汾河万荣段左岸生态护坡试验段设计

张 瑞

(山西水务工程建设监理有限公司，山西 太原 003000)

1 工程概况

汾河是山西省最大的河流，是黄河的第二大支流，东西方向宽188km，南北方向长412km，为南北向狭长型流域。为加强汾河的生态环境保护，山西省全面启动了汾河流域生态保护修复工作。截至目前，修复工作基本保障了汾河干流枯水期生态流量不小于15m3/s，汾河入黄口庙前国考断面水质退出了劣Ⅴ类，初步实现了“水量丰起来、水质好起来”。但是离“风光美起来”和水生态良性循环的目标仍然有不小差距。

汾河从上游河津县西梁村进入万荣，经裴庄光华荣河3个乡镇37个村庄，至庙前汇入黄河，万荣境内长约28.4km。河道左岸为土山崖，右岸为河滩地。滩地内均为已开发的农田，田内布置有水井及管灌设施。西范至南百祥河段，右岸滩地内有分散而不集中的民房。河道两岸缺少必要的生态防护林带，尤其是河道左岸坡面沟壑纵横，黄土裸露严重、植被稀少，缺少必要的生态防护措施，很容易造成坡面坍塌，形成大面积水土流失[1-2]，不符合黄河流域生态保护和高质量发展战略。为加强汾河万荣段的左岸堤防度汛和生态防护，对相应段坡面采用生态防护工程措施成为当务之急。

2 水文地质条件

汾河流域多年平均降水量为504.8mm，降水年际变化较大，年内分配不均匀，汛期和枯水期界限分明，年头与年尾降水量最少，7—9月降水集中。由于万荣县春季干旱多风，夏季炎热多雨，因此，降水集中的3个月，占全年降水量的39%。流域年降水量变化梯度大，由南向北锐减。区域内地表水主要为黄河、汾河河水，属于常流水，流量较大，季节性变化明显，雨季洪水暴涨，水位及流量变化较大。

汾河万荣段内，地势总体上呈东高西低，南高北低，以台状黄土高原地貌为主。万荣县最高点为孤峰山，海拔标高1411m，全县最低点为黄河谷地，海拔标高354m。项目区地貌单元主要为河谷冲积平原区。路线经过地段，最高点374.98m，最低点360.00m，相对高差14.98m。勘察区出露岩性以堤坝填土及第四系粉土、细沙为主。边坡黄土具有湿陷性，做生态防护时，应考虑湿陷性影响[3]。

3 生态护坡试验段设计

3.1 工程总体布置

生态坡面长1.5km，治理面积15.06万m2。目前，左岸坡面属于黄河沟壑冲刷区，部分地段属于陡崖坍塌区。本次生态防护根据沿线沟壑地形情况，因势利导。对左岸直立陡峭、土层裸露的坡面，采用大水平阶、分级降坡进行生态防护。

对陡峭坡面，坡面打孔植草(紫穗槐)，每层台面栽植多种有色乔灌木，营造自然写意的多彩混交林格局；防止对坡面的冲刷。沿黄路与坡面交汇处部分地段为陡立台地，台地地质易冲刷、垮塌，离公路较近。为了保护沿黄路的行车安全，本次对陡立地段设置浆砌石挡土墙[4]，予以护砌。对有植被覆盖的陡坡，优先采取封育措施恢复植被，不搞大规模修整，避免人为干扰破坏坡面土层稳定性。对较缓坡面，采用布置鱼鳞坑。

3.2 工程设计

针对生态坡面，进行生态防护规划与设计。其中，修建砌石挡土墙800m。栽植各类苗木254787株，常绿植物7976株，占乔灌木数量的51.8%；色叶及花灌植物7411株，占乔灌木数量的48.2%；打孔种植紫穗槐239400株(水平阶坡面高度大于3m；种植紫穗槐，9株/m2)；植草毯(掺紫花苜蓿约35011m2)；灌溉系统5处，提水井5座，DN100镀锌钢管761m，DN50尼龙软带2000m。

根据坡面现状，坡面治理设计共采用了2种工程措施：①对陡峭坡面小于1∶0.5的，进行分级降坡，采用水平阶设计；②对较缓坡面大于1∶0.5的，采用鱼鳞坑设计[5]。

3.2.1 坡面大水平阶设计

水平阶整地台面1.6m×1.0m区域种植，0.6m距离为土埂。部分水平阶台面宽度根随现场条件进行调整。地面反坡3°～5°，坡面坡比为1∶0.6。现场施工时，采用小型挖机施工。若山体底部土质有沙化现象，与水平阶对应的坡面，植入紫穗槐(地径不小于0.3cm，裸根)。坡面水平阶形成后，对坡面的雨水进行复核计算。洪水重现期为10年(P=10%)，暴雨洪水计算如下。

(1)暴雨量

万荣县最大24h暴雨均值(H24)为70mm，偏差系数CV=0.5，CS=2.5CV；模比系数K10%=1.67。计算公式[6]：

H24·10%=K10%·H24

(1)

式中，H24·10%—频率为10%的24h暴雨量，mm；K10%—频率为10%的皮Ⅲ型曲线模比系数；H24—最大24h暴雨均值，mm。则H24·10%=1.67×70=116.9mm。

(2)洪峰流量

计算公式：

Qp=C1·H24·P·F2/3

(2)

式中，Qp—频率为P的洪峰流量，m3/s；C1—洪峰地理参数；H24·P—频率为P的24h暴雨量，mm；F—控制面积，km2；由1∶2000地形图查得，控制单位流域面积为F=1km2为黄土沟壑为P=10%地理参数为0.06。经计算Q10%=9.48m3/s。

(3)洪水量

计算公式[7]：

WP=1000Hp·F

(3)

式中，Wp—洪水总量，m3；Hp—某频率不同时段(24、12h)暴雨所产生的径流深，mm；F—流域面积，km2。当P为P10降雨量116.9mm的黄土沟壑区的径流深25mm。则W10%=1000×25×1=25000m3；每平方雨量P10=25000m3/(1000m×1000m)=0.025m3/m2。按黄土沟壑区径流系数ψ=0.16，产生径流量0.004m3/m2。

1个台阶坡面，每米产生径流：3.4m2×4L/m2=0.0136m3。鉴于上述径流雨水情况，坡面水平阶均考虑蓄水保墒措施，即在每条水平阶，设高25cm，顶宽30cm，底宽60cm，内、外挡水土埂坡比1∶0.5，达到保水、保墒，防止坡面雨水冲刷的效果[7-8]。

3.2.2 鱼鳞坑设计

鱼鳞坑每坑平面呈半圆形，长径0.8m，短径0.6m；坑深0.5m，坑内取土在下沿作成弧状土埂，高0.3m(中部较高，两端较低)。在坡面基本上各坑沿等高线布设。根据设计的行距和株距，确定设置的鱼鳞坑间隔3.0m左右，以金叶榆、金叶槐等植物按比例混交种植，其中常绿60%，灌木40%，为荒坡增绿添彩，兼顾四季生态效果。

3.2.3 提水灌溉工程设计

本次沿汾河左岸坡面共设置提水灌溉泵站5处，提水井5座，DN100镀锌钢管761.0m，DN50尼龙软带2000m，根据地形分区域各站点设置灌溉系统，水源利用现有沿黄旅游路沿途水源井，可就近接入水源，经提水泵站，加压至灌溉区域顶部已埋设的PE塑料水箱。每个灌溉提水工程包括3项。

(1)顶部地埋式PE塑料2个水箱：长4.0m，宽2.0m，壁厚10.00mm，容积10m3。提水管兼为灌溉管，即在提水的同时，沿坡面每10.0m处设置DN50三通出水口，并安装闸阀。在上水的同时，可选择2～3个出水口，用Φ50灌溉尼龙软带进行灌溉，多余水量暂可上水到PE塑料水箱内。

(2)DN100镀锌钢管，壁厚3.75mm，管道承受水压力2MPa。

(3)提水泵站。泵站主要包括3部分。

①水泵井。因场地限制，需新建水泵井以满足水泵提水要求。场地不宜大开挖，采用沉井施工方法。沉管工作井，采用DN1500mm的钢筋混凝土管，壁厚150.00mm，沉井深4m。泵井垫层采用砂砾石垫层，厚0.3cm，底板采用现浇C20混凝土，厚0.2cm。水井水源引此道路沿线水井水源，采用Φ125PE塑料引水管，压力0.6MPa，每处长200.0m。

②提水泵井台。井台是保护工作井的重要设施，承受井泵自重及运行荷载，又是检修搭卸全部机泵的工作场地。因此，设计井台直径2.40m，高0.44m，采用C25混凝土现浇。井台表面与工作井高度一致。

③下卧安装坑1座。安装坑砌砖结构，尺寸：3.78m×3.28m×1.30m(长×宽×深)，高出地面0.20m。墙采用M7.5水泥砂浆砌砖厚24cm，顶板采用预制C25钢筋混凝土盖板，并预留DN700检修孔，井口盖板采用φ700钢纤维混凝土井盖，底板基土夯实后，采用现浇C20混凝土厚10cm。井壁内壁采用1∶2水泥砂浆抹面。坑内设置DN100止回阀1个，DN50进排气阀1个。

一般，灌溉接水口沿提水管10m管长，设置一个DN50闸阀。闸阀型号Z41H-16C(不锈钢材质)。每个供水点备用Φ50左右灌溉尼龙软带，两侧200m×2=400m，承受水压0.5MPa。

3.2.4 水泵站泵性选择

水泵扬程确定计算公式：

H=HD+∑h

(4)

∑h=∑he+∑hm

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，HD—地形高差，m；∑h—水泵总水头损失，m；h—井外管段水头损失，m；∑he—各管段沿程水头损失之和，m；e—各管段序号；∑hm—各管段局部水头损失之和，m；m—各管段局部序号；L—管路长度，m；ξ—局部阻力系数，0.75；v—管中水流速度，m/s；Q—设计流量，m3/s；D—管道管径，mm。水泵选型计算结果见表1。

表1 水泵扬程参数表

3.2.5 浆砌石挡土墙工程

沿黄路与坡面交汇处部分地段为陡立台地，台地地质易冲刷、垮塌，离公路较近。为了保护沿黄路的行车安全，本次对陡立地段设置浆砌石挡土墙800m，予以护砌。

浆砌石挡土墙设计。挡土墙，采用M7.5水泥砂浆砌砖，基础深80cm，地面上部高2.08m，顶宽0.50m，底宽2.05m，顶部采用厚80cm现浇C25混凝土压顶，内外坡比均为1∶0.2。

水泥砂浆砌石砌筑总的要求是将清洗石料表面污泥，洒水充分湿润，用坐浆法分层砌筑。砂浆厚3～5cm，标号为M7.5水泥砂浆，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，随铺浆随砌石，砂浆满铺。砌体应分层砌筑，砌体较长时，可分段分层砌筑。分段位置，设在伸缩缝处，浆砌石应每15m设1道伸缩缝，缝宽2cm，填缝材料为聚乙烯闭孔泡沫板，并用双组份聚氨酯密封膏封口。

3.3 生态防护种植施工

(1)植物配置为生态的重要组成部分。为达到良好的即时效果，植物配置需要严格按照要求进行施工。图纸设计说明作为验收的标准，施工单位需要按要求执行，保证效果。

(2)具体施工要求。施工前，应在本设计中植物保留区标明需保留的植物，并采取相应措施。植物类型及生长最低种植土层厚度，表2规定，施工方应对现场使用的种植土进行土壤化验分析。

表2 植物生长最低种植土层厚度统计表

重要苗木选苗标准。为了保证栽植后的成活率及生态效果，建议选用移栽苗。一般，乔木选择树干挺直，无明显机械损伤，树冠丰满，枝条匀称，常绿树叶色正常，根系发育良好、无严重病虫危害。大型灌木选择根系发达，生长茁壮，灌丛匀称，枝条分布合理。

乔木土球规定。一般高度为土球直径的2/3左右，要包住大部分根系，当土球直径大于1.8m时，就要考虑打箱板进行土球的移栽。灌木土球规定蓬径30～40cm，土球20cm；蓬径50～70cm，土球30～35cm；蓬径80～100cm，土球40cm；蓬径110～130cm，土球50cm；蓬径140～160cm，土球60cm；依此类推。种植穴尺寸，根据土球规格及根系情况确定，直径应比苗木土球大40cm，深20～40cm。

苗木种植前，为了运输及减少水分损失，应对苗木进行适度修剪，必须保留2/3以上叶片(反季节施工保留1/3以上叶片)，不得截杆、短截、重剪，不得杀平头式修剪，剪口保证整齐平面，涂抹防腐剂锁住水份防止过分蒸发干死。

苗木栽植挖穴规格，必须严格要求。种植穴直径，应根据施工图中对土球、树穴的规格规定执行。种植苗木的自身，应保持与地面垂直，不得倾斜(特殊要求苗木除外)。种植时，应注意苗木的长势较好的侧面对人观察视线正方向。每棵树横平竖直，纵向树成行，即与护岸工程平行，成规则排列，三点不得成行，不得成等腰三角形。乔木种植完毕后，树穴处禁止有馒头状凸起。

4 结语

汾河万荣段左岸生态护坡试验段已投入运行3年，经历几个汛期的高水位考验。护岸工程运行各项指标，符合设计要求。实践证明，采用前述技术措施，科学合理。在生态防护的基础上适度合理利用现有条件，改善环境质量，要进一步优化工程布局，加强汾河河道岸线管理[8]，因地制宜，采取水土保持措施等进一步恢复地表植被，符合工程质量的环保要求[9-11]。项目将为人们亲近自然、拥抱自然、享受自然营造生态新空间。后期运行管理单位在构建更为完善的生态系统修复、保护和管理的体制机制等层面，期待分享经验。研究为汾河流域实施生态保护修复提供可借鉴、可复制、可推广的“汾河生态治理经验”。