汾河三期蓄水工程布局及设计要点
2016-04-07任敏康
任敏康
（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）
汾河三期蓄水工程布局及设计要点
任敏康
（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）
汾河太原段三期工程是汾河生态修复中的重要一环，被列为山西省重点工程。工程设计中通过防洪与景观蓄水的有机结合和生态岸墙的布置及生态材料的采用，合理解决了防洪与生态、景观的关系，对改善太原段汾河的生态环境起到了不可忽视的作用。
蓄水池；生态岸墙；行洪冲砂槽；蓄水行洪槽；格网石笼
汾河为是山西省境内黄河最大的一级支流，发源于宁武县管涔山南麓，于娄烦县静游镇流入汾河水库，出汾河水库经古交峡谷和汾河二库，由兰村出山口流经太原市城区，至万荣县汇入黄河，全长约716km，其中太原市城区段长约50km。从20世纪末开始，省水利厅和太原市先后对城区段的汾河进行了多次治理，包括汾河一、二期工程和2008年启动的汾河生态修复工程。
自2012年开始，为进一步加强汾河生态环境建设，山西省委、省政府启动实施汾河流域生态修复重大战略工程。汾河太原城区段三期工程作为汾河流域生态修复的重要组成部分，通过蓄水建设和岸边景观绿化建设，恢复汾河的自我修复能力，使汾河生态环境得到根本好转。
1 工程概况
汾河三期工程治理范围自汾河太原城区段二期工程末端继续向南延伸12km，贯穿太原市南部新区，建设主要目的是满足太原市城市防洪和推进城市发展的要求，修复汾河生态环境和周边人居环境、推进生态文明建设的要求。
本治理段河道宽度现状仅300～330m，不满足太原市100年一遇防洪要求，需进行拓宽治理。为妥善解决防洪、蓄水和绿化景观矛盾，根据现状河道地形条件及工程布置，治理后的河道为复式断面，总宽度450m，由中间320～330m宽的行洪、蓄水主槽和两侧宽80～110m二级台地组成。
2 蓄水工程布置
本治理段河道全部设计为蓄水景观，蓄水长度11.8km。为妥善解决防洪、蓄水、排沙和美化的矛盾，三期工程蓄水布置上采用行洪排沙槽和蓄水行洪槽分开的分槽蓄水方案。为达到大水面蓄水的景观效果，通过抬高水位把排沙槽与蓄水槽之间的中隔堤淹没在水下，可形成全槽蓄水的效果。
根据《太原市水上运动中心规划设计条件》，水上运动比赛航道宽230m、直线段长度2.3km、水深3m。从汾河三期工程的总体布置及河道走势看，经1号池小店桥—拟建的10号线桥段满足2019年全国青运会水上运动比赛场地的要求，由此综合确定分为2个蓄水池。1号蓄水池位于祥云桥下游500m—10号线桥下游300m处，长7.4km，宽300～338m，设计蓄水位775.7m，水深1.9～6.7m。2号蓄水池位于10号线桥下游300m处—治理段末端，长4.4km，宽328～338m，蓄水位772.0m，蓄水深3.0～5.6m。
3 蓄水池设计要点
3.1 蓄水池水位确定
汾河三期蓄水的主要目的是改善水环境、营造水景观及满足水上比赛场地，因此蓄水池水位的高低主要由景观和使用功能控制。
3.1.1 补水周期的制约
山西属严重缺水地区，蓄水池的水面景观完全依赖补水维持，根据一、二期工程多年运行经验，近期主要利用灌溉期汾河二库放水进行补水，一般一年补水2～3次。远期，根据《汾河流域生态修复规划》，2020年太原市生态补水量为7411万m3，2030年生态补水量为7943万m3，可作为汾河三期工程的长期补水水源。
近期为避免蓄水池因补水不及时而出现露底现象，影响景观效果，根据工程运行经验，经研究论证，蓄水池最小水深（位于坝后）按不小于1.2m控制。
3.1.2 太原市水上运动中心航道制约
本工程采用分槽蓄水方案，为满足景观要求，避免已建主槽护岸露出水面而将其分隔成两个小水面，蓄水池水位确定原则为：已建主槽护岸顶的最小淹没水深不小于0.5m，同时满足2019年全国青运会水上运动比赛场地的要求。水上运动场地宜布置在桩号4+ 750（小店桥下游）—桩号7+050（规划的10号线桥上游）之间的1号蓄水池内。
综合考虑以上因素，汾河1号蓄水池蓄水位775.7m，现有主槽蓄水深1.9～6.7m，东侧滩地（南环高速至小店桥）水深2.4～6.7m，西侧滩地（南环高速至小店桥）水深1.5～4.3m，池长7.4km；2号蓄水池蓄水位772.0m，现有主槽蓄水深3.0～5.6m，东侧滩地蓄水深3.0～5.6m，西侧滩地蓄水深0.5～3.1m，池长4.4km。
3.2 蓄水池生态岸墙设计
为满足生态性要求，岸墙以生态土堤为主。
生态土堤设计为复式断面：上部边坡1∶5，下部边坡1∶2，中间设5m宽的安全平台衔接，平台位于正常蓄水位以下0.8m，为安全水深。
岸墙上部坡高1.6m，其中设计水位以上超高0.8m，坡面采用格网石笼覆土防护，结构层自上而下依次为0.3m厚种植土、0.3m厚格网石笼、0.2m厚碎石垫层和反滤土工布。
岸墙下部台阶式护岸高（自河底算起）0～5.9m，采用5m×2m×0.5m格网石笼砌筑，为岸面台阶式，即临水侧为高0.5m、宽1m的台阶，基础埋深1.0～1.5m。
宽度5m、水深0.8m的衔接平台，既是亲水、近水的安全水域，也可减少在蓄水池补水不及时、水位降落后，直墙露顶对景观形成不利影响的几率。平台采用0.3m厚格网石笼防护，下层依次设0.2m厚碎石垫层和反滤土工布。
采用此复式断面具有以下优点：一是上部采用1∶5缓坡视觉景观效果好，利于堤坡绿化和人们在坡上活动、亲水等，利于水、陆交错带生态系统的发育，利于陆生、水生动植物的生活迁移，将平台和蓄水池连成一个有机整体。二是下部1∶2边坡采用台阶式护岸并淹没于设计蓄水位以下，型式为格网石笼重力墙，柔性孔洞结构，利于动物栖息、产卵和避难，利于微生物种群的繁殖。三是冬季采用低水位运行时，下部设置柔性台阶式结构较易适应冰胀压力，可避免在斜坡上形成冻胀切向上推力破坏表面护砌，适应冬季运行要求。四是设置中间平台既可形成5m宽的浅水域湿地景观，丰富景观多样性和层次感，又可保证近岸亲水的安全。
3.3 生态护坡材料选用
根据地勘报告，汾河内水质具有一定的腐蚀性，通过汾河二期工程多年的运行经验可知，镀锌网材的抗腐蚀性较差，已多处生锈，故三期格网石笼网材采用抗腐蚀性较好的锌－5%铝镀层钢丝。
格网石笼护坡优点：格网石笼为柔性结构，对地基的适应性强，地基处理费用低；格网石笼的网材为专业生产厂家成品供应，质量有保证；不需要胶结材料，施工不受雨雪天及气温的限制，且施工工艺简单，施工速度快；有空洞结构，对鱼、蛙等水生动物产卵、越冬、微生物的繁殖以及水生植物的生长均有利，属生态型结构；孔隙较大，排水条件好，适应抗冰冻和冻胀性能好，且有消浪作用，可减小波浪爬高。
缺点是：工程造价相对较高，0.3m厚格网石笼护坡单价约90～110元/m2；所用石料尚需通过开山供应，对生态保护有一定的副作用；坡上草种植初期或生长不好区域，坡面覆土易被雨水侵蚀和风浪淘刷。
3.4 防渗体系设计
三期工程地处汾河主河道，以不良砂透水地层为主，中间夹有相对稳定的隔水层，需进行封闭防渗处理。经水平黏土防渗和垂直防渗比较，采用水泥土地连墙垂直防渗方案。
蓄水池防渗体系采用垂直防渗墙和暗涵组合的型式，在平面上防渗墙与暗涵错开布置，设置在暗涵的内侧（临水侧），并在暗涵内侧齿墙上铺设宽9.2m、厚1m的黏土层与防渗墙连接，形成防渗墙—暗涵防渗体系。
垂直防渗墙底伸至相对不透水层内0.5m，但以不穿透隔水层厚度为前提，防渗墙顶至水平黏土层顶面。防渗墙采用多轴搅拌水泥土地连墙施工工艺，墙厚20cm，固化材料采用普通硅酸盐水泥。根据工程经验，结合本工程地层特点，墙体抗压强度不小于0.5MPa，压缩模量不大于1000MPa，渗透系数不大于A×10-6cm/s（1 因北方大多河道常年无基流，生态环境极差。通过河道蓄水景观和湿地景观及生态堤岸的建设，可改善生态环境，促进生态系统良性可持续发展。本蓄水工程的设计与实施地区为北方缺水提供了宝贵的治理经验，具有一定的推广意义。 TU991.34 ［ ］C ［ ］1004-7042（2016）10-0032-02 任敏康（1976-），男，1999年毕业于武汉水利电力大学水利水电工程专业，高级工程师。 2016-08-17； 2016-09-204 结语
