生态水利工程河道栅格结构规划设计及实践应用

姜延宏

（甘肃省武威市凉州区杂木河水利管理处，甘肃 武威 733000）

栅格结构是一种网格状的护岸，栅格内可填充砂石，种植植物；底部有孔，可以与坡底土壤相连，形成一个“水下- 岸坡- 水上”的共生系统，对提高河道生态系统的稳定性有积极帮助。近年来，栅格结构被广泛应用于河道治理中，现结合某护城河的改造实例，对生态河道栅格结构的规划要点和应用实践展开分析。

1 工程实例

某地护城河修建于1994 年，长度13.07 km，横断面呈梯形，河底宽度14.7～21.1 m，上口宽度29.4～46.2 m，深度5.0～14.4 m，见图1。该护城河兼有蓄积雨水和排水泄洪功能。近年来，随着城镇化建设进程的加快，该护城河的污染问题也变得愈发严重。从2011 年开始，该市投入大量资金、人力、设备实施护城河改造工程，在改善水质、景观营造等方面取得了显著成效。但是在部分河段，还存在河道过分硬化、岸坡植被稀疏、亲水平台的亲水性差等问题。基于此，本研究提出了一种基于生态水利工程理念的河道栅格结构改造方案。

图1 护城河实景

2 生态河道栅格结构规划设计

2.1 护岸结构设计

对河道的护岸结构进行改良设计，替换成绿滨垫型护岸，坡脚选择固滨笼护砌。其中，绿滨垫的垂直防护高度为3.66 m，护岸迎水面边坡的坡长为7.7 m，岸坡坡度1:2，在护岸的顶部使用0.6 m 宽的压顶。充分利用护岸顶部空间，栽种垂柳、榆叶梅等树木。树间距统一设计为1.5 m，定期修剪树枝使树高控制在2.0～2.5 m。为提高护岸景观效果，在绿滨垫块石上平铺厚度为30 cm 的生态袋。同时用石笼网兜住块石与生态袋，起到固定效果。生态袋内含有草籽，一段时间后长出草本植物，起到固土、绿化的效果[1]。绿滨垫的下方为一层厚度约30 cm 的砂砾垫层，该垫层以下是无纺土工布，一直延伸到护脚。护岸回填部分要注意保证密实，可在分层填土时使用工具夯实。宾格石笼内装填块石，对块石的具体要求见表1。

表1 格宾石笼填充物的性能指标

河道护岸使用“绿滨垫+固滨笼”相结合的结构形式，进一步提高了河道护岸的防洪性能。

2.2 网箱挡土墙设计

挡土墙适用于岸坡坡度＞1:1.5 的河道，根据其结构的不同，又可分为墙背挡土墙、坡面挡土墙、网箱挡土墙等若干种型式。在本次生态河道栅格结构设计中选择网箱挡土墙，并做如下设计：

网箱挡土墙的上、下侧均需要设置扶壁，其中上游扶壁在距离护城河上游边界3.0 m 处，下游扶壁在距离护城河下游5.5 m 处，伸入河岸部分不得低于4.0 m。根据往年护城河的水位变化规律，确定网箱挡土墙的基础埋深，一般要求网线挡土墙的基础部分埋设于最大冲刷深度以下。对于护城河的弯曲段，考虑到河水冲刷较为明显，因此在设置网箱挡土墙时，还应增加网垫护坦。网箱挡土墙必须同时具备较强的挡土能力和一定的透水效果。因此网线挡土墙的填料选型十分关键。可选择粒径在10～30 cm 的碎石，同时回填一层粒径在2～3 cm 的细砂，形成滤层。网箱挡土墙的土压力（K）可根据“数解法”求出：

式中：q 表示地表均匀荷载；γ 表示填土重量；H 表示挡土墙高度；α 表示墙背与水平面的夹角；β 表示填土表面与水平面之间的夹角。要求挡土墙能够承受的土压力必须大于挡土墙后土体的实际压力，才能保证整体的稳定性。

2.3 生态格网设计

生态格网由钢丝、填石、滤层三部分组成，各组成成分的设计要求见表2。

表2 生态格网的材料组成及要求

在生态格网设计中，还应注意以下技术要点：（1）科学选用生态格网的规格。该设计方案中使用到2 种规格的生态格网，一种是网孔60 mm×100 mm，钢丝直径2.5 mm～3.0 mm；另一种是网孔100 mm×150 mm，钢丝直径3.5 mm～4.0 mm。将钢丝围绕4 倍于直径的芯轴缠绕5 圈后，用尖针刮擦镀层，可避免生态格网开裂或脱落的情况[2]。（2） 对填石进行筛选，要求生态格网中粒径小于网目的石料不得超过10%。在放置填石时，应按照“外大内小”的原则，用砂砾填充石料的缝隙，保证外部裸露的石料摆放整齐、力求美观。（3） 在垂直方向上，每隔40 cm 设置一道水平拉筋，按照由外向内的方向张拉，使拉筋张紧，保证内部的土石料稳定，可有效避免河水冲刷导致土石料流失的问题。（4） 滤层所用的土工织物，优先考虑耐冲磨、易渗透的无纺土工织物。

2.4 清淤河段设计

根据实地勘察结果，该护城河部分河段由于水流平缓，河底淤泥较多，主河槽的宽度不足原来的2 3 ，不利于洪水排泄，因此在河道改造中需要进行清淤拓宽设计。清淤宽度100～280 m，在原始河道范围之内。清淤拓宽以后，可使河水流速有一定的增加，增强对河底泥沙的冲刷能力，形成良性循环。在河段清淤作业中，开挖出来的土方可作为砌筑护岸的材料，其他剩余的材料可集中清运到附近的坑塘，用于保护岸滩。

3 生态河道部分景观栅格结构的设计改造

3.1 溢水堰结构设计

该护城河现有的溢水堰属于梯形型式，从测量数据来看，高水位与低水位之间的落差超过了2 m。在雨季雨水较多的情况下，水流会漫过溢水堰；在旱季雨水偏少的情况下，水流则经过溢水堰底部的排水孔流出。这种型式不利于堰坝顶部植被的生长，无法发挥护城河的景观效益。因此，在生态河道的景观栅格结构改造中，将梯形直立的溢水堰改造成为斜面栅格形式，并且在栅格中填充生态袋和砂石。生态袋内为芦苇等水生植物的种子。这样当雨季来临，河流水漫过溢水堰的斜面后，可以为水生植物提供良好的生长环境，达到景观绿化的效果；而进入旱季后，斜面栅格本身有一定的蓄水能力，也能满足水生植物的生长所需[3]。采用这种结构进行溢水堰改造，可以兼顾生态效益和观赏价值。河道溢水堰的断面设计见图2。

图2 河道堰坝纵向断面设计

3.2 亲水平台和堤岸结构设计

从调查情况来看，该护城河现有的几处亲水平台，都是采用直接临水的设计，由于采用的是直立式的砌墙结构，使人产生一种突兀感。基于生态河道的栅格改造，是将直立式的砌墙结构改为斜面栅格结构，并且保证斜面栅格均匀分布在人行道以外、近水面以上，利用斜面栅格结构将河面、河道以及沿河步行道连接成为有机整体，改善河道生态。栅格空间内可以填充生态袋或者普通的砂土，并且种植一些草本植物或灌木，起到绿化河岸、蓄水保土的效果。需要注意的是，亲水平台的栅格结构并不是独立的系统，而是要与岸边深层土质相互联系。这样一来，当雨季河道水位上涨时，河流水就能通过栅格空间向深部土层渗透，起到补充地下水的效果；在进入旱季以后，亲水植物则可以从深层土壤中吸收水分维持自身的生长。采用这种斜面栅格式的亲水平台设计，可以进一步增强亲水平台，改善了河岸景观。亲水平台以下河道堤岸的结构见图3。

图3 亲水平台以下河道堤岸横断面设计

护城河的堤岸大部分区域采用了砖砌结构，使得护坡隔水面显著增加。虽然客观上起到了疏导水流的作用，但是削弱了河道堤岸的景观效益。因此，基于生态理念对河道堤岸进行改造，应兼顾生态效益和实用功能。在现有的堤岸坡面上进行小孔径孔隙栅格化处理，使用钻机垂直于坡面钻孔，孔径为2 cm，孔深为1.0～1.2 m，孔间距为30 cm，排间距为50 cm，保证小孔均匀排列，提高美观性[4]。然后向小孔内填塞草籽，或者是种植花卉。通过合理布局，无论是在雨季高水位时，还是旱季低水位时，都能保证护城河堤岸上有可以欣赏的景观，同时发挥了生态效益、观赏价值和实用功能。

3.3 河道结构设计

该护城河的河道统一采用矩形混凝土隔水凹槽式结构，属于典型的“三面光”结构。由于混凝土本身有良好的防渗性能，因此使河道内外环境相互独立，河道可以看作是一个独立的储水系统。这种河道设计不仅导致河道底部容易出现淤积，而且不利于河流水生态的稳定性，容易出现水质变差问题。针对这一现象，基于生态河道理念对该护城河的河道进行了改良设计。具体内容如下：

首先是在河床的底部，靠近两岸亲水平台的地方，修建了栅格结构的箱状构筑物。在具体的布局上，以河道两岸为中心，依次向外延伸，直到挡土墙处。这些构筑物高低不同，呈错落分布状，并且分隔出若干深浅不同的箱状空间。可以向这些空间中人工填筑一些砂石，并根据水位的高低种植不同的水生植物。在距离堤岸较近的浅水区，可种植一些挺水植物，如荷花、菖蒲等；而距离堤岸较远的深水区，则种植一些沉水植物，如黑藻、金鱼藻等[5]。这些水生植物除了发挥美化河道经过的作用外，还能为水生动物提供栖息地，对提高河道生态系统的稳定性有积极效果。经过改造后的生态河道断面见图4。

图4 河道平面设计

在硬质河床的生态化改造中，使用栅格形式代替原来光滑的硬质河床是一种理想的选择。但是要想达到理想的改造效果，还应根据河道内水流的流速以及河水的水质等，确定栅格规格的大小。这是因为河道栅格有一定的阻水效果，如果盲目增加栅格的规格，可能会导致护城河的水流速度严重减缓，加重泥沙的沉积。如图4 所示，该护城河的河道栅格结构规划中，将河道两侧栅格的规格控制在2 m 左右，可以取得较好的综合效益。

4 结论

在生态河道治理中，推广生态河道栅格结构，可以在生态效益、观赏价值、防洪效果等方面达到统筹兼顾。生态河道栅格作为一种硬性网格结构，不仅起到了加固堤岸、保水固土的效果，而且还能在栅格内种植植物、花卉甚至是树木，发挥了景观绿化的作用，对切实改善河道整体生态有积极帮助。在河道栅格结构的规划设计与实践应用中，应做好河道沿线调查，掌握岸坡坡度、水位变化等基本信息，然后基于生态理念提出河道栅格结构的改造方案。其中，河道堤岸改造、亲水平台改造、溢水堰改造等，都是生态河道栅格改造设计的重点内容。只有进行科学的改造设计，才能保证河道栅格结构的实际应用效果达到最优。