云南省镇康县南伞河水生态综合治理关键技术研究

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  摘要:云南省镇康县开展了南伞河水生态综合治理工程,通过河道治理、截排污、景观提升等综合治理措施,打造“河畅、水清、岸绿、景美”的南伞河。对综合治理措施中涉及的大跨度景观坝软基处理和结构设计、城区段河道清淤方法、河湖连通和水体置换关键技术问题进行了重点分析和研究,并成功运用于工程的相关设计和施工中。南伞河水生态综合治理工程的完成,彻底改善了镇康县城的水环境和人居环境,取得了较好的社会效益及生态效益。南伞河的水生态综合治理经验对类似城区段河道水生态综合治理具有一定的借鉴意义。
  关键词:水生态综合治理;景观坝;河道清淤;河湖连通;南伞河;云南省
  中图法分类号:X522
  文献标志码:A
  DOI: 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.08.叭5
  长期以来,随着我国社会经济和城镇化的快速发展,城市河道出现水资源短缺和水质恶化等一系列问题。因此,需要从源头上扭转城市河道水生态环境恶化的趋势,使传统水利向生态水利转变,在更深层次推进水生态文明建设,促进人水和谐,保证城市可持续发展。
  河道作为城市水生态综合治理的核心,国内外研究学者对此进行过很多深入研究,取得了丰富的研究成果[1-7],并成功应用于实践。本文主要对云南省镇康县南伞河水生态综合治理措施进行探讨和研究。
  1 南伞河水生态综合治理措施
  镇康县地处云南省西南部、临沧市西部,县城驻地南伞镇为国家2类口岸,距临沧市242 km,距昆明678 km。南伞河属怒江水系的南汀河流域,发源于南伞镇西南山区,干流长17.3 km,径流面积80.3km2,地处岩溶地区,上游为南伞水库,自县城北边人城后绕镇康县城东南边山脚进入缅甸。
  南伞河水生态的现状及存在的主要问题如下:①南伞河上游植被覆盖较差,水土流失严重,存在河道淤积问题;②河道存在落水洞,在枯期易出现河道断流;③老城区两岸截排污系统不完善,污水废水直排人河,造成水污染,枯期水浊;④景观方面,水系形态、景观步道形态、两侧绿地功能、植物品种和色彩等较为单一,主题文化和景观配套设施缺失。
  基于河道现状及存在的问题,南伞河水生态综合治理措施主要包括:①对南伞河城区段河道桩号k1+260 -k4+891河道清淤,上善湖和知行湖新增浆砌石堤岸,知行湖落水洞改造成六边形落水洞溢流堰,达到“河畅”效果。②完善南伞河老城区段截排污管网系统,右岸南伞镇人民政府旁至民族街之间新增铺设DN500预制混凝土管600 m,污水最终排至污水处理厂,处理达标后排放,达到“水清”效果;新建景观坝和钢坝,对水体曝气补氧,并在河道中形成大水面;融人镇康当地的民族历史文化,打造“同心湖、上善湖、知行湖”3个人工湖水景观,同时进行同心湖至坚果园之间河道两侧的绿化、亮化和健康步道拓宽工程以及坚果园工程,达到“岸绿、景美”效果,整体提升县城景观。③加强水管理和水资源保护,推行河长制,搭建河长制信息化系统平台。南傘河城区段水生态文明建设平面布置见图1。
  2 南伞河水生态综合治理关键问题
  在水生态综合治理措施中,大跨度景观坝软基处理和结构设计、城区河道清淤方法、河湖连通和水体置换是工程实施的难点及重点,本文对其进行了详细探讨和分析。
  2.1 大跨度景观坝基础处理和结构设计
  钢坝主要由土建部分、底轴、钢闸门和驱动装置等组成[8-9],适用于河道宽(5~ 100 m)而水头差比较小(1~6 m)的工况,钢坝卧坝排洪,立坝蓄水,顶部溢流时可形成人工瀑布。景观坝是在钢坝的顶部位置设置喷水装置,形成喷泉效果,再结合灯光、音乐装置,使其具有蓄水防洪和水利风景区功能。作为一种正在推广和运用的新坝型,景观坝结构设计还缺乏相应的设计规程和规范。
  在同心湖布置一座40.0 mx1.5 m(宽×高)的景观坝,打造同心湖水景观,景观设计总面积为13 392 m2,水体面积为5 442 m2。根据地质勘探及钻孔资料,景观坝轴线位置的河床及漫滩堆积物以冲洪积层为主,少量人工填土。基础大部分为冲洪积层的淤泥质黏土(Qalp-1)和冲洪积层的含砾黏土(Qalp-3);下伏基岩为永德组(P.y)黄绿、褐黄色基性侵入岩(X),为灰绿色煌斑岩,埋深6.7~13.8 m。淤泥质黏土地基承载力特征值为50~ 70 kPa,含砾黏土地基承载力特征值为70~ 90 kPa。
  通过查阅相关文献并借鉴已实施项目工程经验,国内单跨超过35 m的钢坝,地基为软基,均采用桩基或复合地基处理,同时参考SL 265-2016《水闸设计规范》,闸室段混凝土底板在土基的分段长度不宜超过35 m。景观坝闸门单跨40 m,跨度较大,闸室底板平均厚度为1.46 m,基础为淤泥质黏土和含砾质黏土,基础较差。由于距汛期只有3个月,施工工期紧。金结生产厂家提出闸室两端不均匀沉降不宜超过10 mm,否则,基础不均匀沉降过大将会导致铰座卡死底轴,闸门无法正常启闭。经过计算,蓄水正常运行工况下,景观坝基础平均基底压应力为57.34 kPa,基础底部清除淤泥质黏土后地基承载力可满足要求。若闸室底板设置结构缝,采用桩基处理至基岩,闸室基础的不均匀沉降较小,可满足要求,但施工工期较长,汛前工程不能完工,汛期将会影响整个工程的安全。结合现场实际情况,为防止地基的不均匀沉降导致底板设置结构缝后出现景观坝底轴不能正常运行的问题,宽48.4 m的底板顺水流方向不设置结构缝,同时闸室段基础处理方式为清除底板以下淤泥,采用厚2m大块石换填,石渣嵌缝,分层碾压密实处理,碾压采用20 t单钢轮震动压路机,来回碾压8遍。进行碾压沉降观测和地基承载力试验,第8遍碾压后沉降差小于2mm,经轻型动力触探检测地基承载力为196 kPa,可满足相关设计要求。景观坝轴线剖面见图2。南伞河大跨度景观坝基础采用大块石碾压密实和闸室底板不设置结构缝处理,节省了大量投资并缩短了基础处理工期,3个月即完成了景观坝的土建部分施工和金属、电气等设备安装,闸室混凝土底板也未出现明显裂缝。安装调试后,经过9个月运行,景观坝闸门启闭正常,景观效果较好。   2.2 城区河道清淤
  南伞河上游植被覆盖低,水土流失比较严重,汛期来沙量大。老城区垃圾及部分污水直排,致使河流底泥污染严重,加上水土流失形成的淤泥层,河道淤塞严重,泄洪能力降低,影响河道及周边环境的水景观,需对南伞河城区段河道进行清淤。南伞河城区河道具有以下特点:①河道枯期流量小,枯期多年平均流量为0.31 m3/S;②河道窄,平均宽度为10 m;③淤泥层较厚,厚度为0.5~3.0 m;④两岸人行道和房屋建筑已形成,大型机械岸上施工受限。
  经过河道清淤[10-11]方案比较,枯期河道流量小,若采用冲水清淤,不仅无法彻底清除淤泥,还会污染和堵塞下游河道,因此不适合采用冲水清淤方法。若采用水下清淤方法,由于河道流量较小,抓斗船或挖泥船无法开展清淤工作;若采用干河清淤方法,利用大型机械开挖、清淤,普通挖机进入河道经常沉陷下去,无法顺利开展清淤工作。
  结合南伞河城区段河道实际情况,普通挖机无法开展清淤工作,为解决清淤施工难题,联系生产厂家定制和引入了适合南伞河清淤的水陆两用挖机清淤设备,并设计了相关履带式行走轮浮箱和辅助浮箱。其中,行走轮浮箱尺寸为7.0 mx1.4 mx1.1 m(长×高×宽),辅助浮箱尺寸为5.0 mx0.75 mx1.00 m(长×高×宽),挖机采用卡特130,自重23 t。当河道水较浅时,水陆挖机直接采用履带式行走轮浮箱,浮箱在水里产生的浮力略小于重力,依靠水中的浮力和淤泥的承载力,挖机可在水里和淤泥里顺利行进,快速进行河道清淤。当河道水深超过1.4 m时,浮箱在水里产生的浮力略小于挖机重力,仅采用履带式行走轮,浮箱挖机会沉到水底,此时需要挂载辅助浮箱,浮箱在水里产生的浮力略大于挖机自重,水陆挖机亦可在深水区域开展清淤工作,但此时挖机浮在水面上,清淤作业时自身稳定性相对较差,清淤作业效率也会下降。水陆挖机河道现场清淤见图3。通过引进水陆两用挖机,淤泥采用密闭的自卸汽车外运至弃渣场进行处理,不破坏河道两侧景观道、绿化带、挡墙,清淤彻底,施工效率高,使河道清淤工期由原计划的4个月缩短至2个月。
  2.3 河湖连通和水体置换
  工程在知行湖下游出口布置一座宽5.0 m、高3.0 m的钢坝,钢坝卧门放水,不影响汛期行洪,立门蓄水,形成大水面,打造“上善湖、知行湖”两个水景观。其中,上善湖景观设计总面积37 399 m2,水体面积为10 738 m2;知行湖景观设计总面积15 903 m2,水体面积为5 805 m2。
  上善湖、知行湖和主河道连通是工程设计的重难点。如何使主河道和人工湖适当分离但不完全分离,设计时应考虑如下情况:①需考虑汛期钢坝卧门行洪时,超过5 a一遇的洪水可进入湖区,知行湖落水洞可参与泄洪,保证汛期落水洞泄洪通畅,同时小于5 a一遇的洪水不进入湖区影响水质;②在枯期需考虑钢坝立门蓄水时,水可进入湖区形成大水面景观,同时钢坝和知行湖六边形落水洞溢流堰形成瀑布景观,使景观效果达到最佳。上善湖、知行湖和主河道之间修建生态河堤型式,2 a一遇水位以下采用M7.5浆砌石护脚,2 a一遇水位以上采用三维植草网垫护坡,堤顶种植水深植物,可实现河湖分离。经过水力学计算可知,上善湖和知行湖在主河道5 a一遇设计洪水条件下水位为987.55 m,最终确定上善湖和知行湖生态河堤顶高程为987.45 m,钢坝顶和六边形溢流堰顶高程为987.55 m。该设计既可确保汛期主河道和知行湖落水洞在汛期泄洪通道通畅,又可保证枯期钢坝蓄水高程高于上善湖、知行湖和主河道之间的生态河堤顶高程,使主河道和湖区形成大水面,同时钢坝和六边形落水洞溢流堰同时过流形成瀑布景观。
  为避免上善湖和知行湖水体长时间未置换导致水质变差,需考虑人工湖水体置换。在上善湖和知行湖生态河堤上布置放空管,与主河道连接,在上善湖生态河堤上布置3根DN250放空管,知行湖生态河堤布置2根DN250放空管,钢坝卧门放水,主河道过流,湖区的水可通过放空管放人河道,实现湖区水体放空,同時也可满足检修需要。枯水期时,通过钢坝立坝蓄水,主河道清水通过生态河堤顶可进入湖区,实现上善湖、知行湖重新蓄水。上善湖和知行湖平面布置见图4。因此,可通过钢坝的卧坝、立坝和放空管实现上善湖和知行湖水体和河道水体的自动置换,保证湖区水质良好。
  3 结论
  (1)镇康县南伞河存在河道淤积、枯期断流、污水直排、景观等问题,水生态综合治理工程因地制宜,通过河道清淤、生态过流、截排污、景观提升等综合治理措施,彻底改善了南伞河水环境和人居环境,具有显著的社会效益和生态效益。
  (2)南伞河大跨度景观坝基础为含砾黏土软基,在跨度大、基础差、工期紧的情况下,闸室段基础采用2m厚块石换填碾压密实、混凝土底板未设置结构缝进行处理,既节省了投资,又缩短基础处理工期,9个月运行的效果良好。
  (3)城市中小河流两岸人行道和房屋建筑已建成,在淤泥较厚、河宽大于5m、水深小于1.4 m的条件下,可采用水陆两用挖机进行河道清淤,淤泥用密闭的自卸汽车外运至弃渣场进行处理,施工效率高,成本低,清淤效果良好。
  (4)在河道和人工湖中,可通过布置钢坝、生态河堤、放空管等措施,合理设置生态河堤和钢坝顶高程,实现河湖适当分离又不完全分离,既可使钢坝汛期卧门实现行洪通畅,立坝形成大水面,打造河湖水景观,也可通过钢坝的卧坝、立坝和放空管一起实现湖区水体自动置换,保证湖区水质良好。
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  (编辑:唐湘茜)
  作者简介:刘兴邦,男,工程师,硕士,主要从事水利水电工程设计工作。E-mail:xingbangwhu@163.com
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