河道整治工程护坡型式综合比选模型构建及分析研究

余 旭

(江苏昌源水利工程咨询有限公司,江苏 靖江 214500)

0 引 言

随着社会的发展进步,河流生态系统的规划和建设越来越受到重视。传统的河道治理工程措施,多采用混凝土、水泥和石料等硬质材料进行护坡,使河岸边坡稳定得到明显改善,对洪水、排涝、土壤侵蚀的控制作用较为显著[1-2]。但大面积的刚性护砌面阻碍了水体与土壤之间的物质交换,对河流生态系统造成破坏,还不具备净化水质的功能。而且,河流中的水生生物丧失了所依赖的生境,导致河流的自净能力减弱,水质恶化严重。

而生态护坡兼具护坡功能,以及维护河道生态系统平衡的功能。其在保证河道边坡稳定性的前提下,通过植被重建,来提高河道的自我修复与净化能力。如何达到河道生态护坡的目的,已经成为国内外河道治理工程中的一个重要方面[3-4]。新时代水利发展对水利工程建设提出了更高要求,不仅要考虑工程可靠性、经济合理性和技术可行性,还要考虑生态环境和可持续发展要求。因此,在河流治理工程中,应从设计阶段开始,注意以生态学的观念来维护河流的生态环境,维护河道的生态平衡[5]。

本次研究对河道的生态护坡类型及特点进行深入分析,在此基础上,构建相应的河道整治工程护坡型式综合比选模型。研究旨在基于模型,比选出最具有效益的生态护坡型式,并为堤防工程中生态护坡技术的有效应用提供有效的借鉴。

1 河道整治工程护坡型式综合比选方法及模型构建研究

1.1 研究区概况

构峪河是渭河南山支流,河流出峪口后地势平坦,综合治理河道长5 135.49m,大体分两段。第一段为构峪河陇海铁路桥至老西潼公路桥处,治理护岸总长2 525.37m,简称上游段;第二段为老西潼公路桥至构峪河入二华排水干渠交汇口区间,治理河道长2 621.12m,简称下游段,为地上悬河。该治理工程主要是将治理河段堤防的防洪标准提高至20年一遇,堤防工程级别为4级。

该工程所面临的主要地质问题为堤基与岸坡的稳定性、岸坡受到河水的冲刷,以及岸坡的渗流与变形等。沿江河岸坡地多为软弱泥质土区或疏松砂壤土区,抗冲刷性能较差,必须进行防冲刷加固。特别是在水位变化区、河床弯道等处,应采取相应的护坡措施。根据该工程施工情况,可根据生态、景观和可持续发展的原则,进行河道生态护坡的选择。在护坡工程中,应尽可能选用浅水区的护坡方式,使其能完全满足防堤的冲刷和稳定性要求,以确保堤坝沿岸的封闭性;堤基的埋设深度应满足堤基的应力、抗冲刷和冻土的要求;建筑设计应当尽量达到外观美观、经济合理,以及方便施工等要求。

1.2 河道整治工程护坡型式综合比选指标体系设计

生态护坡是一种以生态保护为目的,将工程力学、生态学、植物学等学科知识与技术相结合,形成工程与植物相结合的复合护坡体系[6]。大型河道整治工程生态护坡综合评价指标体系包括几个方面:首先需要满足其结构的稳定性及抗冲刷能力的要求,这也是评价指标选择的依据。其次,还需考虑生物多样性与生态功能等要素,以便形成完整的河流生态系统。然后需要在一定的时间尺度上,反映出坡面的效益。最后,由于评价设计较多的指标,因此需要对其进行量化处理。而对于无法量化的指标,则需要进行定性分析。所以,应当将定量与定性指标相结合,使得结果更具合理性。基于以上原则,研究构建的河道整治工程护坡型式综合比选指标体系见图1。

图1 河道整治工程护坡型式综合比选指标体系

由图1可知,在大型河道治理工程中,对生态护坡类型的选择标准从结构特性、经济特性、施工特性和生态特性4个方面进行分析。结构特性是指护岸能否达到结构的稳定性,包含护岸的防洪排涝能力,护岸的稳定能力和抗冲刷能力[7]。经济特性是指护坡工程的建设成本,包含护坡工程的建设周期、护坡工程的后期维修成本和运行寿命。施工特性是指护坡本身从无到有的难易性,包括建设、养护等方面的困难程度。生态特性是指护坡对周边生态环境所产生的效果,包含亲水与涵养、水文调蓄、水土保持效果等多项指标[8]。

结构特性又被分为4个评价指标,分别为防洪、排涝、稳定性、抗冲刷性。其中,纯植被型护坡仅能利用植物的力学作用和水文效应,对土体进行固结,保持水土,阻止水土流失,进而改善坡面稳定性。该类型护坡可采用极限法中的条分法进行计算,该理论可获得土的抗剪强度计算表达,公式如下:

τf=c+σtanφ

(1)

式中:c为滑动面上的法向应力;σ为土的黏聚力;φ为土的内摩擦角。

研究采用瑞典条分法对土体稳定安全系数进行计算,土坡沿某滑裂面滑动的安全系数公式如下[9]:

式中:W为土条的自重;αi为土条与法线之间的夹角。

通过对边坡渗流场的计算,得到边坡渗流场的分布规律,为边坡失稳分析奠定了基础。其次是确定出逸剖面的渗透坡度,判断出逸剖面有无渗透破坏。在进行渗流计算时,必须考虑渗流的稳定性,其计算公式如下[10]:

式中:k为渗透系数;T为渗流线达到背水层坡脚处的时间;n、n0分别为孔隙率和有效孔隙率;Sw为饱和度;H为最大降距。

采用主动土压力法进行挡土墙稳定性分析,将推动建筑物或结构运动的土质作用力转化为主动土压力[11]。而工程生态综合型护坡既有纯粹的植被类型,又有植物与工程类型相结合的优势。因此,其稳定性系数可以由计算得到,然后对结构稳定进行全面分析。护坡材料的耐久性是其抗冲刷性的重要指标;抗压强度和抗冻性则是其抗侵蚀性能的重要指标。可根据有关规定,采用实验室试验的方式,测定混凝土的抗压强度及抗冻性。

1.3 河道整治工程生态护坡型式综合比选评价模型构建

在河道治理工程中,运用生态护坡技术,可以在确保河岸坡度安全和稳定的前提下,对河岸坡度进行生态修复,增强水体的自净能力,同时还可以改善河岸的水景观。图2为河道生态护坡型式的主要类型及其特点。

图2 河道生态护坡型式主要类型及特点

由图2可知,河道生态护坡型式主要包括纯植被型护坡、植被结合工程型护坡、工程生态综合型护坡。纯植被类型护坡利用植物来维持河岸的天然特征[12],该类型护坡一般用于坡面比较平缓、内陆面积比较大的河段。植被结合工程型护坡除了种植植物外,更多的是采用自然物质来加固斜坡及底面,如在斜坡上安放浆砌块等。这种形式的护坡一般用于陡峭的岸坡,或者要求具有较大抗冲能力的河段。工程生态综合型护坡是以植物与工程型护坡相结合,并使用预制混凝土块或钢筋混凝土等材料,以保证其抵御洪水的稳定性。这种方法通常适用于对洪水有较高的要求,或对河流地质条件比较复杂的地区。

根据河道整治工程护坡型式综合比选指标体系,对护坡型式综合比选指标进行定量与定性评价。首先对于稳定性指标,用K表示稳定系数:K<1,代表结构不稳定;K=1～1.4,代表稳定性较差;K=1.4～16,代表稳定性一般;K=1.6～1.8,代表稳定性较好,K>1.8,代表稳定性极好。对于抗冲刷性,用基于冲刷面积百分比进行判断:45%代表抗冲刷性极差;35%～45%代表较差;25%～35%代表中等;15%～25%代表较好;小于15%代表极好。建设费及后期维护成本指标量化的评判依据是项目成本,或者每件产品的单价和维护所引起的成本进行评价。

用k表示透水率(cm/s):k<10-7,代表透水率极差;10-7≤k<10-5,代表较差;10-5≤k<10-3,代表中等;10-3≤k<10-1,代表较好;k≥10-1,代表极好。水质净化指标反映了坡面的净化效果,不同类型和材质的坡面净化效果差异较大。常用的方法是将污染物的净化效果量化,通过对污染物的脱除率进行定量分析。植被在坡面上所占的比例低于55%,即为盖度较差;在55%～65%属于劣质;65%～75%为中度;75%～85%为最佳;覆盖率为85%～100%,说明覆盖率较好。当植物外观开始变黄或变绿时,开始计算。对于需要定性评价的指标,则用2～10的等级打分来表示指标的性能。

研究将综合评判指标与灰色关联度方法相结合,对生态护坡体系进行综合评判,并采用层次分析法对权重进行赋值。图3为河道整治工程生态护坡型式综合比选评价模型。

图3 河道整治工程生态护坡型式综合比选模型

由图3可知,该模型的流程为:建立综合评价指标体系以及构造判断矩阵;计算矩阵中相应的特征向量;通过一致性检验,调整该判断矩阵;经过调整后,利用层次分析法计算指标的权重;采用综合评价指数法和灰色关联度法,对生态护坡系统进行综合评价,对指标值进行归一化处理;在得出各指标的权重平均值后,与各指标进行比较;最后通过对各评价指标的权衡,对各护坡方案进行比较。

2 河道整治工程护坡型式综合比选分析

研究选取预制联锁块护坡等5种具体型式的生态护坡进行比选。其中,工程生态综合型护坡选择生态混凝土护坡参加比选。表1为5种护坡型式各项指标计算结果。

表1 5种护坡型式的各项指标计算结果

通过专家打分形式的模糊统计法,对定性指标进行定量化研究。将10位专家的打分情况进行分类汇总,计算每种型式定性指标的平均值,结果见图4。

图4 定性指标专家打分结果

由图4可知,在型式1中,防洪与排涝指标的得分最高,均为8.57分;生物多样性与可持续性得分均小于3分,分别为2.57、2.86分。整体上,型式1的各项定性指标的综合平均分值为5.617 5分。在型式2中,施工速度指标的得分最高,为6.86分;施工对环境影响的得分均最低,为4.57分。整体上,型式2的各项定性指标的综合平均分值为4.592 5分。在型式3中,水土保持效益指标的得分最高,为8.57分;施工对环境影响的得分均最低,为5.43分。整体上,型式3的各项定性指标的综合平均分值为7.262 5分。型式4中,生物多样性指标的得分最高,为8.00分;施工对环境影响的得分均最低,为4.00分。整体上,型式4的各项定性指标的综合平均分值为6.547 5分。在型式5中,施工材料的易得性指标的得分最高,为8.29分;施工对环境影响的得分均最低,为4.86分。整体上,型式5的各项定性指标的综合平均分值为6.88分。综上可知,型式3的综合得分最高。

图5为护坡型式比选评价系统的综合评价指标值。

图5 护坡型式比选系统综合评价指标值

由图5(a)可知,护坡型式1的比选系统评分最高的指标为稳定性(A3),为10;该护坡比选系统的综合评分为4.803。由图5(b)可知,护坡型式2的比选系统评分最高的指标为建设及后期维护费用(B1),为10;该护坡比选系统的综合评分为6.610。由图5(c)可知,护坡型式3的比选系统评分最高的指标为稳定性(A3)和透水性、涵水性(D1),为10;该护坡比选系统的综合评分为7.123。由图5(d)可知,护坡型式4的比选系统评分最高的指标为水土保持效益(D3),为8.29;该护坡比选系统的综合评分为6.363。由图5(e)可知,护坡型式5的比选系统评分最高的指标为透水性、涵水性(D1),为10;该护坡比选系统的综合评分为6.65。综上可知,护坡型式3的比选系统较好。

图6为综合评价指数法评价结果分析。

由图6可知,护坡型式1的结构特性准则评价指数最高,为3.780;施工特性准则评价指数最低,为0.372;该类型护坡的评价准则平均指数为1.391。护坡型式2的结构特性准则评价指数最高,为2.852;施工特性准则评价指数最低,为0.372;该类型护坡的评价准则平均指数为1.642。护坡型式3的结构特性准则评价指数最高,为3.750;施工特性准则评价指数最低,为0.374;该类型护坡的评价准则平均指数为1.928。护坡型式4的结构特性准则评价指数最高,为3.085;施工特性准则评价指数最低,为0.346;该类型护坡的评价准则平均指数为1.654。护坡型式5的结构特性准则评价指数最高,为3.388;施工特性准则评价指数最低,为0.462;该类型护坡的评价准则平均指数为1.738。

综上可知,在经济特性与施工特性方面,护坡型式3的指数相较于其他4种护坡均要高。因此,该工程的最优方案为护坡型式3,即生态混凝土护坡。

3 结 论

本文通过对生态护坡的分类,建立了河道整治工程护坡型式综合比选模型,利用AHP法确定权重,采用两种评价方法相结合的方法,对该综合比选模型进行了评价分析。并以构峪河河道护坡建设工程为比选的对象,结果显示,在型式3中,水土保持效益指标的得分最高,为8.57分;各项定性指标的综合平均分值为7.262 5分。护坡型式3的比选系统评分最高的指标为稳定性(A3)和透水性、涵水性(D1),为10;该护坡比选系统的综合评分为7.123。护坡型式3的结构特性准则评价指数最高,为3.750,该类型护坡的评价准则平均指数为1.928。综上可知,该工程的最优方案为生态混凝土护坡。