河道整治工程護坡型式綜合比選模型構建及分析研究

余 旭

(江蘇昌源水利工程咨詢有限公司,江蘇 靖江 214500)

0 引 言

隨著社會的發展進步,河流生態系統的規劃和建設越來越受到重視。傳統的河道治理工程措施,多采用混凝土、水泥和石料等硬質材料進行護坡,使河岸邊坡穩定得到明顯改善,對洪水、排澇、土壤侵蝕的控制作用較為顯著[1-2]。但大面積的剛性護砌面阻礙了水體與土壤之間的物質交換,對河流生態系統造成破壞,還不具備凈化水質的功能。而且,河流中的水生生物喪失了所依賴的生境,導致河流的自凈能力減弱,水質惡化嚴重。

而生態護坡兼具護坡功能,以及維護河道生態系統平衡的功能。其在保證河道邊坡穩定性的前提下,通過植被重建,來提高河道的自我修復與凈化能力。如何達到河道生態護坡的目的,已經成為國內外河道治理工程中的一個重要方面[3-4]。新時代水利發展對水利工程建設提出了更高要求,不僅要考慮工程可靠性、經濟合理性和技術可行性,還要考慮生態環境和可持續發展要求。因此,在河流治理工程中,應從設計階段開始,注意以生態學的觀念來維護河流的生態環境,維護河道的生態平衡[5]。

本次研究對河道的生態護坡類型及特點進行深入分析,在此基礎上,構建相應的河道整治工程護坡型式綜合比選模型。研究旨在基于模型,比選出最具有效益的生態護坡型式,并為堤防工程中生態護坡技術的有效應用提供有效的借鑒。

1 河道整治工程護坡型式綜合比選方法及模型構建研究

1.1 研究區概況

構峪河是渭河南山支流,河流出峪口后地勢平坦,綜合治理河道長5 135.49m,大體分兩段。第一段為構峪河隴海鐵路橋至老西潼公路橋處,治理護岸總長2 525.37m,簡稱上游段;第二段為老西潼公路橋至構峪河入二華排水干渠交匯口區間,治理河道長2 621.12m,簡稱下游段,為地上懸河。該治理工程主要是將治理河段堤防的防洪標準提高至20年一遇,堤防工程級別為4級。

該工程所面臨的主要地質問題為堤基與岸坡的穩定性、岸坡受到河水的沖刷,以及岸坡的滲流與變形等。沿江河岸坡地多為軟弱泥質土區或疏松砂壤土區,抗沖刷性能較差,必須進行防沖刷加固。特別是在水位變化區、河床彎道等處,應采取相應的護坡措施。根據該工程施工情況,可根據生態、景觀和可持續發展的原則,進行河道生態護坡的選擇。在護坡工程中,應盡可能選用淺水區的護坡方式,使其能完全滿足防堤的沖刷和穩定性要求,以確保堤壩沿岸的封閉性;堤基的埋設深度應滿足堤基的應力、抗沖刷和凍土的要求;建筑設計應當盡量達到外觀美觀、經濟合理,以及方便施工等要求。

1.2 河道整治工程護坡型式綜合比選指標體系設計

生態護坡是一種以生態保護為目的,將工程力學、生態學、植物學等學科知識與技術相結合,形成工程與植物相結合的復合護坡體系[6]。大型河道整治工程生態護坡綜合評價指標體系包括幾個方面:首先需要滿足其結構的穩定性及抗沖刷能力的要求,這也是評價指標選擇的依據。其次,還需考慮生物多樣性與生態功能等要素,以便形成完整的河流生態系統。然后需要在一定的時間尺度上,反映出坡面的效益。最后,由于評價設計較多的指標,因此需要對其進行量化處理。而對于無法量化的指標,則需要進行定性分析。所以,應當將定量與定性指標相結合,使得結果更具合理性?；谝陨显瓌t,研究構建的河道整治工程護坡型式綜合比選指標體系見圖1。

圖1 河道整治工程護坡型式綜合比選指標體系

由圖1可知,在大型河道治理工程中,對生態護坡類型的選擇標準從結構特性、經濟特性、施工特性和生態特性4個方面進行分析。結構特性是指護岸能否達到結構的穩定性,包含護岸的防洪排澇能力,護岸的穩定能力和抗沖刷能力[7]。經濟特性是指護坡工程的建設成本,包含護坡工程的建設周期、護坡工程的后期維修成本和運行壽命。施工特性是指護坡本身從無到有的難易性,包括建設、養護等方面的困難程度。生態特性是指護坡對周邊生態環境所產生的效果,包含親水與涵養、水文調蓄、水土保持效果等多項指標[8]。

結構特性又被分為4個評價指標,分別為防洪、排澇、穩定性、抗沖刷性。其中,純植被型護坡僅能利用植物的力學作用和水文效應,對土體進行固結,保持水土,阻止水土流失,進而改善坡面穩定性。該類型護坡可采用極限法中的條分法進行計算,該理論可獲得土的抗剪強度計算表達,公式如下:

τf=c+σtanφ

(1)

式中:c為滑動面上的法向應力;σ為土的黏聚力;φ為土的內摩擦角。

研究采用瑞典條分法對土體穩定安全系數進行計算,土坡沿某滑裂面滑動的安全系數公式如下[9]:

式中:W為土條的自重;αi為土條與法線之間的夾角。

通過對邊坡滲流場的計算,得到邊坡滲流場的分布規律,為邊坡失穩分析奠定了基礎。其次是確定出逸剖面的滲透坡度,判斷出逸剖面有無滲透破壞。在進行滲流計算時,必須考慮滲流的穩定性,其計算公式如下[10]:

式中:k為滲透系數;T為滲流線達到背水層坡腳處的時間;n、n0分別為孔隙率和有效孔隙率;Sw為飽和度;H為最大降距。

采用主動土壓力法進行擋土墻穩定性分析,將推動建筑物或結構運動的土質作用力轉化為主動土壓力[11]。而工程生態綜合型護坡既有純粹的植被類型,又有植物與工程類型相結合的優勢。因此,其穩定性系數可以由計算得到,然后對結構穩定進行全面分析。護坡材料的耐久性是其抗沖刷性的重要指標;抗壓強度和抗凍性則是其抗侵蝕性能的重要指標?？筛鶕嘘P規定,采用實驗室試驗的方式,測定混凝土的抗壓強度及抗凍性。

1.3 河道整治工程生態護坡型式綜合比選評價模型構建

在河道治理工程中,運用生態護坡技術,可以在確保河岸坡度安全和穩定的前提下,對河岸坡度進行生態修復,增強水體的自凈能力,同時還可以改善河岸的水景觀。圖2為河道生態護坡型式的主要類型及其特點。

圖2 河道生態護坡型式主要類型及特點

由圖2可知,河道生態護坡型式主要包括純植被型護坡、植被結合工程型護坡、工程生態綜合型護坡。純植被類型護坡利用植物來維持河岸的天然特征[12],該類型護坡一般用于坡面比較平緩、內陸面積比較大的河段。植被結合工程型護坡除了種植植物外,更多的是采用自然物質來加固斜坡及底面,如在斜坡上安放漿砌塊等。這種形式的護坡一般用于陡峭的岸坡,或者要求具有較大抗沖能力的河段。工程生態綜合型護坡是以植物與工程型護坡相結合,并使用預制混凝土塊或鋼筋混凝土等材料,以保證其抵御洪水的穩定性。這種方法通常適用于對洪水有較高的要求,或對河流地質條件比較復雜的地區。

根據河道整治工程護坡型式綜合比選指標體系,對護坡型式綜合比選指標進行定量與定性評價。首先對于穩定性指標,用K表示穩定系數:K<1,代表結構不穩定;K=1～1.4,代表穩定性較差;K=1.4～16,代表穩定性一般;K=1.6～1.8,代表穩定性較好,K>1.8,代表穩定性極好。對于抗沖刷性,用基于沖刷面積百分比進行判斷:45%代表抗沖刷性極差;35%～45%代表較差;25%～35%代表中等;15%～25%代表較好;小于15%代表極好。建設費及后期維護成本指標量化的評判依據是項目成本,或者每件產品的單價和維護所引起的成本進行評價。

用k表示透水率(cm/s):k<10-7,代表透水率極差;10-7≤k<10-5,代表較差;10-5≤k<10-3,代表中等;10-3≤k<10-1,代表較好;k≥10-1,代表極好。水質凈化指標反映了坡面的凈化效果,不同類型和材質的坡面凈化效果差異較大。常用的方法是將污染物的凈化效果量化,通過對污染物的脫除率進行定量分析。植被在坡面上所占的比例低于55%,即為蓋度較差;在55%～65%屬于劣質;65%～75%為中度;75%～85%為最佳;覆蓋率為85%～100%,說明覆蓋率較好。當植物外觀開始變黃或變綠時,開始計算。對于需要定性評價的指標,則用2～10的等級打分來表示指標的性能。

研究將綜合評判指標與灰色關聯度方法相結合,對生態護坡體系進行綜合評判,并采用層次分析法對權重進行賦值。圖3為河道整治工程生態護坡型式綜合比選評價模型。

圖3 河道整治工程生態護坡型式綜合比選模型

由圖3可知,該模型的流程為:建立綜合評價指標體系以及構造判斷矩陣;計算矩陣中相應的特征向量;通過一致性檢驗,調整該判斷矩陣;經過調整后,利用層次分析法計算指標的權重;采用綜合評價指數法和灰色關聯度法,對生態護坡系統進行綜合評價,對指標值進行歸一化處理;在得出各指標的權重平均值后,與各指標進行比較;最后通過對各評價指標的權衡,對各護坡方案進行比較。

2 河道整治工程護坡型式綜合比選分析

研究選取預制聯鎖塊護坡等5種具體型式的生態護坡進行比選。其中,工程生態綜合型護坡選擇生態混凝土護坡參加比選。表1為5種護坡型式各項指標計算結果。

表1 5種護坡型式的各項指標計算結果

通過專家打分形式的模糊統計法,對定性指標進行定量化研究。將10位專家的打分情況進行分類匯總,計算每種型式定性指標的平均值,結果見圖4。

圖4 定性指標專家打分結果

由圖4可知,在型式1中,防洪與排澇指標的得分最高,均為8.57分;生物多樣性與可持續性得分均小于3分,分別為2.57、2.86分。整體上,型式1的各項定性指標的綜合平均分值為5.617 5分。在型式2中,施工速度指標的得分最高,為6.86分;施工對環境影響的得分均最低,為4.57分。整體上,型式2的各項定性指標的綜合平均分值為4.592 5分。在型式3中,水土保持效益指標的得分最高,為8.57分;施工對環境影響的得分均最低,為5.43分。整體上,型式3的各項定性指標的綜合平均分值為7.262 5分。型式4中,生物多樣性指標的得分最高,為8.00分;施工對環境影響的得分均最低,為4.00分。整體上,型式4的各項定性指標的綜合平均分值為6.547 5分。在型式5中,施工材料的易得性指標的得分最高,為8.29分;施工對環境影響的得分均最低,為4.86分。整體上,型式5的各項定性指標的綜合平均分值為6.88分。綜上可知,型式3的綜合得分最高。

圖5為護坡型式比選評價系統的綜合評價指標值。

圖5 護坡型式比選系統綜合評價指標值

由圖5(a)可知,護坡型式1的比選系統評分最高的指標為穩定性(A3),為10;該護坡比選系統的綜合評分為4.803。由圖5(b)可知,護坡型式2的比選系統評分最高的指標為建設及后期維護費用(B1),為10;該護坡比選系統的綜合評分為6.610。由圖5(c)可知,護坡型式3的比選系統評分最高的指標為穩定性(A3)和透水性、涵水性(D1),為10;該護坡比選系統的綜合評分為7.123。由圖5(d)可知,護坡型式4的比選系統評分最高的指標為水土保持效益(D3),為8.29;該護坡比選系統的綜合評分為6.363。由圖5(e)可知,護坡型式5的比選系統評分最高的指標為透水性、涵水性(D1),為10;該護坡比選系統的綜合評分為6.65。綜上可知,護坡型式3的比選系統較好。

圖6為綜合評價指數法評價結果分析。

由圖6可知,護坡型式1的結構特性準則評價指數最高,為3.780;施工特性準則評價指數最低,為0.372;該類型護坡的評價準則平均指數為1.391。護坡型式2的結構特性準則評價指數最高,為2.852;施工特性準則評價指數最低,為0.372;該類型護坡的評價準則平均指數為1.642。護坡型式3的結構特性準則評價指數最高,為3.750;施工特性準則評價指數最低,為0.374;該類型護坡的評價準則平均指數為1.928。護坡型式4的結構特性準則評價指數最高,為3.085;施工特性準則評價指數最低,為0.346;該類型護坡的評價準則平均指數為1.654。護坡型式5的結構特性準則評價指數最高,為3.388;施工特性準則評價指數最低,為0.462;該類型護坡的評價準則平均指數為1.738。

綜上可知,在經濟特性與施工特性方面,護坡型式3的指數相較于其他4種護坡均要高。因此,該工程的最優方案為護坡型式3,即生態混凝土護坡。

3 結 論

本文通過對生態護坡的分類,建立了河道整治工程護坡型式綜合比選模型,利用AHP法確定權重,采用兩種評價方法相結合的方法,對該綜合比選模型進行了評價分析。并以構峪河河道護坡建設工程為比選的對象,結果顯示,在型式3中,水土保持效益指標的得分最高,為8.57分;各項定性指標的綜合平均分值為7.262 5分。護坡型式3的比選系統評分最高的指標為穩定性(A3)和透水性、涵水性(D1),為10;該護坡比選系統的綜合評分為7.123。護坡型式3的結構特性準則評價指數最高,為3.750,該類型護坡的評價準則平均指數為1.928。綜上可知,該工程的最優方案為生態混凝土護坡。