汾河萬榮段左岸生態護坡試驗段設計

張 瑞

(山西水務工程建設監理有限公司，山西 太原 003000)

1 工程概況

汾河是山西省最大的河流，是黃河的第二大支流，東西方向寬188km，南北方向長412km，為南北向狹長型流域。為加強汾河的生態環境保護，山西省全面啟動了汾河流域生態保護修復工作。截至目前，修復工作基本保障了汾河干流枯水期生態流量不小于15m3/s，汾河入黃口廟前國考斷面水質退出了劣Ⅴ類，初步實現了“水量豐起來、水質好起來”。但是離“風光美起來”和水生態良性循環的目標仍然有不小差距。

汾河從上游河津縣西梁村進入萬榮，經裴莊光華榮河3個鄉鎮37個村莊，至廟前匯入黃河，萬榮境內長約28.4km。河道左岸為土山崖，右岸為河灘地。灘地內均為已開發的農田，田內布置有水井及管灌設施。西范至南百祥河段，右岸灘地內有分散而不集中的民房。河道兩岸缺少必要的生態防護林帶，尤其是河道左岸坡面溝壑縱橫，黃土裸露嚴重、植被稀少，缺少必要的生態防護措施，很容易造成坡面坍塌，形成大面積水土流失[1-2]，不符合黃河流域生態保護和高質量發展戰略。為加強汾河萬榮段的左岸堤防度汛和生態防護，對相應段坡面采用生態防護工程措施成為當務之急。

2 水文地質條件

汾河流域多年平均降水量為504.8mm，降水年際變化較大，年內分配不均勻，汛期和枯水期界限分明，年頭與年尾降水量最少，7—9月降水集中。由于萬榮縣春季干旱多風，夏季炎熱多雨，因此，降水集中的3個月，占全年降水量的39%。流域年降水量變化梯度大，由南向北銳減。區域內地表水主要為黃河、汾河河水，屬于常流水，流量較大，季節性變化明顯，雨季洪水暴漲，水位及流量變化較大。

汾河萬榮段內，地勢總體上呈東高西低，南高北低，以臺狀黃土高原地貌為主。萬榮縣最高點為孤峰山，海拔標高1411m，全縣最低點為黃河谷地，海拔標高354m。項目區地貌單元主要為河谷沖積平原區。路線經過地段，最高點374.98m，最低點360.00m，相對高差14.98m?？辈靺^出露巖性以堤壩填土及第四系粉土、細沙為主。邊坡黃土具有濕陷性，做生態防護時，應考慮濕陷性影響[3]。

3 生態護坡試驗段設計

3.1 工程總體布置

生態坡面長1.5km，治理面積15.06萬m2。目前，左岸坡面屬于黃河溝壑沖刷區，部分地段屬于陡崖坍塌區。本次生態防護根據沿線溝壑地形情況，因勢利導。對左岸直立陡峭、土層裸露的坡面，采用大水平階、分級降坡進行生態防護。

對陡峭坡面，坡面打孔植草(紫穗槐)，每層臺面栽植多種有色喬灌木，營造自然寫意的多彩混交林格局；防止對坡面的沖刷。沿黃路與坡面交匯處部分地段為陡立臺地，臺地地質易沖刷、垮塌，離公路較近。為了保護沿黃路的行車安全，本次對陡立地段設置漿砌石擋土墻[4]，予以護砌。對有植被覆蓋的陡坡，優先采取封育措施恢復植被，不搞大規模修整，避免人為干擾破壞坡面土層穩定性。對較緩坡面，采用布置魚鱗坑。

3.2 工程設計

針對生態坡面，進行生態防護規劃與設計。其中，修建砌石擋土墻800m。栽植各類苗木254787株，常綠植物7976株，占喬灌木數量的51.8%；色葉及花灌植物7411株，占喬灌木數量的48.2%；打孔種植紫穗槐239400株(水平階坡面高度大于3m；種植紫穗槐，9株/m2)；植草毯(摻紫花苜蓿約35011m2)；灌溉系統5處，提水井5座，DN100鍍鋅鋼管761m，DN50尼龍軟帶2000m。

根據坡面現狀，坡面治理設計共采用了2種工程措施：①對陡峭坡面小于1∶0.5的，進行分級降坡，采用水平階設計；②對較緩坡面大于1∶0.5的，采用魚鱗坑設計[5]。

3.2.1 坡面大水平階設計

水平階整地臺面1.6m×1.0m區域種植，0.6m距離為土埂。部分水平階臺面寬度根隨現場條件進行調整。地面反坡3°～5°，坡面坡比為1∶0.6?，F場施工時，采用小型挖機施工。若山體底部土質有沙化現象，與水平階對應的坡面，植入紫穗槐(地徑不小于0.3cm，裸根)。坡面水平階形成后，對坡面的雨水進行復核計算。洪水重現期為10年(P=10%)，暴雨洪水計算如下。

(1)暴雨量

萬榮縣最大24h暴雨均值(H24)為70mm，偏差系數CV=0.5，CS=2.5CV；模比系數K10%=1.67。計算公式[6]：

H24·10%=K10%·H24

(1)

式中，H24·10%—頻率為10%的24h暴雨量，mm；K10%—頻率為10%的皮Ⅲ型曲線模比系數；H24—最大24h暴雨均值，mm。則H24·10%=1.67×70=116.9mm。

(2)洪峰流量

計算公式：

Qp=C1·H24·P·F2/3

(2)

式中，Qp—頻率為P的洪峰流量，m3/s；C1—洪峰地理參數；H24·P—頻率為P的24h暴雨量，mm；F—控制面積，km2；由1∶2000地形圖查得，控制單位流域面積為F=1km2為黃土溝壑為P=10%地理參數為0.06。經計算Q10%=9.48m3/s。

(3)洪水量

計算公式[7]：

WP=1000Hp·F

(3)

式中，Wp—洪水總量，m3；Hp—某頻率不同時段(24、12h)暴雨所產生的徑流深，mm；F—流域面積，km2。當P為P10降雨量116.9mm的黃土溝壑區的徑流深25mm。則W10%=1000×25×1=25000m3；每平方雨量P10=25000m3/(1000m×1000m)=0.025m3/m2。按黃土溝壑區徑流系數ψ=0.16，產生徑流量0.004m3/m2。

1個臺階坡面，每米產生徑流：3.4m2×4L/m2=0.0136m3。鑒于上述徑流雨水情況，坡面水平階均考慮蓄水保墑措施，即在每條水平階，設高25cm，頂寬30cm，底寬60cm，內、外擋水土埂坡比1∶0.5，達到保水、保墑，防止坡面雨水沖刷的效果[7-8]。

3.2.2 魚鱗坑設計

魚鱗坑每坑平面呈半圓形，長徑0.8m，短徑0.6m；坑深0.5m，坑內取土在下沿作成弧狀土埂，高0.3m(中部較高，兩端較低)。在坡面基本上各坑沿等高線布設。根據設計的行距和株距，確定設置的魚鱗坑間隔3.0m左右，以金葉榆、金葉槐等植物按比例混交種植，其中常綠60%，灌木40%，為荒坡增綠添彩，兼顧四季生態效果。

3.2.3 提水灌溉工程設計

本次沿汾河左岸坡面共設置提水灌溉泵站5處，提水井5座，DN100鍍鋅鋼管761.0m，DN50尼龍軟帶2000m，根據地形分區域各站點設置灌溉系統，水源利用現有沿黃旅游路沿途水源井，可就近接入水源，經提水泵站，加壓至灌溉區域頂部已埋設的PE塑料水箱。每個灌溉提水工程包括3項。

(1)頂部地埋式PE塑料2個水箱：長4.0m，寬2.0m，壁厚10.00mm，容積10m3。提水管兼為灌溉管，即在提水的同時，沿坡面每10.0m處設置DN50三通出水口，并安裝閘閥。在上水的同時，可選擇2～3個出水口，用Φ50灌溉尼龍軟帶進行灌溉，多余水量暫可上水到PE塑料水箱內。

(2)DN100鍍鋅鋼管，壁厚3.75mm，管道承受水壓力2MPa。

(3)提水泵站。泵站主要包括3部分。

①水泵井。因場地限制，需新建水泵井以滿足水泵提水要求。場地不宜大開挖，采用沉井施工方法。沉管工作井，采用DN1500mm的鋼筋混凝土管，壁厚150.00mm，沉井深4m。泵井墊層采用砂礫石墊層，厚0.3cm，底板采用現澆C20混凝土，厚0.2cm。水井水源引此道路沿線水井水源，采用Φ125PE塑料引水管，壓力0.6MPa，每處長200.0m。

②提水泵井臺。井臺是保護工作井的重要設施，承受井泵自重及運行荷載，又是檢修搭卸全部機泵的工作場地。因此，設計井臺直徑2.40m，高0.44m，采用C25混凝土現澆。井臺表面與工作井高度一致。

③下臥安裝坑1座。安裝坑砌磚結構，尺寸：3.78m×3.28m×1.30m(長×寬×深)，高出地面0.20m。墻采用M7.5水泥砂漿砌磚厚24cm，頂板采用預制C25鋼筋混凝土蓋板，并預留DN700檢修孔，井口蓋板采用φ700鋼纖維混凝土井蓋，底板基土夯實后，采用現澆C20混凝土厚10cm。井壁內壁采用1∶2水泥砂漿抹面?？觾仍O置DN100止回閥1個，DN50進排氣閥1個。

一般，灌溉接水口沿提水管10m管長，設置一個DN50閘閥。閘閥型號Z41H-16C(不銹鋼材質)。每個供水點備用Φ50左右灌溉尼龍軟帶，兩側200m×2=400m，承受水壓0.5MPa。

3.2.4 水泵站泵性選擇

水泵揚程確定計算公式：

H=HD+∑h

(4)

∑h=∑he+∑hm

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，HD—地形高差，m；∑h—水泵總水頭損失，m；h—井外管段水頭損失，m；∑he—各管段沿程水頭損失之和，m；e—各管段序號；∑hm—各管段局部水頭損失之和，m；m—各管段局部序號；L—管路長度，m；ξ—局部阻力系數，0.75；v—管中水流速度，m/s；Q—設計流量，m3/s；D—管道管徑，mm。水泵選型計算結果見表1。

表1 水泵揚程參數表

3.2.5 漿砌石擋土墻工程

沿黃路與坡面交匯處部分地段為陡立臺地，臺地地質易沖刷、垮塌，離公路較近。為了保護沿黃路的行車安全，本次對陡立地段設置漿砌石擋土墻800m，予以護砌。

漿砌石擋土墻設計。擋土墻，采用M7.5水泥砂漿砌磚，基礎深80cm，地面上部高2.08m，頂寬0.50m，底寬2.05m，頂部采用厚80cm現澆C25混凝土壓頂，內外坡比均為1∶0.2。

水泥砂漿砌石砌筑總的要求是將清洗石料表面污泥，灑水充分濕潤，用坐漿法分層砌筑。砂漿厚3～5cm，標號為M7.5水泥砂漿，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，隨鋪漿隨砌石，砂漿滿鋪。砌體應分層砌筑，砌體較長時，可分段分層砌筑。分段位置，設在伸縮縫處，漿砌石應每15m設1道伸縮縫，縫寬2cm，填縫材料為聚乙烯閉孔泡沫板，并用雙組份聚氨酯密封膏封口。

3.3 生態防護種植施工

(1)植物配置為生態的重要組成部分。為達到良好的即時效果，植物配置需要嚴格按照要求進行施工。圖紙設計說明作為驗收的標準，施工單位需要按要求執行，保證效果。

(2)具體施工要求。施工前，應在本設計中植物保留區標明需保留的植物，并采取相應措施。植物類型及生長最低種植土層厚度，表2規定，施工方應對現場使用的種植土進行土壤化驗分析。

表2 植物生長最低種植土層厚度統計表

重要苗木選苗標準。為了保證栽植后的成活率及生態效果，建議選用移栽苗。一般，喬木選擇樹干挺直，無明顯機械損傷，樹冠豐滿，枝條勻稱，常綠樹葉色正常，根系發育良好、無嚴重病蟲危害。大型灌木選擇根系發達，生長茁壯，灌叢勻稱，枝條分布合理。

喬木土球規定。一般高度為土球直徑的2/3左右，要包住大部分根系，當土球直徑大于1.8m時，就要考慮打箱板進行土球的移栽。灌木土球規定蓬徑30～40cm，土球20cm；蓬徑50～70cm，土球30～35cm；蓬徑80～100cm，土球40cm；蓬徑110～130cm，土球50cm；蓬徑140～160cm，土球60cm；依此類推。種植穴尺寸，根據土球規格及根系情況確定，直徑應比苗木土球大40cm，深20～40cm。

苗木種植前，為了運輸及減少水分損失，應對苗木進行適度修剪，必須保留2/3以上葉片(反季節施工保留1/3以上葉片)，不得截桿、短截、重剪，不得殺平頭式修剪，剪口保證整齊平面，涂抹防腐劑鎖住水份防止過分蒸發干死。

苗木栽植挖穴規格，必須嚴格要求。種植穴直徑，應根據施工圖中對土球、樹穴的規格規定執行。種植苗木的自身，應保持與地面垂直，不得傾斜(特殊要求苗木除外)。種植時，應注意苗木的長勢較好的側面對人觀察視線正方向。每棵樹橫平豎直，縱向樹成行，即與護岸工程平行，成規則排列，三點不得成行，不得成等腰三角形。喬木種植完畢后，樹穴處禁止有饅頭狀凸起。

4 結語

汾河萬榮段左岸生態護坡試驗段已投入運行3年，經歷幾個汛期的高水位考驗。護岸工程運行各項指標，符合設計要求。實踐證明，采用前述技術措施，科學合理。在生態防護的基礎上適度合理利用現有條件，改善環境質量，要進一步優化工程布局，加強汾河河道岸線管理[8]，因地制宜，采取水土保持措施等進一步恢復地表植被，符合工程質量的環保要求[9-11]。項目將為人們親近自然、擁抱自然、享受自然營造生態新空間。后期運行管理單位在構建更為完善的生態系統修復、保護和管理的體制機制等層面，期待分享經驗。研究為汾河流域實施生態保護修復提供可借鑒、可復制、可推廣的“汾河生態治理經驗”。