3版妙峰山段生態(tài)修復的研究與實踐

1、申報論文（中級）題目：永定河干流妙峰山段生態(tài)修復治理設計與實踐單位：北京燕波工程管理有限公司姓名：張學寰申報專業(yè)：水利（城市河道的設計）2011年5月16日北京市中級專業(yè)技術資格評審申報論文目錄TOC o 1-5 h z摘要1關鍵詞1 HYPERLINK l bookmark6 緒論1設計方案1 HYPERLINK l bookmark8 2.1基本資料12.2工程總體布置及設計方案選擇2 HYPERLINK l bookmark14 結論及建議6 HYPERLINK l bookmark16 參考文獻6附錄7 HYPERLINK l bookmark18 5.1減滲方案滲流及水量平衡計算7

2、HYPERLINK l bookmark22 5.2跌坎對河道行洪的影響分析8北京市中級專業(yè)技術資格評審申報論文 摘要：針對永定河妙峰山段因修建落坡嶺水庫，造成妙峰山段脈沖式來水、原有生態(tài)破壞的問題，在工程設計中結合本段河道的水文、地質情況，對電站來水特點進行分析及水量平衡計算，通過對比分析確定工程總體布置、跌坎設計方案，對河道蓄水區(qū)減（防）滲設計方案進行論證分析，最終確定河道的總體生態(tài)修復方案。關鍵詞：生態(tài)修復減（防）滲方案跌坎緒論妙峰山段生態(tài)修復工程是“永定河流域山區(qū)河道生態(tài)修復治理工程”中干流段治理的重點河段，工程位于門頭溝區(qū)下葦?shù)殡娬镜杰娗f之間，總長12.59km。上世紀50-60年代

3、，永定河修建落坡嶺水庫，造成下葦?shù)橹淋娗f之間河段成為脫水的干河段。這區(qū)間來水主要為下葦?shù)殡娬镜姆潘?，電站放水是根?jù)華北電網的總調度進行，一般規(guī)律是每隔30天左右放水，每次按約38m3/s的流量持續(xù)2小時。近年來永定河來水偏少，用水加大，河床滲漏嚴重，脈沖式來水改變了原有的河道來水特性，也改變了河道生態(tài)系統(tǒng)的平衡，再加上人為的挖砂取土，造成本段河道長年砂石裸露，植被稀少，加劇了河道生態(tài)環(huán)境進一步惡化。妙峰山段生態(tài)修復工程距門頭溝城區(qū)僅6km，是永定河生態(tài)走廊的第一站，沿河有109國道及209省道并行，是進入門頭溝旅游區(qū)的必經之路，位置十分醒目。本河段河底及兩岸地層均為卵礫石層，卵礫石層厚度超過1

4、0m,透水性強。由于該段河道只有脈沖來水，其余時間基本斷流，為增強該河段的生態(tài)特性，改善河道的整體生態(tài)環(huán)境，蓄積電站尾水，克服滲漏，減少河道內水土流失，以逐漸修復河道生態(tài)系統(tǒng)；工程在妙峰山河段修建跌坎20座，間斷形成水面，同時為達到形成持續(xù)水面的目的，采取有效的減（防）滲措施。設計方案是在不改變永定河安全行洪現(xiàn)狀、不減小河道過流斷面的基礎上，進行的生態(tài)修復工程。本文重點討論妙峰山段河道的工程總體布置、蓄水減（防）滲、跌坎的方案設計。設計方案基本資料妙峰山工程段沿途經過下葦?shù)榇?、丁家灘村和陳家莊等，河道沿線有G109國道和S209省道。落坡嶺水庫的逐月出庫徑流量（下葦?shù)殡娬緛硭┮娤卤?。?-1

5、2008年落坡嶺水庫逐月出庫徑流量單位：萬m3月份123456789101112合計水量8055272515652595077095657295134794806389另外，根據(jù)北京市門頭溝區(qū)水資源綜合規(guī)劃報告，19812000年系列的多年平均水面蒸發(fā)量為1086.2mm，多年平均各月水面蒸發(fā)量見圖2-1。圖2-1門頭溝區(qū)（19812000年）多年月平均蒸發(fā)量2.2工程總體布置及設計方案選擇工程總體布置選擇臨近109國道及209省道、視野開闊的河段做為重點治理段，主要包括：下葦?shù)槎危〖覟┒?，妙峰山?zhèn)政府段和陳家莊段，總長5.61km。根據(jù)妙峰山段河道縱坡設置橫向跌坎，自河底以上跌坎最大高度1

6、.0m,跌坎上游水深為1m,下游水深不低于0.1m，共設置跌坎20道。河道蓄水橫斷面均采用梯形斷面型式，在不減小行洪斷面的前提下，基本維持原河道過流斷面，邊坡采用生態(tài)魚巢磚和墻壁磚護坡。河道減（防）滲處理僅在蓄水水面范圍內進行，設計減（防）滲面積30.3萬m?,占妙峰山河槽面積的14.6%。為保證河道保護層的允許不沖流速大于過流流速。電站每次放水流量按38m3/s計算，其中共計720m長河道過流流速為1.601.98m/s,此段河底30cm厚保護層采用卵礫石最小粒徑不應小于75mm；其余段河道過流流速均在0.78m/s1.5m/s之間，卵礫石保護層最小粒徑按不小于25mm控制，為提高抗沖能力鋪

7、設卵礫石層時將較大粒徑的石塊置于表層。2.2.2河道設計方案比選根據(jù)河道現(xiàn)狀條件，對如下二個平面布置設計方案進行分析。方案一：串接現(xiàn)有采砂坑方案，方案二：“可視范圍重點治理段布置”方案。（1）串接現(xiàn)有采砂坑布置方案此方案為利用妙蜂山河段現(xiàn)有的采砂坑，并適當進行擴挖，以形成蓄水的湖區(qū)。全段共布置12個不規(guī)則的大小湖區(qū)，水深為0.80.9m。利用微地形形成的自然土渠貫通，湖區(qū)的總面積為33.8萬m2。湖區(qū)采取壤土摻混減（防）滲處理，根據(jù)本工程“減（防）滲方案研究報告【4】”，采取壤土摻混減滲的的滲透系數(shù)為3.15X10-5cm/s,經水量平衡計算，在下葦?shù)殡娬久扛?0天放水一次的條件下，為保證湖區(qū)

8、常年有水，需要鋪設的減（防）滲層厚度為1m。（2）“可視范圍重點治理段布置”方案此方案是重點對視野開闊，游人眾多的下葦?shù)槎?、丁家灘段、妙峰山?zhèn)政府段和陳家莊段河道進行生態(tài)修復治理。對于重點段以外河段，維持原河道過流斷面。對需形成蓄水水面的河道內設置連續(xù)跌坎，使河道內形成梯級連續(xù)水面。對兩側邊坡采用生態(tài)魚巢磚、墻壁磚和護坡磚對河坡進行整理和護砌，并進行綠化景觀處理。為使跌坎蓄水范圍內形成持續(xù)的連續(xù)水面，需對河道進行減（防）滲處理。河道的減（防）滲方案的確定，通過“減（防）滲方案研究的報告【4】”，重點研究討論兩種減（防）滲方案，即壓實壤土減（防）滲和半土半膜聯(lián)合減（防）滲方案。壓實壤土減（防）滲

9、方案：將回水區(qū)河底下挖至設計開挖線后，對基底進行整平碾壓，鋪設壓實壤土減滲層。根據(jù)地勘試驗結果，該地區(qū)輕質砂壤土在95%壓實度條件下，平均滲透系數(shù)為2.9X10-5cm/s。壓實壤土層在相鄰兩道跌坎之間下游最厚為0.8m,上游最薄為0.4m。其上回填卵礫石料0.3m厚，回填完畢后使河底高程恢復至原狀高程，不影響正常行洪。半土半膜減（防）滲方案：將壓實壤土和復合土工膜兩種減（防）滲方式相結合，在每兩道跌坎之間以中心為界，上游段采用壓實壤土減（防）滲，下游段采用復合土工膜減（防）滲，并做好兩種減（防）滲方式的搭接處理。壓實壤土減（防）滲層自各段上游跌坎至中點位置，厚度由40cm至60cm漸變，采用

10、0.5mm厚復合土工膜（兩布一膜），土工膜減滲層上、下鋪設20cm及10cm細料保護層，減（防）滲層上覆卵礫石層30cm。復合土工膜上下層細料的最大粒徑不應大于10mm。方案二的原則為突出重點段的治理，充分利用現(xiàn)狀河道內的采砂坑，不改變河道現(xiàn)狀斷面，利用1m高跌坎進行擋水，形成連續(xù)水面，方案二需新建1m高跌坎20道，河道減（防）滲面積30.3萬m?。實施后可蓄水22.9萬m3，形成水面面積27.8萬m2o方案二中的減（防）滲工程量較小，工程實施后形成的水面自然，總體景觀效果較好。（3）減（防）滲方式效果分析針對上文中提到的兩種減（防）滲方式，通過在不同的減（防）滲條件下進行水量平衡計算，比較兩

11、種減（防）滲方式在相同的時間內跌坎前存水情況，確定較為合理的減（防）滲方式。A.減（防）滲方案設計簡圖（a）壤土減（防）滲方案（b）半土半膜減（防）滲方案B.減滲方案滲流計算（見附錄）（4）成果分析綜合分析以上兩個方案，方案二對重點可視范圍內河道進行治理，節(jié)省工程投資，實施后能取得較好的效果，最終確定可視范圍重點治理段布置的方案。另外，經過對減（防）滲方案的比選，半土半膜減（防）滲方案兼顧了生態(tài)（回補地下水）和減滲兩方面的要求，連續(xù)水面持續(xù)時間較長，工程投資相對較低，最終確定半土半膜減（防）滲的方案。2.2.3跌坎設計中考慮到門頭溝河道內石料豐富，以就地取材的原則，提出以下兩種跌坎型式。一種為

12、景觀砌石跌坎，內部漿砌石結構，外部用景觀石進行美化處理。另一種為高鍍鋅鉛絲石籠緩坡跌坎，外部堆砌鉛絲石籠，內部設復合土工膜防滲心墻擋水。（1）景觀砌石跌坎跌坎采用M7.5漿砌石砌筑，跌坎下游河底鋪設10m長鉛絲石籠，石籠厚度30cm，石籠下部鋪設無紡土工布。跌坎兩端各伸入河道邊坡內lm。跌坎型式詳見圖2-2。圖2-2景觀砌石跌坎示意圖（2）高鍍鋅鉛絲石籠緩坡跌坎跌坎上游邊坡為1：1,下游為階梯狀，跌坎高出河底lm，上游設1.0m深齒墻。跌坎內部設置復合土工膜防滲心墻，心墻上下游堆砌鉛絲石籠，跌坎下游護底長10m。跌坎結構詳見圖2-3。跌坎形式優(yōu)點缺點景觀砌石跌坎結構斷面相對較小，與減滲層的交接

13、處理較容易漿砌石工程量較大，不符合生態(tài)修復理念鉛絲石籠緩坡跌坎可充分利用當?shù)夭牧希哂休^強的適應變形的能力，與周邊環(huán)境可較好的融為體跌坎體型較大，土石方量較大表2-2跌坎特性根據(jù)本次生態(tài)修復工程的要求，景觀砌石跌坎的漿砌石量較大，不符合生態(tài)5100133H=4M.必2站eiO.750=JflDC110M0淫1r(4X_Li1IHIM*啊IfiJlifl-f-澗拓gix鉛絲石籠緩坡跌坎示意圖圖2-3ittj-Mer-蝴冊碼辯初:飛特唯肝H推夠n中卄治河的理念，而鉛絲石籠緩坡跌坎，由于其屬于柔性材料，適應變形的能力及生態(tài)效果較好，確定采用鉛絲石籠緩坡跌坎型式。各跌坎的具體外型結合各段河道現(xiàn)狀進行景

14、觀設計，力求使各道跌坎與周圍環(huán)境自然結合，渾然一體。結論及建議妙峰山段生態(tài)修復治理通過對該段裸露河道及灘地的修復，減少水土流失減輕沙塵的強度。通過改善河道水環(huán)境，恢復了周邊地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境，改善永定河妙峰山區(qū)段的小氣候，改善妙峰山地區(qū)的人居環(huán)境，使該地區(qū)確實成為綠色家園，成為京西旅游的理想去處?！懊罘迳蕉紊鷳B(tài)修復治理工程”開創(chuàng)了水利工程中對因實施蓄水工程而斷流的河道生態(tài)修復的先例；妙峰山段生態(tài)修復治理的成功經驗，為我國北方同類河道的生態(tài)修復提供了成功的設計、建設經驗。參考文獻中華人民共和國國家標準，防洪標準GB/GB5020194,1994。中水北方勘測設計研究有限責任公司，永定河三家店落坡嶺

15、水庫河道綜合治理工程初設報告，2004。湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院北京分院，永定河流域山區(qū)河道生態(tài)修復治理工程初步設計報告，2009。中國水利水電科學研究院，永定河流域山區(qū)河道生態(tài)修復工程減（防）滲方案研究報告，2009。附錄減滲方案滲流及水量平衡計算滲流計算公式（水力學第二版）：Q=k-J-AJ=-WL式中各符號意義：Q一滲流流量（m/s）；A一滲流面積，（cm2）；k一滲透系數(shù)，（cm/s）；J一水力梯度；h廠減滲層上水深，（m）；L一減滲層厚度，（m）。水量平衡：在特定時間段內，單位面積減（防）滲層河底之上：跌坎前總水量=土體滲漏量+蒸發(fā)量+跌坎前剩余水量對妙峰山段河道按不同減（防）滲

16、方式進行水量平衡計算，來水量主要為落坡嶺水庫的出庫水量。耗水量主要為水面的蒸發(fā)量和滲漏量。經計算，按不同減（防）滲方式30天后河道各跌坎前水深見表5-1和圖5-1。表5-1妙峰山段河道不同減（防）滲方式減（防）滲效果比較表減（防）滲方式跌坎前初始水深減（防）滲層厚滲透系數(shù)日平均蒸發(fā)量預計30天后跌坎前水深mmm(cm/s)(mm)(m)壓實壤土減（防）滲14008002.9X10-52.980.14半土半膜減（防）滲14006002.9X10-52.980.53圖5-1各減（防）滲方案跌坎前水深時間關系曲線圖注：1號曲線壤土減（防）滲方案II號曲線一一半土半膜減（防）滲方案5.2跌坎對河道行洪

17、的影響分析根據(jù)永定河流域山區(qū)河道生態(tài)修復工程防洪評價評審意見：建議跌坎高度不應高于河床1m。因此，妙峰山段跌坎頂部高出河床底部均不超過1m,采用鉛絲石籠緩坡跌坎形式。計算分析表明，跌坎對河道行洪水位的影響較小，當河道行洪為10年一遇洪水，流量Q=1622m3/s時，跌坎位置上下游水位差Az僅0.1m左右，當河道行洪為20年一遇洪水和50年一遇洪水時，跌坎位置上下游水位差Az均小于0.1m,已基本無影響。現(xiàn)對其中下葦?shù)槎魏拥乐?號跌坎（樁號71+500）10年一遇洪水時上下游水位差Az分析計算如下：當河道通過10年一遇洪水Q=1622m3/s時，樁號71+500斷面水位z=154.42m,河床最低高程150.00m，相應水深為4.42m。相應過流斷面面積3=356.39m2,平均流速v=4.55m/s?，F(xiàn)利用公式1.1驗算跌坎上下游水位差Az。（式1.1）Q=asmB.2gH3/2式中：Q過跌坎流量，m3/s；m流量系數(shù)，由于跌坎上下游方向寬度較小，過流水位較高已接近實用堰型，取m=0.45；O淹沒系數(shù);側