（水利水电工程专业论文）生态护坡在河弯处的应用及对地下水涵养作用研究.pdf

合肥工业大学 i rl j j l f i j i f f l l f fip ri ip ij ipip y 18 8 6 0 9 2 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 委员： 甲召缎 ，叶雨恬私精，参稽 。剀板板 书、维l 诬怂嫡舀臌 导师：惭孑1 吁， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：知j 鼻刃签字日期：p f f 年钾月膳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 起王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：盍7 乒加导师签名：芗硼吨善 签字日期：妒1 1 年驴月陆日 签字日期：p “年呼月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 、歹72 乙铲严7 z1 7 l 邮编： 3 生态护坡在河弯处的应用及对地下水涵养作用研究 摘要 长期以来，人们比较注重河道本身的行洪、排涝等功能，传统城市河道岸坡 防护一般采用混凝土或浆砌块石等硬衬砌方法。这种做法忽略了河道与周边环境 生态系统的有机联系，河道本身的环境效应和河道水体自身的生态平衡造成了破 坏。随着国家经济社会的发展，在建设和谐社会的大坏境下，建设生态水利在国 内多数城市和地区开展。目前多数的河道生态治理时，在河弯处由于其水流特性 的复杂性，常仍保持传统护坡形式，破坏的生态护坡的连续性。为研究生态护坡 在河弯处的应用，特制作“s ”形水工河道模型，通过测定河弯处的水流流速分布 及其冲刷状况，提出在河弯出采用生态护坡应采取的相应措施。 硬化的不透水的护坡阻碍了河道水与地下水的相互流通，生态护坡作为一种 透水性很强的多孔新型护坡，加强了河道水体与地下水体间的相互涵养作用。本 文通过现场试验方法，分别对传统硬化挡墙和多孔生态挡墙后测的地下水水位变 化进行长期观测，通过分析计算得，生态挡墙在河道水体与地下水体间相互涵养 作用方面的优势。此外，随着城市的发展，城市路面多为不透水的硬化路面，城 市雨水常以漫流的形式直接进入河道，由于生态护坡具有透水性，其上的植物也 将对护坡漫流雨水产生拦截作用，试验中制作人工降雨模型模拟降雨环境，研究 不同生态护坡对雨水的滞留效果。 通过本文的研究可知：在河弯处只要采取的措施适当，生态护坡是可以采用 的；生态护坡对地下水的涵养作用是显著的，且采用生态护坡后坡面漫流雨水将 得到部分滞留，在洪水期间将有助于减弱洪峰流量。为深入研究生态挡墙对环境、 边坡稳定、水质的影响和河道生态治理中护坡形式的选取提供参考。 关键词：生态护坡；河道冲刷；水流分布；雨水滞留；模型试验 t h e s t u d yo f t h ea p p l i c a t i o no fe c o l o g i c a ls l o p e p r o t e c t i o no nr i v e rb e n da n di t sr o l eo ng r o u n d w a t e r c o n v e r s a t i o n a b s t r a c t f o ral o n gt i m e ，p e o p l ep a ym u c ha t t e n t i o no nt h ef u n c t i o no ff l o o dd r a i n a g eo f t h er i v e ri t s e l f t h et r a d i t i o n a lu r b a nr i v e rb a n ks l o p ep r o t e c t i o nn o r m a l l yu s e ss o l i d l i n i n gw a yw i t hc o n c r e t e o rc e m e n t e dr o c k t h i sm e t h o di g n o r e st h eo r g a n i c c o n n e c t i o nb e t w e e nt h ef i v e ra n di t ss u r r o u n d e de c o s y s t e m ，d e s t r o y i n gt h e e n v i r o n m e n to ft h e f i v e ra n de c o l o g i c a lb a l a n c eo ft h e f i v e rw a t e r w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n ds o c i e t y , t h ec o n s t r u c t i o no ft h ee c o l o g i c a l w a t e rc o n s e r v a n c yi sc a r r i e do u ti nm o s td o m e s t i cc i t i e sa n da r e a su n d e rt h eo v e r a l l s i t u a t i o no fb u i l d i n gh a r m o n i o u ss o c i e t y a tp r e s e n t ，f o rm o s to ft h er i v e re c o s y s t e m m a n a g e m e n t ，d u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h ef i v e rf l o wc h a r a c t e r i s t i c so nt h ef i v e rb e n d ， t h et r a d i t i o n a lf o r mo fs l o p e p r o t e c t i o n i s s t i l l m a i n t a i n i n g ，w h i c hd e s t r o y s t h e c o n t i n u i t yo ft h ee c o l o g i c a ls l o p ep r o t e c t i o n i no r d e rt os t u d yt h ea p p l i c a t i o no f e c o l o g i c a ls l o p ep r o t e c t i o no nt h er i v e rb e n d ，t h es p e c i a lo f “s s h a p e dh y d r a u l i cr i v e r m o d e lw a sb u i l t t h er e l e v a n tm e a s u r e so fe c o l o g i c a ls l o p ep r o t e c t i o no nr i v e rb e n d a r e p r o p o s e db ym e a s u r i n gt h ed i s t r i b u t i o n o fw a t e rf l o wv e l o c i t ya n de r o s i o n c o n d i t i o n so nf i v e rb e n d t h eh a r d e n i n gi m p e r m e a b l es l o p eh i n d e r st h em u t u a lf l o wb e t w e e nr i v e rc h a n n e l w a t e ra n dg r o u n d w a t e r a san e wt y p eo fh i g h l yp e r m e a b l ea n dp o r o u ss l o p e p r o t e c t i o n ，t h ee c o l o g i c a ls l o p ep r o t e c t i o ns t r e n g t h e n st h ei n t e r a c t i v ec o n s e r v a t i o n b e t w e e nf i v e rc h a n n e lw a t e ra n d g r o u n d w a t e r t h i sp a p e r m a d el o n g - t e r m o b s e r v a t i o n so nt h ec h a n g eo ft h eg r o u n d w a t e rl e v e lb e h i n dt h et r a d i t i o n a lh a r d e n r e t a i n i n gw a l la n dt h ee c o l o g i c a lr e t a i n i n gw a l lr e s p e c t i v e l yb yu s i n go n - s i t et e s t m e t h o d t h ea d v a n t a g eo ft h ee c o l o g i c a lr e t a i n i n gw a l lo nt h em u t u a lc o n s e r v a t i o n b e t w e e nf i v e rc h a n n e lw a t e ra n dg r o u n d w a t e rc a nb eo b t a i n e db yc a l c u l a t i n ga n d a n a l y z i n g i na d d i t i o n ，a l o n gw i t ht h eu r b a nd e v e l o p m e n t ，t h es u r f a c eo ft h eu r b a n r o a di sm o s t l yi m p e r v i o u sh a r d e n i n gs u r f a c ew h i l eu r b a nr a i n w a t e rg o e si n t ot h er i v e r d i r e c t l yi nt h ef o r mo fo v e r f l o w d u et ot h ep e r m e a b i l i t yo ft h ee c o l o g i c a ls l o p e p r o t e c t i o n ，t h ep l a n to nt h es l o p ew i l li n t e r c e p tt h es l o p e - o v e r f l o w - r a i n w a t e ra sw e l l i nt h et e s t t h ea r t i f i c i a lr a i n f a l lm o d e lw a sm a d et os i m u l a t et h er a i n f a l le n v i r o n m e n t s ot h a te f f e c t so fd i f f e r e n ts l o p ep r o t e c t i o nc o u l db es t u d i e d t h es t u d yi nt h i sp a p e rs h o w st h a t ：e c o l o g i c a ls l o p ep r o t e c t i o nc a nb eu s e da s l o n ga sa p p r o p r i a t em e a s u r e sc a nb et a k e no nr i v e rb e n d ；t h ee c o l o g i c a ls l o p e p r o t e c t i o nc o u l dp l a ya l ls i g n i f i c a n t l yr o l eo ng r o u n d w a t e rc o n v e r s a t i o n ，m e a n w h i l e t h es l o p e o v e r f l o w - r a i n w a t e rw i l lb ed e t a i n e da f t e rt h eu s eo ft h ee c o l o g i c a ls l o p e p r o t e c t i o nw h i c hw o u l dh e l pt or e d u c et h ep e a kf l o wd u r i n gf l o o dp e r i o d t h i sp a p e r p r o v i d e sar e f e r e n c ef o rt h ed e p t hs t u d yo nt h ee f f e c to ft h ee c o l o g i c a lr e t a i n i n gw a l l o nt h ee n v i r o n m e n t ，s l o p es t a b i l i t ya n dw a t e rq u a l i t ya sw e l la st h es e l e c t i o no ft h e s l o p ep r o t e c t i o ni nt h er i v e re c o s y s t e mm a n a g e m e n t k e y w o r d s ：e c o l o g i c a ls l o p ep r o t e c t i o n ，f i v e rc h a n n e le r o s i o n ，w a t e r f l o wd i s t r i b u t i o n , r a i n w a t e rr e t e n t i o n ，m o d e lt e s t 致谢 本文的研究工作是在徐得潜教授和方达宪副教授的悉心指导下完成的。在三 年的研究生学习期间，他们在学习和生活各个方面给予我无私的帮助和鼓励，为 我最终顺利完成论文倾注了大量的精力和心血。他们渊博的专业学识、谨慎的治 学态度、敏锐的思维以及求实的精神深深的影响着我，使我受益匪浅。在此特向 他们致以最衷心的感谢和由衷的钦佩。 三年来，要由衷感谢黄永伟、陈凯及程螈螈同门，研究生期间的相互探讨、 相互促进也是我论文得以完成的重要因素。还要感谢陈勇、张睿、王梅婷及官宝 锐等同门在学习和生活上给予我的支持和帮助。 另外，我还要由衷的感谢我的父母和亲朋。十八年寒窗苦读，有我的辛勤付 出，更有他们的支持和理解，是我能够顺利走到今天。 最后，由衷感谢评阅我硕士论文和出现论文答辩会的各位专家、老师，感谢 他们在百忙之中给予我的指导。 目录 第一章绪论。1 1 1生态护坡研究的背景及意义1 1 2 生态护坡应用及涵养作用研究概况2 1 2 1生态护坡应用研究概况2 1 2 2 生态护坡在河弯处应用现状2 1 2 3生态护坡对地下水涵养作用研究现状3 1 3 问题的提出及研究内容3 1 3 1 合肥河道生态治理的必要性3 1 3 2 研究内容与方法5 第二章 生态护坡在河弯处的应用研究7 2 1 研究概述7 2 2水工模型试验7 2 2 1 水工模型试验的必要性7 2 2 2 水工模型的制作8 2 2 3 水工模型试验的任务8 2 3 河槽弯道的冲刷研究9 2 3 1 试验材料、设备与装置9 2 3 2 试验内容及步骤1 0 2 3 3 试验结果及分析1 2 2 4 小节2 1 第三章 生态护坡对地下水涵养作用2 3 3 1生态护坡涵养地下水研究概述2 3 3 2 河道水体与地下水体间的涵养研究2 5 3 2 1 室外河道的原型观测2 5 3 2 2 室内模型试验研究3 3 3 3生态护坡对雨水的滞留、入渗补给研究3 6 3 3 1 人工降雨装置3 6 3 3 2 实验护坡的选取3 9 3 3 3实验数据的采集3 9 3 3 4 实验数据的分析处理4 0 3 4 小节4 1 第四章结论与建议4 3 4 1 结论4 3 4 2 建议4 3 参考文献4 5 插图清单 图2 1 水工模型平面图8 图2 2 试验模型图8 图2 3 模型沙的级配曲线图9 图2 4 冲刷区护坡形式1 0 图2 5l g y - i i i 型多功能智能流速仪10 图2 - 6 新型流速旋浆传感器1 0 图2 7 自动水位升降仪1 0 图2 8 智能流速仪测量软件界面1 0 图2 - 9断面5 3 流速场图1 2 图2 1 0 断面8 1 5 流速场图1 2 图2 1 1断面1 2 流速场图13 图2 1 2 断面1 7 2 5 流速场图1 3 图2 1 3断面2 2 5 流速场图l3 图2 1 4 断面2 6 1 5 流速场图13 图2 1 5 断面2 8 8 流速场图l3 图2 1 6 主流走向图1 4 图2 1 7 断面2 2 5 流速分布图1 7 图2 1 8 河槽底部的冲刷图18 图3 1板桥河检测河段挡墙图2 5 图3 2 板桥河段不同挡墙地下水位测点布置平面图2 6 图3 3 板桥河段不同挡墙地下水位测点布置剖面图2 6 图3 - 4 地下水水位检测的传感器图2 7 图3 。5 1 群、2 群测点地下水水位一时间图2 8 图3 6 3 群、4 撑测点地下水水位一时间图2 8 图3 7 l 拌、3 # n 点地下水水位一时间图2 9 图3 8 2 拌、4 # 澳j j 点地下水水位一时问图2 9 图3 - 9 测点地下水水位分布图3 0 图3 1 0 不同生态护坡渗透系数的测量剖面图3 4 图3 1 1 不同生态护坡的渗透系数测量平面3 4 图3 1 25 种不同形式试验护坡图3 5 图3 1 3高位水箱及其附属部分示意图3 7 图3 1 4 泄流管及其附属部分立面图3 7 图3 1 5泄流管及其附属部分立面图3 8 图3 16泄流管大样图3 8 图3 17护坡坡面实图3 9 图3 18模拟降雨图4 0 表2 1 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 - 6 表格清单 模型沙的特性表9 合肥地区地下水补给统计表2 4 1 撑、2 释、3 及4 # 钡l j 点水位变化过程表3 2 降雨期间1 撑、2 群、3 拌及4 # i 贝l j 点水位表3 3 五种护坡单位时间渗水量表3 5 积水时间表4 0 5 种护坡单位时间不同水深内渗透量比较表4 1 第一章绪论 1 1 生态护坡研究的背景及意义 城市河流是城市生存与发展的重要要素之一，它具有供应水源、提高绿地、 保护环境、休闲娱乐、交通运输、文化教育等生态功能，对城市社会、经济与环 境协调发展有至关重要的作用【l 】。伴随着社会的发展与进步，人们已经由传统的 防洪、排涝、通航的河流整治水利建设，逐渐改变为在保证既有基本水利功能的 前提下，实现人与自然的和谐相处，即转向综合考虑生态、环境、水资源利用的 生态系统工程。我国学者董哲仁提出了“生态水利学”的概念，他认为水工学应吸 收、融合生态学的理论，建立和发展生态水利学，在满足人们对水的各种不同需 求的同时，还应满足水生态系统的完整性，生态性的需求，恢复与建设洁净的水 环境，实现人与自然的和谐【2 】。 河岸作为河道的重要组成部分，是水陆交错的边缘地带，发生大量的物质、 能力、信息交换，在调节小气候，保持水土、防洪排涝、涵养地下水等方面具有 重要功能。传统的护坡工程侧重于防洪、排涝的功能以及工程的安全和人类单方 面的需要，设计时过多的采用了不透水的硬质护坡结构，如混凝土、浆砌石块等， 这种做法忽略了河道与周边环境生态系统的有机联系以及整治后原有生物群落 的恢复，对河流的环境效应和生态平衡造成了一定的破坏。 生态护坡概念是现阶段人们在对水环境要求越来越高、追求人与自然和谐共 处的历史条件下，针对于城市河道形态单一化，如裁弯取直，河道横断面集合形 态规则化，河坡材料硬质化等传统护坡存在的问题提出来的。河道生态护坡的目 标正是为了重建受破环的河岸生态系统，恢复固坡、截污等生态功能。不仅融入 了城市文化和城市景观，增加了人们的亲水机会，而且丰富了河岸生物多样性， 提高了河流的自净能力，整体上改善了城市河道水环境，从而推动了生态城市的 建设。 城市河道综合治理工程属于社会公益事业，实施生态护坡工程后将有利于改 善河道周边环境，促进城市的发展，提升城市的品位和层次，给区域带来重大的 社会效益、环境效益和经济效益1 3 j ： ( 1 ) 防洪效益 ，城市河道的一个主要任务是行洪，通过对河道的整治及生态护坡建设，使河道 防洪能力达到规定的设计标准，对保护市区人民生命财产的安全将发挥重要的 作用。 ( 2 ) 环境效益 通过对城市河道逐步治理，将形成集生态化、人性化、趣味性为一体的生态 长廊和综合性公园，供市民娱乐、健身、休闲，进一步提高居民的生活质量。 ( 3 ) 旅游效益 环境也是资源。集人与自然和谐相处为一体的城市河道滨水景区必将有效 地改善生态环境，提升城市整体形象，使旅游资源成为新的经济增长点，从而促 进城市相关产业的发展。 1 2 生态护坡应用及涵养作用研究概况 1 2 1 生态护坡应用研究概况 随着社会经济的发展和人们物质生活的日益提高，人们更加注重自己的精神 生活，更加注重自己生活的生态环境。上世纪中后期，人们开始关注河道及其周 围环境，并对传统河道治理措施引起的生态环境退化问题进行反思。于是开始着 手研究混凝土、干砌块石等传统硬化护坡技术对河道生态环境的影响，研究认为 传统硬化护坡材料是造成河道及其周边环境恶化的主要原因，同时硬化护坡的采 用也与人类回归自然的要求不相协调。为了能更好的保护河道岸坡及其周边生态 环境，生态护坡的理念由此提出。 西方国家由于经济社会发展较快，其生态护坡技术应用相对较早。日本对于 生态型护坡技术的研究已有半个多世纪的历史，首先提出了“亲水”观念且付诸了 实践，在河道治理中尽可能利用木桩、竹笼、卵石等天然材料来修建河堤。美国 及欧洲一些国家，在河道护坡中一般采用土壤生物工程护岸技术，它是从最原始 的应用于河道护坡的柴捆防护措施发展而来，经过较长时间的研究，目前已形成 了一套完整的设计和施工方法且应用广泛。 我国关于生态型护坡技术的研究起步较晚，而且在已完成或正在施工的河渠 整治中，工程往往单方面强调河道的防洪排涝等传统功能，多采用了浆砌块石、 钢筋混凝土等硬化护岸或护坡技术。以致河道人工化、渠道化严重，大大影响了 河道的生态特征和功能，破坏了河道的生态平衡，也与当前大力建设的生态和谐 目标向左。近几年在充分吸收国内外河道整治和其他领域生态护坡研究经验及成 果的基础上，我国逐渐开始对生态型护坡技术进行研究，并取得了一定的成绩。 目前国内采用的生态型护坡技术较多1 4 】，但从形式上说，一种是植物护坡，另一 种是植物一工程措施相结合的复合护坡技术。 1 2 2 生态护坡在河弯处应用现状 生态治理后的河道两岸水草茂盛，生态环境渐渐得以恢复，水体重新焕发生 机与活力，但由于河弯处水流流态比较紊乱，设计者为保证工程的安全性【5 j ，通 常在河弯处仍采用浆砌石、混凝土或钢筋混凝土等传统的护坡型式，例如合肥市 板桥河生态治理中，河弯处仍采用浆砌石硬化护坡。即使设计者在河弯处设计采 用生态护坡，也常设计采用比直线段更为安全的护坡形式，如河海大学设计院设 计的浍河左岸堤防工程，直线段采用草皮护坡形式，而弯道用混凝土砌块+ 草皮 护坡的护坡形式，利用砌块阻止弯道水流对岸坡的冲刷；黄山市水利设计院设计 的新安江护岸工程中在河弯处采用砌块护坡与无沙混凝土结合的护坡形式，阻止 2 弯道水流对砌块间隙土壤的掏空。 为了使生态护坡在河弯处能够使用，部分企业纷纷推出自己的产品，其中最 为典型的连锁砌块类护坡。施工后的连锁护坡砖与砖之间相互连锁，从而使整个 护坡结为整体，增强了护坡的抗冲刷能力，在实际工程中，砌块护坡之间的间隙 可以根据河道的曲率状况进行调整，例如浙江荣勋新型建材有限公司开发出连锁 护坡砖【6 j ，可以根据河道的曲率及河道中水的流速调整砌块间距，以至使产品适 应不同环境下的河道冲刷，通常在河弯处间距在8 c m 左右，而直线河段其空隙 间距为1 2 c m ；再如江苏优凝舒布洛克生态护坡也有两种形式，分别用于直岸河 道的中低水流条件下护坡和相对流速较高弯道护坡； 在设计部门及护坡材料企业的努力下，河弯处生态护坡应用引起人们关注， 并在部分河道整治中，进行了尝试性的应用，但关于生态护坡在河弯处应用的资 料相对较少，国内外专家学者才刚刚进行相关研究，目前尚未提出确定的、安全 可靠的治理方案，也未提出具有指导性的研究建议，故关于生态护坡在河弯处应 用的研究是一个十分新颖的课题。 1 2 3 生态护坡对地下水涵养作用研究现状 随着社会经济的发展，从上世纪的7 0 年代，我国开始局部出现水荒，且情 势越来越严重，严重制约着国民经济的增长，限制人们生活水平的提。为解决水 资源紧缺问题，人们将目光转向地下，对地下水进行了大量的开发，从而导致地 面沉降，海水入侵现象。研究发现造成地面下沉的主要原因是对地下水的超采， 而传统的硬化护坡阻碍了地表水对地下水的补给，加剧了地面的沉降。随着河道 生态治理工程的实施，研究生态护坡对地下水的涵养作用具有了实际意义。 在实际中人们已经掌握了多种补给地下水的方式 7 1 ，1 、利用沟渠人渗补给 地下水；2 、利用坑塘洼地蓄水补给地下水；3 、进行地面淹灌；4 、利用回灌井； 5 、利用砂荒地、砂荒林地及古河道进行地下水补给。通过人工回灌并、砂荒地、 砂荒林地及古河道进行地下水补给，由于补给时间通常较短，补给量通常为蓄水 量减去蒸发量，易于计算补给量 8 j ，而利用沟渠入渗及坑塘洼地蓄水补给，由于 沟渠、坑塘洼地水体的流动性及补给的持续性，补给量通常较难把握，有关沟渠、 坑塘洼地水体补给地下水量的计算多采用数学模拟的方法进行【9 j 。模型中通常 将沟渠、坑塘洼地坡面设置成无任何工程防护的自然坡面，而对经过生态治理后， 有生态护坡存在的沟渠、河道的地下水补给研究现仅停留在定性分析阶段，尚未 开展相关的定量研究。 1 3 问题的提出及研究内容 1 3 1 合肥河道生态治理的必要性 在我国城市河道综合治理中，河道生态护坡结构已被大多数人所需求和接 受，并在大力推广之中，河道护坡工程也逐步由只以安全为单一目标向生态型护 坡技术转变。考虑到城市河道对城市的发展有着重要的意义，对城市河道生态护 坡的主要型式、特点、适应性、与周边景观之间的关系、评价方法及应用技术指 导等进行全面深入的研究，为生态护坡的建设、管理和有效控制提供统一的理论 依据、评价标准和技术指南有着非常重要的意义。 合肥市是安徽省省会，位于中部地区。近年来，合肥市社会经济和城市改造 已取得重大突破，在安徽省和我国中部地区地位显得越来越重要，提升合肥市为 生态城市已成为社会发展的必然，开展城市河道生态护坡综合治理技术研究是实 现合肥市战略目标和中部城市崛起的重要体现。 目前合肥市水环境情况不容乐观，全市8 条河流( 南淝河及其支流板桥河、 二十埠河、四里河、店埠河，直接入巢湖支流十五里河，塘西河，派河等) 水质 污染严重，大多劣于地面水五类标准，尤其是南淝河、十五里河，二十埠河和 塘西河更为严重。南淝河、十五里河、派河和塘西河入湖常年水质为劣v 类，其 主要污染物为氨氮。大部分河流防洪尚未完全达标，干枯现象严重，河流周边环 境脆弱。 受传统河道治理思想的影响，合肥市城市河道护坡还存在一些问题。如采用 硬衬砌方法进行河道护岸，取代以前的土壤，阻止了河道水体与地下水体的相互 涵养，使它变成了一个人工制造的水泥池，导致以下问题：防洪能力下降、水体 问相互补给作用减少、河流生态系统受到破坏；单纯的追求城市河道防洪功能要 求，河道裁弯取直，形态单一，以致河流形态破坏严重、部分河道被填埋覆盖、 堤防功能单一、河流的景观、休憩功能被削弱。为改善上述状况，合肥市以开始 着手治理城市主要河道，如板桥河、南淝河、四里河等，为能够更好的实现河道 生态治理的预期效果，合肥市重点工程建设管理局特委托我校对合肥市河道生态 治理工程项目进行专项课题研究。 本文结合合肥市城市河道生态治理工程项目，对生态治理中的两个方向进行 了研究：生态护坡在河弯处的应用研究；生态护坡对地下水涵养作用研究。 ( 1 ) 生态护坡在河弯处的应用研究的必要性 在国内外已实施或正在实施的河道生态整治工程中，由于河弯处水流特性较 为复杂，易在河弯处出现岸坡的掏空、冲刷现象，故通常在河弯处仍采用传统的 硬化护坡防护措施，改硬化护坡中断了生态护坡的连续性，影响到河道及城市整 体美观效果。同时因不同护坡形式需要采用不同护坡材料，河弯处硬化护坡的使 用也给施工带来诸多不便，增加了施工工序。为此对生态护坡在河弯处的应用性 进行研究就显得相当必要。 ( 2 ) 生态护坡对地下水涵养作用研究的必要性 地下水是一种埋藏于地下的特殊地质矿产资源，是水资源的重要组成部分。 随着人类社会的发展，人类对水资源的需求越来越大，地表水含量在局部已很难 满足日益增长的用水需求，随即超采地下水现象随处可见，地下水的开采量与其 4 补给量之间失去了原本的动态平衡，一些与此相关的灾害随即发生。合肥地区也 发生地下水位持续下降、水资源量减少等地下水劣变现象，并相伴产生了咸水下 移、地面沉降等一系列环境地质问题。因此，有必要研究城市河道护坡对涵养地 下水的影响。 1 3 2 研究内容与方法 ( 1 ) 生态护坡在河弯处的应用研究： 生态护坡在河弯处的应用研究，主要是研究生态护坡的抗冲刷性能。为此需 研究水流在河弯处的流速分布，及其不同流速对坡脚的掏空情况。 河弯处水流特性研究：传统河道治理追求河道走向直线化，河道断面单一化。 故局部河道有明显的裁弯取直现象，护坡形式过于人工化，过于美化，破环了 河道的自然蜿蜒形态和河道的异质性。为实现河道的直线化，城市内的部分河道 被废弃，填埋覆盖，河流的景观、休憩功能被削弱。根据以人为本，和谐生态及 现有河道治理精神，应力求在保持原河道走向不变前提下，实现河道的防洪，排 涝及文化载体功能。因河弯处水流特性较为复杂性，故应对河弯处的不同断面的 流速分布情况及整体的主流线走势加以分析研究，并研究河弯处冲坑的可能最大 深度及对应位置，以致做好河道生态治理中的河弯处的护坡或挡墙坡面及基础处 理工作。 方法：采用模型实验手段，绘制不同水深、不同流量下河弯处流速场图、主 流线图及冲刷地形图。根据流速场图和主流线图，研究流速分布与水深、流量及 河道走势间的关系；并结合冲刷地形图分析河弯处的可能冲刷位置及最大冲坑深 度，利用经验公式验证实验结论的正确性。 ( 2 ) 生态护坡对地下水涵养作用研究 生态护坡对地下水涵养作用研究可以分为生态护坡涵养地下水研究和降雨 及坡面漫流研究两大部分。 1 ) 降雨及坡面漫流研究，不同的生态护坡将对雨水产生不同的滞留作用， 并可促进雨水的下渗补给，从而减少洪峰流量并延迟其到达的时间。故河道生态 治理中应研究不同的生态护坡形式下的降雨及坡面漫流状况。 方法：采用实验手段模拟降雨环境，对选实验护坡进行坡面漫流研究。根据 实验中所测不同降雨强度下的漫流数据，比较得出所选实验护坡的最优形式，并 根据所选护坡的各自特征，对产生数据差异性的原因进行分析，从而解释不同护 坡在坡面漫流中对雨水滞留作用的效果不同。 2 ) 生态护坡涵养地下水研究。传统硬化护坡采用全硬质材料，光洁的刚性 护岸使得河岸寸草不生，破坏其作为廊道的自然栖息地作用，不利于河道生态环 境的恢复。同时也彻底破坏了河道的自净能力，阻断了地表水与地下水的交换。 河道进行生态治理，采用生态多孔护岸后，打通的不同水体间的流通通道，使得 地下水体与河道水体间的相互补给得以进行。故研究生态护坡对涵养地下水作 用，有利于不同水体间的相互涵养，有利于水资源的存储，有利于缓减部分河道 严重干枯现象。 方法：通过室外监测生态挡墙和传统浆砌石挡墙背水侧的地下水水位变化数 据，定性分析两种挡墙对地下水水位变化的影响，并定量计算两种挡墙各自对应 的补给量与反补给量，通过对比肯定了生态挡墙比传统硬化挡墙在地下水涵养作 用方面更为优势；通过室内测定相同条件下五种不同护坡的渗透量，推求其综合 渗透系数，并最终确定渗透性最优的护坡形式。 6 第二章生态护坡在河弯处的应用研究 2 1 研究概述 传统河道岸坡防护一般采用混凝土或浆砌块石等硬衬砌方法，这种护坡阻止 了河道水体与自然界的交换，破坏河流生态系统，使河道失去了净化能力。同时， 硬衬砌也影响城市景观。因此，对城市岸坡河道实施生态治理，对恢复河流的生 态系统，降低水质污染，改善城市环境具有重要意义。 随着社会经济的发展和人们生活质量的提高，对河道实施生态治理已在国内 外很多地区展开，但由于河弯处水流特性较为复杂，在已实施的河道生态治理工 程中，河弯处的护坡基本仍采用传统硬化护坡形式。该种形式的采用，中断了生 态护坡的连续性，影响到河道及城市整体美观效果。 本章以实验室模型试验为研究手段，通过实验室模型试验研究河弯处水流特 性、水流对不同形式、不同材料生态护坡凹岸的局部冲刷及护坡基础稳定性的影 响。并结合数据提出预防措施，给出试验河道的检测、安全评价体系，以为合肥 市实施河道生态综合治理工程提供强有力的技术支持。 本章研究的主要内容如下： ( 1 ) 河弯处流速分布； ( 2 ) 河槽弯道的底部冲刷研究； ( 3 ) 河道护坡冲刷分析。 2 2 水工模型试验i l o 1 1 1 2 2 1 水工模型试验的必要性 水流运动是一种非常复杂的自然现象，其运动受到很多外界条件的影响和制 约，虽人类一直不断地探索其运动规律，而至今尚未很好的掌握。在目前的河道 治理中，我们对水利工程的设计、施工多采用较为传统的经验公式进行分析计算。 随着计算机技术的发展，数学分析方法也逐步在相关工程中加以应用，尤其是比 较复杂的大型水利工程或过河工程，比如对工程的防洪影响评价报告中就包含有 对河道的数学模型分析。不管是经验公式还是数学分析在解决实际问题时多遇到 纵多困难，主要原因是在建立数学模型时需提出众多适合计算机分析的假设，在 使用公式时需对现实环境进行简化，并根据现实条件，对计算机分析结果或公式 计算成果进行合理的推断。 在很多情况下，由于工程条件的复杂性，我们无法将条件简化以适应公式适 应条件，经验公式将不在适用。事实上；天然河道中的各种水工建筑物的边界条 件，本身就具有其复杂性，为了研究其周边水流流态，流速分布最好的措施就是 进行相关的物理模型实验，通过实验总结结论，对结论进行归纳，使其上升为理 论，并用理论来指导实践。因此水工模型试验一直被广大水利工作者所重视。 7 2 2 2 水工模型的制作 水工模型试验就是仿照原体实物，按照相似的准则，缩制成模型。根据其所 受地主要作用力，进行试验研究。由于本次试验并不针对具体河道，而是为合肥 市河道生态治理提供依据和技术指导，为模拟多数河道的河弯状况，特制“s ” 形模型河槽为概化模型。根据试验内容和要求，“s ”型水工模型槽前后分别设有 前池和尾水池，同时在模型前端设有引水直段，从而保证水流的稳定，尾水池端 设有阀门以控制水位，具体形状和尺寸见图2 1 和图2 2 。 图2 1水工模型平面图 图2 - 2 试验模型图 在水工模型河道底部铺设厚度为2 0 c m 模型沙，并在“s ”形模型河道的三个 易冲区采用三种不同形式、不同材料的生态护坡。 2 2 3 水工模型试验的任务 本章通过水工模型实验研究类“s ”形河道的水流特性，河弯处水流主流线的 走向，顶冲击点位置，河弯处冲坑的可能最大深度及其对应位置。结合数据提出 8 河弯处冲刷防护措施，给出试验河道的检测、安全评价体系，为合肥市实施河道 生态综合治理工程提供强有力的技术支持。 2 3 河槽弯道的冲刷研究 2 3 1 试验材料、设备与装置 2 3 1 1试验材料 ( 1 ) 模型沙 模型沙由普通河沙经采用孔径为2 5 m m 筛进行人工筛分所得，模型沙的特 性指标相见图2 3 和表2 1 。沙子的密度约为1 5 x 1 0 3 k g m 3 。 图2 - 3 模型沙的级配曲线图 表2 - 1 模型沙的特性表 筛孔粒径筛分重量粒径范围 累计重量g 小于各粒组的土粒含量 底盘8 5 4 0 1 m m8 5 40 0 0 8 5 4 0 1 m m2 7 1 6 o 2 5 m m3 5 70 0 3 5 7 0 2 5 m m5 0 7 3 o 5 m m 5 4 30 5 4 3 0 5 m m 2 7 7 4 l l m m 8 2 0 4 10 8 2 0 4 1 l m m1 3 7 3 2 m m 9 5 7 7 10 9 5 7 7 1 2 m m4 2 2 5 m m9 9 9 7 1 0 9 9 9 7 1 9 ( 2 ) 生态护坡 在“s ”型水工模型试验段的三个冲刷区分别采用拱形门+ 草皮生态护坡( 四 里河采用的护坡) 、透水性生态混凝土护坡【1 2 】( 南淝河整治工程大东门段采用护 坡) 及我校建材实验室研制的新材料生态护坡。试验中所采用的三种护坡实例图 2 4 所示。 a 、工大实验室生态护坡b 、透水性生态混凝土护坡c 、拱形门+ 草皮生态护坡 图2 4 冲刷区护坡形式图 2 3 1 2 测试设备及装置 试验装置包括离心式清水泵( 三台总流量达9 6 0 m 3 h ，扬程1 2 5 m ) 、l g y - i i i 型多功能智能流速仪如图2 5 、地形仪、新型流速旋浆传感器如2 - 6 、电磁流量 计、自动水位升降仪如图2 7 、流量自动控制系统和模型试验水槽。 图2 5l g v i 型多功能智能流速仪 图2 6 新型流速旋浆传感器 图2 7 自动水位