生态修复工程设计方案探讨

摘要：为改善天镇县城段南洋河生态环境，对该区域进行一系列修复工程。通过坝型比选，选择液压坝进行拦河蓄水，同时采用垂直防渗处理设计，建成后可形成蓄水面积46.2万m2，景观绿化面积75.4万m2，同时保护周边生物群落，完善区域生态系统。

关键词：南洋河；生态修复；建筑物设计；防渗处理

1工程概况

天镇县位于山西省大同市东北端，地处晋、冀、蒙三省（区）交界处。南洋河发源于阳高县朱家窑乡的随士营，为洋河的一级支流。天镇县位于南洋河上游，南洋河自西向东纵贯全境。近年来，天镇县始终致力于可持续发展战略目标，立足“生态水利，人水和谐”的治水理念，突出其“特色、古色、绿色”的特点，对南洋河城区段展开了一系列综合治理。

2工程任务及目标

面对本区域生态退化、水环境污染的严峻形势，推进顺应自然、保护自然的生态文明理念，本工程建设的主要任务是：防洪、蓄水、生态绿化，保护本区域的生态链。通过拦坝蓄水，新建生态堤防，延续两岸的滨水生态带；同时对河道两岸滨水区进行生态绿化，保护生物群落，完善该区域的生态系统。3防洪标准和级别根据《防洪标准》（GB50201—2014），天镇县城属一般四等城镇，防洪标准为20年一遇洪水；根据《防洪标准》（GB50201—2014）的规定，按蓄水量划分，壅水坝为Ⅴ等工程，按5级建筑物设计；根据现行《中国地震动参数区划图》，枢纽建筑物的抗震设防烈度为7度。

4工程建设内容

本次生态修复工程拟新增2座长137.5m和131.25m的壅水坝和1座137.5m+68.75m长的堵头坝（分为主坝和副坝），同时沿河两侧建设生态绿化林带。建成后将形成3个蓄水池，蓄水总长度3.3km，蓄水总量69万m3，蓄水面积46.2万m2，景观绿化面积75.4万m2。工程总体布置见图1。

5主要建筑物设计

5.1壅水坝型式比选南洋河天镇县核心区生态修复工程是在满足河道防洪基本功能的基础上，达到蓄水美化环境的目的。在天然河道上兴建壅水闸坝，既应满足日常立坝蓄水，又能满足汛期倒伏行洪，保证河道的行洪安全。目前国内常用的几种景观壅水闸坝有：橡胶坝、液压坝、钢坝闸。结合本工程具体情况，对上述三种坝型进行综合比较。1）工作原理橡胶坝通过对橡胶充水达到阻水目的；液压坝通过直接放在河道内的启闭机推动闸门起伏；钢坝闸则通过底轴传导到两端，两端靠液压启闭机推动。2）土建综合成本橡胶坝对地基要求低，土建成本低，工程投资少，应用广泛；液压坝对地基要求低，土建成本较低，技术成熟，近年来应用比较多；钢坝闸支铰局部受力集中，需启闭设备，河道较宽时还需设中间闸墩和维修廊道，土建投资高。3）防洪效果橡胶坝立坝、塌坝时间长，通常需要1～3h，影响快速截流、蓄水或泄洪；塌坝时坝内的水体不能完全放尽，形成不低于20cm的壅水高度，再加上基础宜高于河床20cm的规范要求，严重影响泄洪流量。液压坝闸门采用启闭机启闭，运行速度可达1～2m/min，一般工程不超过5min即可完成升坝和塌坝，而且结构上可以完全放倒与河底齐平，可有效地保证突发洪水时能及时泄洪。钢坝闸坝体对河道行洪影响小，闸门卧倒时与河床齐平，且闸门开启时间在2～3min之内完成，对城市防洪有利。4）冲沙性能橡胶坝坝体整体升降，坝前较易淤积，清理困难；液压坝可分片塌坝、集中排砂，坝体不易淤积；钢坝闸坝体整体升降，坝前较易淤积，清理困难。5）运行维护橡胶坝坝袋充水需抽提地下水，对水资源形成浪费；坝顶溢流长时间超过50cm，易出现垮坝事件，需加强汛期的运行管理；冬季需塌坝运行或坝前凿冰越冬；坝袋易受外界水沙条件及人为破坏的影响，造成坝袋泄漏，影响正常运行。液压坝坝顶可长时间、大流量的溢流，形成瀑布景观；冬季立坝运行时，坝体可向下游适当倾斜释放冰推力，管理方便；坝体为钢筋混凝土预制板，抗冲击的能力较强，耐久性好，维护量小；门体可单扇启闭蓄水或行洪、冲砂，运行方便；门体间可相互导流，分段维护，检修方便。钢坝闸坝顶亦可长时间、大流量溢流；冬季立坝运行时，坝体可向下游适当倾斜释放水冰推力，管理方便；坝体为热喷锌防腐处理的整体钢结构，耐久性好，维护量小；启闭设备位于岸边，检修方便。6）延米投资（坝高2.5m）橡胶坝坝袋寿命10～15年，延米投资约9.3万元；液压坝门体寿命50～60年，延米投资约8.7万元；钢坝闸门体寿命50～60年，延米投资约12.8万元。通过三种坝型的比较可以看出，液压坝无论从外形景观效果、使用寿命、防洪影响，还是从技术含量、利于景观多样性等方面，都占有较大优势。尤其是根据本河段已建橡胶坝多年的运行情况，坝前泥沙淤积量较大，清淤任务较重，且因塌坝速度慢而防洪压力大。而液压坝可分片塌坝、集中排砂，冲砂效果好。经综合考虑，本次新建的3座壅水坝均采用塌坝迅速，利于冲沙，费用较低的液压坝。5.2壅水坝设计5.2.1液压坝布置本工程共布置有3座液压坝，其中1＃坝位于桩号A0+272.2，分为主坝和副坝各一座，分别位于清水渠和浑水渠内，3＃和4＃坝均位于清水渠，A2+415.0和A3+554.9处。在桩号A0+272.2处设置1＃堵头坝，理由如下：1）为使浑水渠能够排泄河道中日常污水和宣泄流量200m3/s的洪水及泥沙，减少污水、洪水和泥沙对清水渠的侵扰机率，减少清淤次数和清淤量，解决行洪排沙和蓄水之间的矛盾，在桩号A0+272.2处清水渠内设一道2.5m高的堵头坝（1＃主坝）。2）拦蓄河道基流补充蓄水池水量，在桩号C0+050.0处的浑水渠设一道2.5m高的堵头坝（1＃副坝）。3）1＃堵头坝的设置可形成长1.5km的回水，为规划中的湿地温泉开发区的整体环境的改善创造条件。5.2.2建筑物设计液压坝由铺盖段、坝体段、消力池段、海漫段组成，总长47m。液压坝段上游设有10m长的铺盖，采用400mm厚C30钢筋混凝土结构，铺盖下设0.1m厚的素混凝土垫层。铺盖沿河宽方向设伸缩缝，缝宽3cm，缝内填聚乙烯中密度闭孔泡沫板，止水采用一体化定位的B类氯丁橡胶止水带。铺盖段边墙采用C30钢筋混凝土悬臂式挡土墙，结构设计参照《堤防工程设计规范》（GB50286—2013）。液压坝底板参照《水闸设计规范》（SL265-2001）进行结构设计，采用C30钢筋混凝土筏式基础，基础顶面与河床齐平，根据基础内液压装置埋设要求，厚度为1.9m。根据坝体坍落宽度和上、下游施工检修要求，在顺水流方向，确定底板长度7m。闸门为钢筋混凝土面板，每扇面板后均布置支撑杆两根、液压杆两根。坝体面板底部以铰链轴固定在坝的基础上，铰链支撑杆支撑面板，并以背面液压杆的伸缩带动面板作扇形上、下升降，用液压杆和支撑杆的解锁装置控制闸门升降。液压坝边墙采用C30钢筋混凝土直墙结构，与底板浇成一个整体，顶宽1m，高3.2m。消力池段总长10m，紧邻液压坝段下游布置，与液压坝段以1∶4斜坡连接，平段池长6m，深0.6m。消力池底板厚600mm，采用C30钢筋混凝土结构。消力池段下游设20m长格网石笼海漫，厚1m。海漫段边墙采用钢筋混凝土扭面结构，分别与坝体段直墙和现有退台式格网石笼岸墙衔接。液压坝剖面图见图2。

6地基防渗处理

6.1蓄水池防渗的必要性蓄水工程的关键在于水，水是工程的灵魂，也是保证工程成败的关键。天镇处于山西的北部，属于严重缺水地区，水量的大量渗漏，不仅造成水源的浪费，而且会因为水体得不到补充，而造成蓄水工程的失败。此外，河道蓄水后将会抬高河道水位，如不采取防渗措施，将使两岸的地下水位抬高0.1～3.0m，对两岸建筑及耕地形成一定的浸没影响。因此，对河道蓄水段采取防渗措施是非常必要的。6.1.1防渗方案的比较防渗型式有水平防渗和垂直防渗两种。水平防渗是采用复合土工布、黏土铺盖或膨润土防水毯等防渗材料，铺设在整个河槽，形成防渗层，并在防渗层上覆盖混凝土板、水工生态砖或格网石笼等防冲层的防渗措施。具有防渗效果可靠、渗漏损失小、施工工艺简单，工期快等优点；缺点是由于施工工作面大，对施工组织要求高，且防渗面积大、基坑排水量大；蓄水池水体与地下水交换困难，水质较差。垂直防渗即采用高压注浆或水泥土地连墙的施工工艺，将防渗墙打入相对隔水层。优点是施工过程受地下水、雨天的干扰少；防渗墙形成后，受河道清淤、洪水冲刷等损坏的机率小，且利于蓄水池水体与地下水的交换等。缺点是由于防渗墙为隐蔽工程，质量控制难度大，工期较长。韩建宏：南洋河天镇县生态修复工程设计方案简述816.2防渗方案的确定根据地质勘探资料知，南洋河河道地层的主要成份是中砂，为中等透水层，且在5～10m深处存在一层连续、可靠的低液限黏土相对隔水层，是采用垂直防渗方案的有利条件，且两岸堤防已施工完成，采用石笼防护，已不具备水平防渗方案的条件。根据类似工程的经验，本工程采用多轴搅拌水泥土地连墙垂直防渗型式，即在河道北堤防和中隔堤下，采用水泥土地连墙施工工艺，墙身最小厚度0.2m。防渗墙底伸入相对不透水层（低液限黏土层）不小于1m，墙顶高出设计蓄水位0.5m，且不低于设计洪水位。液压坝底板地基液化处理采用围封兼作防渗墙形式，即垂直河道方向设两道深6m的水泥土地连墙，与顺河道方向间距5m的水泥土地连墙形成网格状。同时，上游一道水泥土地连墙兼做防渗墙，伸入相对不透水层不小于1m。考虑到新南洋河桥、迎宾路桥和旧南洋河桥下净空较小，受施工工艺限制，防渗墙局部改为单管高压喷射注浆工艺。河道桩号C1+416.8和C2+984处相对不透水的黏土层有缺失，该处采用水平、垂直相结合的防渗方案（见图3），即在缺失处上面铺设一层1m厚的黏土及0.5m厚格网石笼防冲层，在两侧垂直河道方向施打垂直防渗墙，并与两侧纵向防渗墙连接成防渗体系。

7堤顶路硬化

现有堤防堤顶为土路，易被雨水冲刷，因此需要对堤顶路进行硬化和绿化。拟在道路中间设置4m宽的人行步道，总长10.6km（不包括已建的）。步道两侧种植当地小灌木进行绿化，既可充当防护设置，又避免了人对动物和昆虫生活的侵扰，营造一种独立的水边生态系统。

8结论

本工程的实施，将形成46.2万m2的水面，景观面积75.4万m2，同时可保护区域周边生态群落、延续生物链，具有一定的经济效益、环境效益和生态效益。

作者：韩建宏 单位：山西省水利水电勘测设计研究院