河道稳定性计算及水环境治理设计

李 丽，白玉龙

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 流域水环境现状

改革开放以来，随着经济建设的发展脚步，对临夏县重点流域水资源的开发强度逐年增加，导致当地流域水环境污染严重。虽然通过治理，已经有部分流域开始转好，但部分流域仍存在生态环境和水体的恶化现象，这不仅破坏了自然景观，也存在污染区域地表水、地下水及土壤环境的风险。我们通过对该流域水环境污染的调查研究发现，目前掌子沟流域主要存在以下4方面问题。

(1)未形成完整的防洪体系。项目区未进行过系统的防洪工程建设，仅有少部分地段对河道进行了衬砌，形成一个缺口，未能形成一个系统的防洪体系。

(2)沟道淤积情况存在，水质存在恶化风险。掌子沟横穿村庄至县城，穿越村庄河段受倾倒生活垃圾及河床淤积等影响，沟道过水断面大幅减少，行洪严重不畅。

(3)水土流失严重，生态环境脆弱。该区域水土流失严重，生态环境脆弱的问题一直存在。本次掌子沟沟道以水力侵蚀为主，面积广、强度高，部分地段两岸坡面水土流失严重，水源涵养林不连续，地表水环境的生态功能大幅萎缩。

(4)河道护岸破碎，生态景观效果差。通过本次对治理河段进行的大断面测量以及现场勘查情况可以看出，大部分流域周边村庄河岸缺乏统一管理，致使河岸出现脏、乱、差现象，河道与陆地之间缓冲带生态系统破坏严重，河道护岸破碎，生态景观效果差。

2 河床稳定性分析

临夏县地理位置及气象特征，造成区域内河道的特点是河道纵坡较缓，洪水暴涨暴落，遇到洪水即造成较大洪涝灾害。一旦降雨量过大，当地出现大洪水，河堤存在严重的决堤风险。经过对断面进行分析计算，治理河段河相系数ζ为1.20～10.87，所以该河道属蜿蜒型河道。治理河段横向稳定系数φb值在0.34～2.18之间，表明治理河段横向稳定性较差。治理河段纵向稳定系数φh值在0.42～2.57，表明治理河段的纵向稳定性较差。治理段ψ>1和ψ<1交互穿插，表明治理河段内淤积和冲刷并存。部分治理河段河道形态指标计算见表1。

表1 治理河段形态指标计算成果表

通过对开展流域水环境综合治理工程，布设完善的防洪体系，可以在现有河道建设的基础上清除河道垃圾与淤泥、扩大河道宽度，从根本上提高河道的过水能力，保障城镇村庄安全，改善人居生态环境和生产条件。

3 工程建设内容

临夏县掌子沟流域水环境综合治理工程治理流域总长25.858km(老掌子沟治理沟道10.808km)，主要包括护岸工程、底泥清理工程、生态隔离带工工程3部分。见表2。

表2 掌子沟流域水环境综合治理工程规模表

4 工程总体布置

4.1 治理河宽确定

4.1.1稳定河宽计算

(1)整治河宽是由水流阻力公式、连续方程及河相关系式联解求得稳定河宽，关系式为：

(1)

式中，B—直河段整治宽度，m；Q—造床流量，取2年一遇设计洪水流量；ξ—断面河相系数，本区主要为蜿蜒型河流，取2～4；J—河床比降；n—河床糙率，取0.035。

(2)阿尔图宁公式计算：

(2)

式中，A—稳定河宽系数，计算取1.2。

经计算，治理段稳定河宽在4.01～14.12之间。

4.1.2治理河宽确定

根据现场踏勘与测量，治理段现状河床宽度1～32m之间。设计治理宽度以上述两种公式计算的稳定河宽为基础，考虑到治理段沟道较窄深，两岸居民房屋较集中，且村庄的房屋与村道均紧邻沟道边缘的实际情况，按照尽量不影响房屋与村道基础安全的原则下，确定本次护岸段治理在满足稳定河宽的基础上，尽量沿沟道边缘线布置。治理河宽计算成果见表3。

表3 掌子沟稳定河宽及治理河宽成果表

4.2 护岸工程

掌子沟流域治理河段总长度10.81km，护岸形式包括格宾笼固脚+格宾护坡、自然岸坡+植物护坡和护岸加高加固等四种。护岸布置见表4。

表4 护岸布置表

按照规范要求，设计拟定了坡式断面和墙式断面两种不同的工程防护形式进行了方案比较[1- 2]，具体见表5。

表5 护岸断面形式必选

经过以上方案比较，两个方案各有利弊，掌子沟流域上游关巴村段、达沙村段间，考虑到景观需求，所以本段采用坡式断面型式。根据现场勘察，掌子沟乡政府段已成堤防都属于墙式断面，为了与上下游堤防保持一致美观，所以采用墙式断面形式。韩集镇段部分地段紧靠房屋，因为河道比较窄，所以不允许修建坡式断面，隔壁部位已成堤防都属于墙式断面，为了保持统一，所以韩集镇段以墙式断面形式为主。

4.2.1护岸设计

(1)护岸顶部高程确定

护岸顶部高程由设计洪水位和计算岸顶超高确定，岸顶超高按下式计算：

D=Rp+h+A

(3)

式中，D—岸顶部超高，m；RP—设计波浪爬高，m；h—设计风壅水面高度，m；A—安全超高，m，取0.5m。

经计算，设计波浪爬高为0.42m，设计风雍水面高度为0.0012m，安全超高0.5m，则岸顶超高为0.92m，岸顶超高最终确定为10年一遇最大设计水位以上1.0m。

(2)堤顶超高计算

计算堤防风浪要素计算参数选取及设计堤顶超高见表6。

表6 河道风浪要素计算参数选取及堤防超高计算成果表

(3)堤顶高程确定

统计分析该流域的堤顶高程计算结果，结果显示该流域河道大部分已建堤顶高程不满足设计要求的10年一遇的防洪要求，因此需加高改建。少部分堤段满足防洪要求，在进行边坡防护后保持现状高程。

(4)冲刷深度计算

通过计算局部冲刷深度来确定具体的堤脚冲刷深度[3]，经计算防护工程冲刷深度在0.08～1.0m之间，为保证两岸护坡的结构和整体稳定性安全，将护坡基础置于承载力相对较好的砂砾石层上，根据现场地质勘察成果，基础埋深设计选定为1.0m。

4.2.2坡式护岸结构设计

本次设计护岸以现状岸坡进行防护，只对现状岸坡防护范围浮土予以清除。格宾网石笼护坡[4- 9]，顶宽0.5m，迎水面边坡为1∶1.5～1∶1.5，背水面紧贴岸坡。基础以1m×1m格宾石笼护脚，夯填砂砾石。

4.2.3墙式护岸结构设计

根据规范要求，一旦过水河道狭窄且易受水流冲刷河岸、或者受河道地形条件限制、建筑物限制的河岸护岸设计形式采用墙式护岸[10- 11]。本工程护岸采用重力式挡墙断面，挡墙迎水面边坡设计为1∶0.3，背水面为直立式。迎水面堤脚设计为0.5m×0.5m(宽×高)的浆砌石基础，基础底部坡度为1∶15，埋深1.2m。护岸设计横断面如图1。

图1 护岸横断面设计图

5 河道清淤工程

河道清淤设计对现状河道内垃圾、淤积及岸坡整理等，清淤工程主要是对阻碍河道行洪堆积垃圾及河道淤泥及自然滩地进行开挖清除[12- 13]。疏浚长度10.07km，根据河势沿河道中轴线进行河道疏浚，设计纵坡基本维持各段天然河道纵坡。

6 生态隔离带工程设计

岸坡整理及开挖土方填筑于两岸滩地，表层覆盖种植土，建设生态隔离带工程[14- 16]。河道两侧整体打造，从岸边沿坡面设计，生态隔离带依次分为水生植被带、绿化植被带、封育带，让自然做工，起伏的山丘与草阶、花带、疏林、灌丛与地形有机结合，营造乔灌花草混交复层林。

6.1 总体风格

在进行本工程区段的河流植物设计时，从全局角度考虑，种植总体风格遵循自然化、生态化、乡土化的原则，配合河道风景“一条水，一片绿”的带状种植特征，塑造带状成片的大面积绿化种植，河道两侧整体打造，形成两岸统一又富有变化的种植空间。从岸边沿坡面设计，生态隔离带依次分为水生植被带、绿化植被带、封育带，让自然做工，起伏的山丘与草阶、花带、疏林、灌丛与地形有机结合，营造乔灌花草混交复层林，如图2所示。

图2 生态隔离带设计图

6.2 布置方法

6.2.1生态隔离带(I型)：水生植被带+绿化植被带+封育带

主要布置于卧龙沟右岸以及掌子沟上游，该河道功能性河道，重在以水体保护和净化为主，植物配置采用三条林带依次形成隔离，为保护水质和生物多样性发展提供自然群落。其中乔木选用油松、垂柳等，灌木选用紫穗槐、连翘等植物，株行距1.5m×1.5m种植；水生植物选用芦苇和香蒲等，按36株/m2种植。

6.2.2生态隔离带(Ⅱ型)：绿化植被带+封育带

主要布置于掌子沟中下游，位生态性景观带，重在促进生态保护，提升环境质量，以生态保护与修复为主要目标；植物配置结合此段净水的功能要求结合此段特点，采用成排式、自然式种植手法、植物随着场地的营造而变化，丰富可观，体现不一样的生态景观带风景。

卧龙沟右岸、麻尼寺沟段以及掌子沟上游现有植被良好，主要采取生态隔离带(I型)，即水生植被带+绿化植被带+封育带形式；其他沟道主要采取生态隔离带(Ⅱ型)，即绿化植被带+封育带形式，尽量保留原有植被，护岸植草、绿化，远处较好植被群进行封育，植物种植设计如图3。生态隔离带布置见表7。

表7 生态隔离带布置表 单位：亩

图3 植物种植典型设计图

7 结语

针对掌子沟流域水体污染和水土流失风险以及河床生活和农业垃圾直接堆放导致的河道淤积严重、河道泄洪能力降低、河道护岸破碎等流域水环境污染现象。制订了以生态隔离带工程、河道清淤工程、护岸工程为主体的环境治理工程。这些治理工程措施的建设可以起到疏浚河道、增加河道泄洪能力、抑制河岸水土流失的作用。通过生态隔离带的建设提高了岸边绿化覆盖度，这在一定程度上可以阻止雨水冲刷河岸和防止河道淤积。要想从根本上治理当地河道流域，水环境治理宣传必须到位，增强社区农民的生态保护意识。希望该河道治理工程可以为其他类似治理工程提供借鉴。