3版妙峰山段生态修复的研究与实践

1、申报论文（中级）题目：永定河干流妙峰山段生态修复治理设计与实践单位：北京燕波工程管理有限公司姓名：张学寰申报专业：水利（城市河道的设计）2011年5月16日北京市中级专业技术资格评审申报论文目录TOC o 1-5 h z摘要1关键词1 HYPERLINK l bookmark6 绪论1设计方案1 HYPERLINK l bookmark8 2.1基本资料12.2工程总体布置及设计方案选择2 HYPERLINK l bookmark14 结论及建议6 HYPERLINK l bookmark16 参考文献6附录7 HYPERLINK l bookmark18 5.1减渗方案渗流及水量平衡计算7

2、HYPERLINK l bookmark22 5.2跌坎对河道行洪的影响分析8北京市中级专业技术资格评审申报论文 摘要：针对永定河妙峰山段因修建落坡岭水库，造成妙峰山段脉冲式来水、原有生态破坏的问题，在工程设计中结合本段河道的水文、地质情况，对电站来水特点进行分析及水量平衡计算，通过对比分析确定工程总体布置、跌坎设计方案，对河道蓄水区减（防）渗设计方案进行论证分析，最终确定河道的总体生态修复方案。关键词：生态修复减（防）渗方案跌坎绪论妙峰山段生态修复工程是“永定河流域山区河道生态修复治理工程”中干流段治理的重点河段，工程位于门头沟区下苇甸电站到军庄之间，总长12.59km。上世纪50-60年代

3、，永定河修建落坡岭水库，造成下苇甸至军庄之间河段成为脱水的干河段。这区间来水主要为下苇甸电站的放水，电站放水是根据华北电网的总调度进行，一般规律是每隔30天左右放水，每次按约38m3/s的流量持续2小时。近年来永定河来水偏少，用水加大，河床渗漏严重，脉冲式来水改变了原有的河道来水特性，也改变了河道生态系统的平衡，再加上人为的挖砂取土，造成本段河道长年砂石裸露，植被稀少，加剧了河道生态环境进一步恶化。妙峰山段生态修复工程距门头沟城区仅6km，是永定河生态走廊的第一站，沿河有109国道及209省道并行，是进入门头沟旅游区的必经之路，位置十分醒目。本河段河底及两岸地层均为卵砾石层，卵砾石层厚度超过1

4、0m,透水性强。由于该段河道只有脉冲来水，其余时间基本断流，为增强该河段的生态特性，改善河道的整体生态环境，蓄积电站尾水，克服渗漏，减少河道内水土流失，以逐渐修复河道生态系统；工程在妙峰山河段修建跌坎20座，间断形成水面，同时为达到形成持续水面的目的，采取有效的减（防）渗措施。设计方案是在不改变永定河安全行洪现状、不减小河道过流断面的基础上，进行的生态修复工程。本文重点讨论妙峰山段河道的工程总体布置、蓄水减（防）渗、跌坎的方案设计。设计方案基本资料妙峰山工程段沿途经过下苇甸村、丁家滩村和陈家庄等，河道沿线有G109国道和S209省道。落坡岭水库的逐月出库径流量（下苇甸电站来水）见下表。表2-1

5、2008年落坡岭水库逐月出库径流量单位：万m3月份123456789101112合计水量8055272515652595077095657295134794806389另外，根据北京市门头沟区水资源综合规划报告，19812000年系列的多年平均水面蒸发量为1086.2mm，多年平均各月水面蒸发量见图2-1。图2-1门头沟区（19812000年）多年月平均蒸发量2.2工程总体布置及设计方案选择工程总体布置选择临近109国道及209省道、视野开阔的河段做为重点治理段，主要包括：下苇甸段，丁家滩段，妙峰山镇政府段和陈家庄段，总长5.61km。根据妙峰山段河道纵坡设置横向跌坎，自河底以上跌坎最大高度1

6、.0m,跌坎上游水深为1m,下游水深不低于0.1m，共设置跌坎20道。河道蓄水横断面均采用梯形断面型式，在不减小行洪断面的前提下，基本维持原河道过流断面，边坡采用生态鱼巢砖和墙壁砖护坡。河道减（防）渗处理仅在蓄水水面范围内进行，设计减（防）渗面积30.3万m?,占妙峰山河槽面积的14.6%。为保证河道保护层的允许不冲流速大于过流流速。电站每次放水流量按38m3/s计算，其中共计720m长河道过流流速为1.601.98m/s,此段河底30cm厚保护层采用卵砾石最小粒径不应小于75mm；其余段河道过流流速均在0.78m/s1.5m/s之间，卵砾石保护层最小粒径按不小于25mm控制，为提高抗冲能力铺

7、设卵砾石层时将较大粒径的石块置于表层。2.2.2河道设计方案比选根据河道现状条件，对如下二个平面布置设计方案进行分析。方案一：串接现有采砂坑方案，方案二：“可视范围重点治理段布置”方案。（1）串接现有采砂坑布置方案此方案为利用妙蜂山河段现有的采砂坑，并适当进行扩挖，以形成蓄水的湖区。全段共布置12个不规则的大小湖区，水深为0.80.9m。利用微地形形成的自然土渠贯通，湖区的总面积为33.8万m2。湖区采取壤土掺混减（防）渗处理，根据本工程“减（防）渗方案研究报告【4】”，采取壤土掺混减渗的的渗透系数为3.15X10-5cm/s,经水量平衡计算，在下苇甸电站每隔30天放水一次的条件下，为保证湖区

8、常年有水，需要铺设的减（防）渗层厚度为1m。（2）“可视范围重点治理段布置”方案此方案是重点对视野开阔，游人众多的下苇甸段、丁家滩段、妙峰山镇政府段和陈家庄段河道进行生态修复治理。对于重点段以外河段，维持原河道过流断面。对需形成蓄水水面的河道内设置连续跌坎，使河道内形成梯级连续水面。对两侧边坡采用生态鱼巢砖、墙壁砖和护坡砖对河坡进行整理和护砌，并进行绿化景观处理。为使跌坎蓄水范围内形成持续的连续水面，需对河道进行减（防）渗处理。河道的减（防）渗方案的确定，通过“减（防）渗方案研究的报告【4】”，重点研究讨论两种减（防）渗方案，即压实壤土减（防）渗和半土半膜联合减（防）渗方案。压实壤土减（防）渗

9、方案：将回水区河底下挖至设计开挖线后，对基底进行整平碾压，铺设压实壤土减渗层。根据地勘试验结果，该地区轻质砂壤土在95%压实度条件下，平均渗透系数为2.9X10-5cm/s。压实壤土层在相邻两道跌坎之间下游最厚为0.8m,上游最薄为0.4m。其上回填卵砾石料0.3m厚，回填完毕后使河底高程恢复至原状高程，不影响正常行洪。半土半膜减（防）渗方案：将压实壤土和复合土工膜两种减（防）渗方式相结合，在每两道跌坎之间以中心为界，上游段采用压实壤土减（防）渗，下游段采用复合土工膜减（防）渗，并做好两种减（防）渗方式的搭接处理。压实壤土减（防）渗层自各段上游跌坎至中点位置，厚度由40cm至60cm渐变，采用

10、0.5mm厚复合土工膜（两布一膜），土工膜减渗层上、下铺设20cm及10cm细料保护层，减（防）渗层上覆卵砾石层30cm。复合土工膜上下层细料的最大粒径不应大于10mm。方案二的原则为突出重点段的治理，充分利用现状河道内的采砂坑，不改变河道现状断面，利用1m高跌坎进行挡水，形成连续水面，方案二需新建1m高跌坎20道，河道减（防）渗面积30.3万m?。实施后可蓄水22.9万m3，形成水面面积27.8万m2o方案二中的减（防）渗工程量较小，工程实施后形成的水面自然，总体景观效果较好。（3）减（防）渗方式效果分析针对上文中提到的两种减（防）渗方式，通过在不同的减（防）渗条件下进行水量平衡计算，比较两

11、种减（防）渗方式在相同的时间内跌坎前存水情况，确定较为合理的减（防）渗方式。A.减（防）渗方案设计简图（a）壤土减（防）渗方案（b）半土半膜减（防）渗方案B.减渗方案渗流计算（见附录）（4）成果分析综合分析以上两个方案，方案二对重点可视范围内河道进行治理，节省工程投资，实施后能取得较好的效果，最终确定可视范围重点治理段布置的方案。另外，经过对减（防）渗方案的比选，半土半膜减（防）渗方案兼顾了生态（回补地下水）和减渗两方面的要求，连续水面持续时间较长，工程投资相对较低，最终确定半土半膜减（防）渗的方案。2.2.3跌坎设计中考虑到门头沟河道内石料丰富，以就地取材的原则，提出以下两种跌坎型式。一种为

12、景观砌石跌坎，内部浆砌石结构，外部用景观石进行美化处理。另一种为高镀锌铅丝石笼缓坡跌坎，外部堆砌铅丝石笼，内部设复合土工膜防渗心墙挡水。（1）景观砌石跌坎跌坎采用M7.5浆砌石砌筑，跌坎下游河底铺设10m长铅丝石笼，石笼厚度30cm，石笼下部铺设无纺土工布。跌坎两端各伸入河道边坡内lm。跌坎型式详见图2-2。图2-2景观砌石跌坎示意图（2）高镀锌铅丝石笼缓坡跌坎跌坎上游边坡为1：1,下游为阶梯状，跌坎高出河底lm，上游设1.0m深齿墙。跌坎内部设置复合土工膜防渗心墙，心墙上下游堆砌铅丝石笼，跌坎下游护底长10m。跌坎结构详见图2-3。跌坎形式优点缺点景观砌石跌坎结构断面相对较小，与减渗层的交接

13、处理较容易浆砌石工程量较大，不符合生态修复理念铅丝石笼缓坡跌坎可充分利用当地材料，具有较强的适应变形的能力，与周边环境可较好的融为体跌坎体型较大，土石方量较大表2-2跌坎特性根据本次生态修复工程的要求，景观砌石跌坎的浆砌石量较大，不符合生态5100133H=4M.必2站eiO.750=JflDC110M0淫1r(4X_Li1IHIM*啊IfiJlifl-f-澗拓gix铅丝石笼缓坡跌坎示意图图2-3ittj-Mer-蝴册碼辩初:飞特唯肝H推够n中卄治河的理念，而铅丝石笼缓坡跌坎，由于其属于柔性材料，适应变形的能力及生态效果较好，确定采用铅丝石笼缓坡跌坎型式。各跌坎的具体外型结合各段河道现状进行景

14、观设计，力求使各道跌坎与周围环境自然结合，浑然一体。结论及建议妙峰山段生态修复治理通过对该段裸露河道及滩地的修复，减少水土流失减轻沙尘的强度。通过改善河道水环境，恢复了周边地区自然生态环境，改善永定河妙峰山区段的小气候，改善妙峰山地区的人居环境，使该地区确实成为绿色家园，成为京西旅游的理想去处。“妙峰山段生态修复治理工程”开创了水利工程中对因实施蓄水工程而断流的河道生态修复的先例；妙峰山段生态修复治理的成功经验，为我国北方同类河道的生态修复提供了成功的设计、建设经验。参考文献中华人民共和国国家标准，防洪标准GB/GB5020194,1994。中水北方勘测设计研究有限责任公司，永定河三家店落坡岭

15、水库河道综合治理工程初设报告，2004。湖北省水利水电规划勘测设计院北京分院，永定河流域山区河道生态修复治理工程初步设计报告，2009。中国水利水电科学研究院，永定河流域山区河道生态修复工程减（防）渗方案研究报告，2009。附录减渗方案渗流及水量平衡计算渗流计算公式（水力学第二版）：Q=k-J-AJ=-WL式中各符号意义：Q一渗流流量（m/s）；A一渗流面积，（cm2）；k一渗透系数，（cm/s）；J一水力梯度；h厂减渗层上水深，（m）；L一减渗层厚度，（m）。水量平衡：在特定时间段内，单位面积减（防）渗层河底之上：跌坎前总水量=土体渗漏量+蒸发量+跌坎前剩余水量对妙峰山段河道按不同减（防）渗

16、方式进行水量平衡计算，来水量主要为落坡岭水库的出库水量。耗水量主要为水面的蒸发量和渗漏量。经计算，按不同减（防）渗方式30天后河道各跌坎前水深见表5-1和图5-1。表5-1妙峰山段河道不同减（防）渗方式减（防）渗效果比较表减（防）渗方式跌坎前初始水深减（防）渗层厚渗透系数日平均蒸发量预计30天后跌坎前水深mmm(cm/s)(mm)(m)压实壤土减（防）渗14008002.9X10-52.980.14半土半膜减（防）渗14006002.9X10-52.980.53图5-1各减（防）渗方案跌坎前水深时间关系曲线图注：1号曲线壤土减（防）渗方案II号曲线一一半土半膜减（防）渗方案5.2跌坎对河道行洪

17、的影响分析根据永定河流域山区河道生态修复工程防洪评价评审意见：建议跌坎高度不应高于河床1m。因此，妙峰山段跌坎顶部高出河床底部均不超过1m,采用铅丝石笼缓坡跌坎形式。计算分析表明，跌坎对河道行洪水位的影响较小，当河道行洪为10年一遇洪水，流量Q=1622m3/s时，跌坎位置上下游水位差Az仅0.1m左右，当河道行洪为20年一遇洪水和50年一遇洪水时，跌坎位置上下游水位差Az均小于0.1m,已基本无影响。现对其中下苇甸段河道中1号跌坎（桩号71+500）10年一遇洪水时上下游水位差Az分析计算如下：当河道通过10年一遇洪水Q=1622m3/s时，桩号71+500断面水位z=154.42m,河床最低高程150.00m，相应水深为4.42m。相应过流断面面积3=356.39m2,平均流速v=4.55m/s。现利用公式1.1验算跌坎上下游水位差Az。（式1.1）Q=asmB.2gH3/2式中：Q过跌坎流量，m3/s；m流量系数，由于跌坎上下游方向宽度较小，过流水位较高已接近实用堰型，取m=0.45；O淹没系数;侧