乌沙河望城段河道治理工程生态防洪堤设计

刘仁德，吴 盖，康宏志，张 煌，王志超

(1.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌 330029；2.江西省水利科学院，江西 南昌 330029)

河流是自然生态系统与经济社会系统进行能量交换的重要媒介，是城市防洪排涝、生态文化、调蓄通航、游憩景观等综合效益的重要载体[1]。河道治理是补齐城市防洪排涝短板、恢复河道生态属性和防洪减灾的重要途径。随着南昌市昌北城区的建设发展，现状乌沙河昌北城区河段基本处于人类活动影响下的荒芜、杂乱状态，防洪标准低、河面宽窄不均、桥涵阻水壅水等严重影响河道防洪、排涝、生态景观等功能的正常发挥。因此，面对十八大后生态文明建设对河道治理的新要求以及南昌生态花园城市发展流域防洪、排涝新特点，在充分调研乌沙河昌北城区河段河道现状的基础上，遵循堤防、自排、提排、滞蓄等相结合的防洪原则，通过河道清淤、河堤岸线重塑、生态堤加固修复等改善水环境的治理思路，构筑集“防洪、生态治理和滨水景观建设”等功能为一体的生态景观河道[2]，促进昌北城区生态环境保护和区域经济建设和谐共赢协调发展。

1 工程概况

乌沙河为赣江左岸的一级小支流，河长约40km，集雨面积263.3km2。乌沙河流域主流及支流中、下游河段均地处昌北城区。乌沙河昌北城区望城段综合整治工程初步设计范围为河道桩号15+450m～17+220m，长1.77km，其中：桩号15+450m～16+000m河道清淤，桩号16+000m～17+220m河道综合整治。按50年一遇防洪标准设防，通过河道整治、新建防洪堤、生态修复、新建调蓄区自排闸等措施与现有防护工程有机链接构筑封闭的生态防洪体系，有效解决昌北城区的区域防洪洪涝和水生态环境问题。

2 乌沙河综合治理解决方案

乌沙河(望城段)位于江西省南昌市北城区，乌沙河为赣江下游左岸的一条支流，河长约40km，集水面积263.3km2。乌沙河作为赣江的一条重要分支，属平原地区典型的城市中小型河流，“人类-城市-河流”的关系极为密切。现状乌沙河主要存在行洪能力差、城市污染物直接入河、规划河道工程化明显、河道环境承载力降低、河岸稳定性差和河流社会服务能力差等问题。治理河段因其位置和功能上的特殊性，在规划设计中需要从防洪功能、开发利用功能、生态功能、环境功能和服务功能等多方面进行综合考虑。针对乌沙河河道空间占用明显、行洪排涝不畅、人类干扰严重、水质污染严重、治理标准高等问题，提出重点考虑防洪排涝安全、外源污染控制、水生态修复、水景观打造、水文化构建和生态修复长效机制的综合治理技术[3- 4]。基于“自然河道设计”理念，对原有自然的河道平面尽量予以保留，硬质化、规则化、直线化的河段进行改造，纵向上满足生物和能量交流的需要，横向上护坡护岸、河漫滩、消落带进行有效的衔接。乌沙河综合治理解决方案，如图1所示。

图1 乌沙河综合治理解决方案

3 治理工程总体布置

乌沙河桩号15+450m～16+000m河段经过河道整治后，河道行洪条件与景观等到极大的改善，但由于近期的城市快速路建设等原因，导致河道内淤积严重，影响河道行洪与水环境水景观，急需进行清淤整治。乌沙河干流长堎联圩桩号16+000m～17+550m段位于南昌市西部、基本处于天然弯曲状态，随着长堎新区和昌湾大道的规划与建设，为缩短河道以及防洪堤线长度，使建设用地地块完整，并减少因河道弯曲而带来的河势不稳定作用，对该河段进行改道和岸线整治。乌沙河现状蜿蜒曲折、宽窄不一，在满足行洪安全的前提下，尽最大可能维持河道现状蜿蜒程度，并最大限度利用现有河滩地，营造河道断面多样、深浅不一、形状各异的平面形态。基于近自然工法的河道平面形态设计，其总体布置如图2所示。

图2 近自然工法河道治理

(1)河道整治工程

整治河段位于乌沙河干流(桩号15+450m～17+220m段)，总长度1.77km。根据地形情况和工程特点，工程建设的主要任务是对河道进行整治。根据乌沙河河道整治的整体规划，对该段河道整治布置如下：①桩号15+450m～16+000m段设计河床底高程17.88～18.16m；②桩号16+000m～17+220m段设计河床底高程18.16～18.93m，河道控制底宽为50m。

(2)防洪堤加固及生态修复

防洪堤堤顶超高结合区内建设用地高程以及景观要求定为1.0m；堤顶宽度综合考虑堤现状构造、防汛及交通要求定为6.0m。并结合“自然河流”的形态及水流的自然规律，对原河道进行水生态修复设计[5- 6]。

(3)新建调蓄区自排闸及机耕桥

蔡家桥调蓄区自排闸位于乌沙河桩号12+025m左岸堤防处，为蔡家桥电排站三个调蓄区中的第2个调蓄区中的自排闸。自排闸为新建，单孔，孔口尺寸2.5m(宽)×1.8m(高)。闸设计洪水位为23.69m，闸内调蓄区采用蔡家桥电排站最高蓄涝水位为22.50m。闸底板高程为16.30m，闸门为铸铁闸门。为满足禹港水的后期规划要求以及乌沙河机耕路的通行要求，禹港水汇入乌沙河的汇合口处，在桩号17+220m的左岸修建1座机耕桥。

4 生态防洪堤设计计算

4.1 工程地质

工程区位于扬子准地台、江南台隆、九岭～高台山台拱之次级鄱阳湖凹陷带构造单元中。工程区地震动峰值加速度为0.05g，相应地震烈度为Ⅵ度。区内第四系地层分布广泛，地下水类型主要为孔隙性潜水。环境水对混凝土具多种弱～中等腐蚀性；对钢结构具弱腐蚀。防洪堤防位于赣江Ⅰ级冲积阶地，地势较低，岸坡的岩性为第四系全新统冲积含砾粘土、壤土、砂壤土、细砂及粗砂，各土层的抗冲刷能力均较差，特别是在桩号17+300m～17+400m及桩号16+100m附近一带，由于岸坡处于河道的凹岸，受水流冲刷作用影响较大，岸坡极易被冲刷淘蚀，导致岸坡崩塌，影响堤防的稳定与安全，需对开挖河道整段岸坡进行防冲刷处理。

4.2 护岸型式选择

乌沙河(望城段)治理工程为国家重点研发计划重点专项“鄱阳湖五河及湖区生态水利综合治理关键技术及示范”项目的示范点之一。根据乌沙河数模成果，景观平台以下采用联锁式生态混凝土护岸，由预制混凝土砖块组成的铺面系统，每块联锁式砖与附近六块砖联锁铰接，整个铺面为柔性体，耐冲刷能力较强和整体稳定性好，砖孔中可种植草本植被，美化环境，改善生态效果[7- 8]。联锁式生态混凝土护岸操作简单，施工快捷，与其他生态护坡技术相比，工效更高，施工速度更快，单价约100元/m2。桩号16+050m、16+100m和16+750m三个生态岛的附近平均流速较大，设计对这三个生态岛的岸坡进行仿木桩护岸，仿木桩直径0.3m，单根长3.0m。

4.3 护坡型式选择

(1)蜂巢式网格植草护坡

在桩号16+000m～16+050m的右岸及桩号16+050m～16+250m的左岸景观平台以上采用蜂巢式网格植草护坡。蜂巢式网格植草护坡是一种新型土工合成材料，是以高分子聚合物片材，经超声波焊接而成具有三维网状立体结构的格室，如图3所示。

图3 蜂巢式网格植草护坡

(2)生态混凝土护坡

在桩号16+350m～16+650m的右岸以及桩号16+550m～16+800m的左岸景观平台以上采用生态混凝土护坡。生态混凝土是将连续粒级的粗骨料、细骨料和生态胶凝材料按一定配合比进行均匀拌合浇筑(必要时可不用细骨料)，自然养护后在混凝土表面呈米花糖状并有大量连通、细·密孔隙的多孔质混凝土[9]，如图4所示。

图4 生态混凝土护坡

(3)生态袋护坡

在桩号16+900m～17+050m的右岸及桩号16+950m～17+150m的左岸景观平台以上采用生态袋护坡。生态袋具有抗老化、抗紫外线、无毒、不助燃、裂口不延伸和零污染等特点。生态袋装土后尺寸为81.5×44×15mm(长×宽×厚)，如图5所示。

图5 生态袋护岸

4.4 截水净化设计

截水净化设计选取桩号16+000m～16+200m段右岸堤防与湿地岛之间的水域，开展滨水带岸坡雨污分离净化关键技术的示范。通过在下游设置景观式溢流坝，并结合左岸河道走势，在湿地岛远离堤防处设置仿木桩挡土墙形成生态导墙，使湿地岛和右岸堤防之间形成一块相对封闭的水域，并延长上游雨污水在该流域停留的时间。通过在湿地岛四周的功能性护坡材料、水生植物以及微生物的联合作用去除水体中的污染物质，实现局部的雨污分离净化。

4.5 梯田生态挡墙(格宾挡墙)设计

将抗腐耐磨高强的低碳钢丝，经过表面镀层和覆层处理，编织成六边形网目，组装成箱，并在其中填入石料形成的梯田生态挡墙护坡系统。在桩号16+650m的左岸休闲小广场弧形连接段设计梯田生态挡墙，挡墙采用下部两个0.5m×0.5m×0.5m钢丝箱并和上部的1个0.5×0.5×0.5m钢丝箱进行组装，如图6所示。

图6 梯田生态挡墙

4.6 岸坡抗滑稳定分析

选取堤身粘土覆盖层较薄、下部砂类土较厚的断面，对桩号16+600m断面采用刚体极限平衡法按均质土坝简化分析[10]。堤坝填筑土料特性指标为：天然容重19kN/m3；饱和容重19.2kN/m3；粘聚力15.8kPa；内摩擦角Φ=10°。计算得生态防洪堤护岸边坡整体稳定分析成果，如表1所示。

表1 生态防洪堤抗滑稳定分析成果

从表1可知，生态防洪堤抗滑稳定最小安全系数为kc=1.86，大于允许最小值[kc]=1.25的指标要求，防洪堤整体安全稳定。

5 结论

乌沙河(望城段)是南昌市乌沙河封闭防洪体系中尚未进行完全整治的河段，通过综合治理工程实施提高河道防洪标准、确保沿河两岸居民人身财产安全和生态修复至关重要。治理河段基本处于人类活动影响下的荒芜、杂乱状态，针对河道堤防防洪标准低、河面宽窄无序、桥涵阻水壅水、河道过流能力小等问题，通过河道整治、新建堤防、生态修复等措施，采用近自然工法生态防洪堤型与已建防洪堤有机衔接形成封闭防洪体系。在类似工程设计中，要充分考虑河道现状，结合“自然河流”的形态以及水流的自然规律，优选工程适宜性强、上下游衔接好、水体水质改善与生态修复具有长效保持机制的生态防洪堤结构体型，增强河道防洪和排涝能力，实现城区自然环境、水生态和人文景观的和谐发展。