩(wěn)定系數(shù):K<1,代表結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定;K=1～1.4,代表穩(wěn)定性較差;K=1.4～16,代表穩(wěn)定性一般;K=1.6～1.8,代表穩(wěn)定性較好,K>1.8,代表穩(wěn)定性極好。對于抗沖刷性,用基于沖刷面積百分比進行判斷:45%代表抗沖刷性極差;35%～45%代表較差;25%～35%代表中等;15%～25%代表較好;小于15%代表極好。建設(shè)費及后期維護成本指標(biāo)量化的評判依據(jù)是項目成本,或者每件產(chǎn)品的單價和維護所引起的成本進行評價。

用k表示透水率(cm/s):k<10-7,代表透水率極差;10-7≤k<10-5,代表較差;10-5≤k<10-3,代表中等;10-3≤k<10-1,代表較好;k≥10-1,代表極好。水質(zhì)凈化指標(biāo)反映了坡面的凈化效果,不同類型和材質(zhì)的坡面凈化效果差異較大。常用的方法是將污染物的凈化效果量化,通過對污染物的脫除率進行定量分析。植被在坡面上所占的比例低于55%,即為蓋度較差;在55%～65%屬于劣質(zhì);65%～75%為中度;75%～85%為最佳;覆蓋率為85%～100%,說明覆蓋率較好。當(dāng)植物外觀開始變黃或變綠時,開始計算。對于需要定性評價的指標(biāo),則用2～10的等級打分來表示指標(biāo)的性能。

研究將綜合評判指標(biāo)與灰色關(guān)聯(lián)度方法相結(jié)合,對生態(tài)護坡體系進行綜合評判,并采用層次分析法對權(quán)重進行賦值。圖3為河道整治工程生態(tài)護坡型式綜合比選評價模型。

圖3 河道整治工程生態(tài)護坡型式綜合比選模型

由圖3可知,該模型的流程為:建立綜合評價指標(biāo)體系以及構(gòu)造判斷矩陣;計算矩陣中相應(yīng)的特征向量;通過一致性檢驗,調(diào)整該判斷矩陣;經(jīng)過調(diào)整后,利用層次分析法計算指標(biāo)的權(quán)重;采用綜合評價指數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)度法,對生態(tài)護坡系統(tǒng)進行綜合評價,對指標(biāo)值進行歸一化處理;在得出各指標(biāo)的權(quán)重平均值后,與各指標(biāo)進行比較;最后通過對各評價指標(biāo)的權(quán)衡,對各護坡方案進行比較。

2 河道整治工程護坡型式綜合比選分析

研究選取預(yù)制聯(lián)鎖塊護坡等5種具體型式的生態(tài)護坡進行比選。其中,工程生態(tài)綜合型護坡選擇生態(tài)混凝土護坡參加比選。表1為5種護坡型式各項指標(biāo)計算結(jié)果。

表1 5種護坡型式的各項指標(biāo)計算結(jié)果

通過專家打分形式的模糊統(tǒng)計法,對定性指標(biāo)進行定量化研究。將10位專家的打分情況進行分類匯總,計算每種型式定性指標(biāo)的平均值,結(jié)果見圖4。

圖4 定性指標(biāo)專家打分結(jié)果

由圖4可知,在型式1中,防洪與排澇指標(biāo)的得分最高,均為8.57分;生物多樣性與可持續(xù)性得分均小于3分,分別為2.57、2.86分。整體上,型式1的各項定性指標(biāo)的綜合平均分值為5.617 5分。在型式2中,施工速度指標(biāo)的得分最高,為6.86分;施工對環(huán)境影響的得分均最低,為4.57分。整體上,型式2的各項定性指標(biāo)的綜合平均分值為4.592 5分。在型式3中,水土保持效益指標(biāo)的得分最高,為8.57分;施工對環(huán)境影響的得分均最低,為5.43分。整體上,型式3的各項定性指標(biāo)的綜合平均分值為7.262 5分。型式4中,生物多樣性指標(biāo)的得分最高,為8.00分;施工對環(huán)境影響的得分均最低,為4.00分。整體上,型式4的各項定性指標(biāo)的綜合平均分值為6.547 5分。在型式5中,施工材料的易得性指標(biāo)的得分最高,為8.29分;施工對環(huán)境影響的得分均最低,為4.86分。整體上,型式5的各項定性指標(biāo)的綜合平均分值為6.88分。綜上可知,型式3的綜合得分最高。

圖5為護坡型式比選評價系統(tǒng)的綜合評價指標(biāo)值。

圖5 護坡型式比選系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)值

由圖5(a)可知,護坡型式1的比選系統(tǒng)評分最高的指標(biāo)為穩(wěn)定性(A3),為10;該護坡比選系統(tǒng)的綜合評分為4.803。由圖5(b)可知,護坡型式2的比選系統(tǒng)評分最高的指標(biāo)為建設(shè)及后期維護費用(B1),為10;該護坡比選系統(tǒng)的綜合評分為6.610。由圖5(c)可知,護坡型式3的比選系統(tǒng)評分最高的指標(biāo)為穩(wěn)定性(A3)和透水性、涵水性(D1),為10;該護坡比選系統(tǒng)的綜合評分為7.123。由圖5(d)可知,護坡型式4的比選系統(tǒng)評分最高的指標(biāo)為水土保持效益(D3),為8.29;該護坡比選系統(tǒng)的綜合評分為6.363。由圖5(e)可知,護坡型式5的比選系統(tǒng)評分最高的指標(biāo)為透水性、涵水性(D1),為10;該護坡比選系統(tǒng)的綜合評分為6.65。綜上可知,護坡型式3的比選系統(tǒng)較好。

圖6為綜合評價指數(shù)法評價結(jié)果分析。

由圖6可知,護坡型式1的結(jié)構(gòu)特性準(zhǔn)則評價指數(shù)最高,為3.780;施工特性準(zhǔn)則評價指數(shù)最低,為0.372;該類型護坡的評價準(zhǔn)則平均指數(shù)為1.391。護坡型式2的結(jié)構(gòu)特性準(zhǔn)則評價指數(shù)最高,為2.852;施工特性準(zhǔn)則評價指數(shù)最低,為0.372;該類型護坡的評價準(zhǔn)則平均指數(shù)為1.642。護坡型式3的結(jié)構(gòu)特性準(zhǔn)則評價指數(shù)最高,為3.750;施工特性準(zhǔn)則評價指數(shù)最低,為0.374;該類型護坡的評價準(zhǔn)則平均指數(shù)為1.928。護坡型式4的結(jié)構(gòu)特性準(zhǔn)則評價指數(shù)最高,為3.085;施工特性準(zhǔn)則評價指數(shù)最低,為0.346;該類型護坡的評價準(zhǔn)則平均指數(shù)為1.654。護坡型式5的結(jié)構(gòu)特性準(zhǔn)則評價指數(shù)最高,為3.388;施工特性準(zhǔn)則評價指數(shù)最低,為0.462;該類型護坡的評價準(zhǔn)則平均指數(shù)為1.738。

綜上可知,在經(jīng)濟特性與施工特性方面,護坡型式3的指數(shù)相較于其他4種護坡均要高。因此,該工程的最優(yōu)方案為護坡型式3,即生態(tài)混凝土護坡。

3 結(jié) 論

本文通過對生態(tài)護坡的分類,建立了河道整治工程護坡型式綜合比選模型,利用AHP法確定權(quán)重,采用兩種評價方法相結(jié)合的方法,對該綜合比選模型進行了評價分析。并以構(gòu)峪河河道護坡建設(shè)工程為比選的對象,結(jié)果顯示,在型式3中,水土保持效益指標(biāo)的得分最高,為8.57分;各項定性指標(biāo)的綜合平均分值為7.262 5分。護坡型式3的比選系統(tǒng)評分最高的指標(biāo)為穩(wěn)定性(A3)和透水性、涵水性(D1),為10;該護坡比選系統(tǒng)的綜合評分為7.123。護坡型式3的結(jié)構(gòu)特性準(zhǔn)則評價指數(shù)最高,為3.750,該類型護坡的評價準(zhǔn)則平均指數(shù)為1.928。綜上可知,該工程的最優(yōu)方案為生態(tài)混凝土護坡。