一种用于河道生态修复的生物过滤护坡及其施工方法与流程

本发明属于河流水体水净化和生态修复技术领域，具体的涉及一种用于河道生态修复的生物过滤护坡及其施工方法。

背景技术：

我国现阶段面临严峻的水资源短缺和水环境恶化问题，尤其是流经城市的河流污染。我国大部分流经城市的河流承担着城市排污、排洪的功能，大量生物污水、工业废水和夹渣着污染物的雨水排入河中，造成河道水体生态恶化，形成黑臭河，对群众的健康和生活质量带来的威胁，成为城市环境保护工作难以解决的顽疾，所以对城市黑臭河进行生态修复变得极为迫切。

城市河道呈现黑臭状主要是河水过量纳污导致水体耗氧和需氧失衡，污染物在此条件下转化为氨氮、硫化氢、挥发性有机酸等恶臭物质以及铁和锰硫化合物等黑色物质。造成河道黑臭主要有一下原因：

1）河水流动性差，造成河水呈死水状态；

2）水体有机污染物超标；

3）水体溶解氧不足，造成缺氧状态。

目前河道治理手段包括物理、化学和生物等方法。物理方法为建立人工过滤床，需要将河道中水提到岸坡的人工过滤床中，不仅占据大量城市用地，而且消耗大量电能用来提水。化学方法则向河道中投放化学试剂，可能会对河水造成二次污染，而在河道内建设人工湿地，影响到河道河水泄流，植物和生物过滤层容易在汛期毁坏，且河水过滤效果不如离线处理方式好。

因此，开发一种占地小、不对河水造成二次污染、对河道泄流影响小且过滤效果好的河道生态修复技术显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于河道修复的生物过滤护坡，以梯形河道断面为基础，从上游到下游由截水配水系统和生物过滤湿地两部分构成。

截水配水系统设置在河道上游，截水配水系统包括橡胶坝和配水井系统，利用橡胶坝将河道水位抬高，通过配水井系统将抬高的河水输送到河道护坡生物过滤湿地，配水井系统内设有多组配水井，其中每一口配水井对应一条配水管和一条生物过滤带。所述配水管将沿着生物过滤带均匀泄水，河水将从上到下依次通过生物过滤带的生物过滤层、过渡层和排水层，最终将处理后的河水由穿孔排水管排水排出系统，重新排入河道。

进一步的，橡胶坝最大坝高高于最高配水井顶部中心高程0.5m，坝长根据河道主槽宽度确定，与河道主槽同宽，橡胶坝两侧设置混凝土挡墙，与河道两岸衔接，混凝土挡墙与橡胶坝一同起到挡水作用，橡胶坝混凝土基础高程与河道死水位相同。

进一步的，配水井系统包括若干个呈梯度并列布置的配水井和底部连通管，每个所述配水井的井身上方均和一条配水管相连，配水井的下方和底部连通管相连，相邻的两个配水井顶部中心高程相差0.3m。

进一步的，底部连通管与所有配水井都连通，进一步地使整个配水井系统与河道主槽之间构成一个连通器，连通管入口与河道主槽相连通，连通管入口高程高于河槽底高程0.5m，连通管入口处安装有拦污栅。

进一步的，配水管安装在配水井顶部中心高程下方30cm高程上，配水管直径0.15m，且配水管进入生物过滤带后与穿孔管相连，方便生物过滤带泄流，穿孔管末端直接延伸到生物过滤湿地末端，穿孔管为带有多组孔且末端封闭的管子。

进一步的，生物过滤湿地包括若干个呈梯度布置的生物过滤带，生物过滤带和排水槽相连，生物过滤带数量与配水井数量。

进一步的，两个相邻生物过滤带之间顶高程相差0.3m，靠近河道主槽侧的生物过滤带与高0.3m的隔水挡板相连。

进一步的，每条生物过滤带包括生物过滤层、过渡层和排水层，每条生物过滤带宽度为1m，长度根据河道地形实地情况布置，一般在50m至300m之间，厚度为0.6m。生物过滤层上种植香菇草、水芹等植物，密度为5-10株/m²，湿地生物过滤层，厚度为0.3m，填料按照沙土：壤土：黏土：添加料=3:1:1：1比例配比，添加料为碎木屑、陶粒、珍珠石等添加剂，湿地过渡层由碎石和粗砂构成，厚度为10cm，排水层由卵石组成，厚度为0.2m，排水层中每隔0.25m设置一根穿孔pvc排水管，每个梯度的排水层内设有3根pvc排水管，每根pvc排水管直径为0.1m，pvc排水管与生物过滤带排水槽连通。

进一步的，河道设有洪水位，洪水位与最末梯度生物过滤带高程相同，河道死水位低于排水槽出口0.5m。

本发明的施工上述一种用于河道修复的生物过滤护坡的方法，包括如下步骤：

1）根据所要修复的河道水文、地形和位置资料，确定该生物过滤护坡修

建位置；根据生物过滤护坡修建位置，设计相应的导流方案；由于该生物过滤护坡主要应用在城市景观河道和城市内河道，河道流量较小，可以根据实际情况布置施工导流方案，如明渠导流或管道导流。

2）布置河道围堰施工，上下游围堰施工的同时，进行基坑排水。

3）对基坑进行开挖，挖除河道淤泥和破碎岩石，开挖1m至2m。

4）橡胶坝混凝土基础浇筑，橡胶坝混凝土基础块体尺寸需要与橡胶坝的尺寸相对应。橡胶坝设计坝高高于设计最高配水井顶部中心高程0.5m。根据设计最高配水井顶部高程，以此来确定橡胶坝坝顶高程。橡胶坝两侧设置混凝土挡墙，混凝土挡墙墙顶高程高于最大坝高0.5m至1m。采用c30混凝土浇筑，橡胶坝施工按照现行的《橡胶坝技术规范》。

5)按照现行的河道建设规范，以两侧河岸距离橡胶坝上游5m处为开挖中心，开挖宽度为3m，依据河道岸坡的坡度和宽度，布置合适配水井个数，以此确定沿垂直于河道方向岸坡开挖深度。

配水井截面为圆形，直径为0.5m，且最高配水井设计高程小于橡胶坝设计坝高0.5m，相邻两口配水井中心高程相差0.3m。在垂直河道主槽方向，配水井底部安装连通管，连通管直径0.25m，连通管中心高程高于河道主槽槽底高程0.5m，连通管入口安装有拦污栅；在顺河道下游方向上，在配水井顶部中心高程下方30cm高程上设置配水管，配水管直径0.15m。沿着配水井梯度减小方向上，安装混凝土承压盖水板。对施工好的配水井进行防渗处理，每口配水井周围布置0.25m的c30混凝土衬砌，每口配水井之间有0.5m的混凝土墙，余下开挖部分使用土填筑。

6）按照现行的河道建设规范，河道下游距离橡胶坝3m处两岸岸坡上，对应配水井个数开挖出若干条梯级分布的生物过滤带。依据下游地形布置，生物过滤带可布置范围为50m至200m，相邻两条生物过滤带开挖后底高程相差30cm，最低一级生物过滤带底高程高于死水位80cm。

7）开挖完成后，在每条在生物过滤带底部加上桩基，这就为过滤介质提供了填筑位置，再在桩基上面填筑20cm厚的混凝土砂浆，最后将预制的挡水隔板镶嵌在靠近河道主槽一侧的砂浆中，待混凝土凝固后，在预制的挡水隔板连接处做防渗处理，其中预制的挡水隔板长200cm、宽20cm、高110cm；

在混凝土砂浆上方铺设20cm厚的碎石排水层，选用碎石颗粒级配分布为：d50=10.5mm、d10=6.4mm、d90=13mm；施工过程中，需要向排水层预埋三条直径10cm的穿孔排水管；

在排水层上方铺设10cm的粗砂过渡层，选用粗砂平均直径为0.62mm；

在粗砂过渡层上铺设30cm的生物过滤层；生物过滤层的过滤介质由沙、黏土、壤土和其他添加剂混合而成，各种成分的比例为沙土：壤土：黏土：添加料=3:1:1：1比例配比，添加料为碎木屑、陶粒、珍珠石等添加剂，过滤介质上种植香菇草、水芹等植物，密度为5-10株/m²。

本发明提供的一种用于河道生态修复的生物过滤护坡，具有以下优点：

1）利用梯形河道护坡设置生物过滤带，节省了城市用地，且起到城市景观作用；

2）有若干条生物过滤带构成的生物过滤带和相同数量的有压配水井构成的有压配水系统，能够根据河道具体地形状况进行设计，布置灵活可靠；

3）生物过滤带中湿地生物过滤层和排水层厚度较普通生物过滤器厚度较薄，即提高了过滤的水利效率，满足大量来水能够快速过滤的要求，又方便生物过滤带进行更换维修；

4）由于用橡胶坝抬高水位，底部连通管7连接河槽与有压配水井系统，底部连通管起到连通器作用，不用外加动力装置便可使河水进入生物过滤带中，节省了能源和设备。同时，控制橡胶坝的充气程度可以控制整个系统工作与否。

5）上游河水从橡胶坝坝顶溢流，增加了河水的流动性和河水的溶解氧气含量，对没有经过生物过滤带处理的水也一定程度上缓解的恶臭现象；

6）当上游来洪水时，使橡胶坝放气，便于河道宣泄洪水，不会影响河道行洪。

附图说明

图1配水井系统剖视图（顺水流方向）

图2生物过滤湿地剖视图（顺水流方向）

图3橡胶坝横剖视图（顺水流方向）

图4橡胶坝纵剖视图

图5生物过滤带剖视图

1、橡胶坝2、混凝土挡墙3、填土4、梯形断面河道

5、配水井系统6、配水井7、底部连通管8、配水管9、橡胶坝混凝土基础

10、生物过滤湿地11生物过滤带12、设计洪水位13、死水位

14、排水槽出口15、生物过滤层16、过度层17、排水层

18、穿孔pvc排水管19、隔水挡板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对河水修复和改善生态的目的，同时保证河水正常泄流、城市用水安全等要求，通过工程和生物等手段，实现河水修复和改善生态的目的。

如图1-5所示，

实施案例1：上游正常来水，正常过滤期

一种用于河道修复的生物过滤护坡以梯形河道断面4为基础，从上游到下游由截水配水系统和生物过滤湿地10两部分构成。

截水配水系统设置在河道上游，截水配水系统包括橡胶坝1和配水井系统5，配水井系统5内设有多组配水井6，利用橡胶坝1将河道水位抬高，配水井系统5与河道主槽通过连通管77相连，随着河道水位升高，根据连通器原理，配水井系统5内的配水井6内水位也随之升高，当配水井6内水位达到井最大水位，而此时河道水位会继续上升，此时配水井6则变为一个有压井，来自河道的水压力将配水井6内的河水利用配水管8输送到河道护坡生物过滤湿地10，每一口配水井6对应一条生物过滤带11。其中，配水井6和生物过滤带11的个数应根据河道坡度和宽度实地进行分析布置。当河道水位超越橡胶坝1坝顶高程时，河水将会溢流通过坝顶，此时会保持河道上游水位不变。

在生物过滤湿地10的配水管8为均匀带孔，将沿着生物过滤带11均匀泄水。河水将依次通过生物过滤带11的湿地植物层、湿地生物过滤层15、过渡层16和排水层17，最后将处理后的河水由穿孔排水管排水排出系统，重新排入河道，完成河水过滤过程。

根据上游来水可确定来水流量，根据上游河水水位、配水井6尺寸和配水管8直径以及穿孔配水管8泄流量可以确定输送水量，其中，上游河水水位，当水位低于坝高，依据其实际水位，当水位高于拔高，依据橡胶坝1的坝高和堰流公式确定；根据实测渗透系数和生物过滤带11的长度可确定生物过滤带11渗水量。当上游来水较小时，来水量小于输送水量，则橡胶坝1不会发生溢流；当上游来水大于输送水量，则橡胶坝1会发生溢流。当输送水量小于渗透水量时，生物过滤带11内不会产生积水；当输送水量大于渗透水量，生物过滤带11内会产生积水。

用于河道修复的生物过滤护坡的方法，包括如下步骤：

1）根据所要修复的河道水文、地形和位置资料，确定该生物过滤护坡修

建位置；根据生物过滤护坡修建位置，设计相应的导流方案；由于该生物过滤护坡主要应用在城市景观河道和城市内河道，河道流量较小，可以根据实际情况布置施工导流方案，如明渠导流或管道导流。

2）布置河道围堰施工，上下游围堰施工的同时，进行基坑排水。

3）对基坑进行开挖，挖除河道淤泥和破碎岩石，开挖1m至2m。

4）橡胶坝混凝土基础浇筑，橡胶坝混凝土基础块体尺寸需要与橡胶坝1的尺寸相对应。橡胶坝设计坝高高于设计最高配水井顶部中心高程0.5m。根据设计最高配水井顶部高程，以此来确定橡胶坝坝顶高程。橡胶坝两侧设置混凝土挡墙，混凝土挡墙墙顶高程高于最大坝高0.5m至1m。采用c30混凝土浇筑，橡胶坝施工按照现行的《橡胶坝技术规范》。

5)按照现行的河道建设规范，以两侧河岸距离橡胶坝上游5m处为开挖中心，开挖宽度为3m，依据河道岸坡的坡度和宽度，布置合适配水井个数，以此确定沿垂直于河道方向岸坡开挖深度。

配水井截面为圆形，直径为0.5m，且最高配水井设计高程小于橡胶坝设计坝高0.5m，相邻两口配水井中心高程相差0.3m。在垂直河道主槽方向，配水井底部安装连通管7，连通管7直径0.25m，连通管7中心高程高于河道主槽槽底高程0.5m，连通管7入口安装有拦污栅；在顺河道下游方向上，在配水井顶部中心高程下方30cm高程上设置配水管，配水管直径0.15m。沿着配水井梯度减小方向上，安装混凝土承压盖水板。对施工好的配水井进行防渗处理，每口配水井周围布置0.25m的c30混凝土衬砌，每口配水井之间有0.5m的混凝土墙，余下开挖部分使用土填筑。

6）按照现行的河道建设规范，河道下游距离橡胶坝3m处两岸岸坡上，对应配水井个数开挖出若干条梯级分布的生物过滤带。依据下游地形布置，生物过滤带可布置范围为50m至200m，相邻两条生物过滤带开挖后底高程相差30cm，最低一级生物过滤带底高程高于死水位13100cm。

7）开挖完成后，在每条在生物过滤带底部加上桩基，这就为过滤介质提供了填筑位置，再在桩基上面填筑20cm厚的混凝土砂浆，最后将预制的挡水隔板镶嵌在靠近河道主槽一侧的砂浆中，待混凝土凝固后，在预制的挡水隔板连接处做防渗处理，其中预制的挡水隔板长200cm、宽20cm、高110cm；

在混凝土砂浆上方铺设20cm厚的碎石排水层，选用碎石颗粒级配分布为：d50=10.5mm、d10=6.4mm、d90=13mm；施工过程中，需要向排水层预埋三条直径10cm的穿孔排水管；

在排水层上方铺设10cm的粗砂过渡层，选用粗砂平均直径为0.62mm；

在粗砂过渡层上铺设30cm的生物过滤层；生物过滤层的过滤介质由沙、黏土、壤土和其他添加剂混合而成，各种成分的比例为沙土：壤土：黏土：添加料=3:1:1：1比例配比，添加料为碎木屑、陶粒、珍珠石等添加剂，过滤介质上种植香菇草、水芹等植物，密度为5-10株/m²。

通过实验测定，生物过滤带11存在积水与否，关系到生物过滤湿地10的过滤效果和能力。以下是实验测得不同状况下生物过滤湿地10的过滤效果。

表一：生物过滤带稍淹没的实验数据表

表二：生物过滤带长期淹没实验数据表

由实验数据可知，无论时在稍淹没和长期淹没的情况下，本发明对河水中的污染物去除效率非常高的，尤其对悬浮颗粒、金属具有极高的去除效率，对氮、磷也有较强的去除效率，尤其是在长期淹没的情况下。

泄洪和停机检修期：

汛期时，当上游来水增加到泄洪要求时，将橡胶坝1降低到最低，以此满足泄洪的要求。

当过滤介质长时间运行后，导致过滤介质污染物积累增多，导致河水过滤能力降低，停机使过滤介质晾晒，如果污染物积累严重，则需要进行重新更换过滤介质。

多个生物过滤护坡沿河道梯度修建：

河道符合建设的梯度要求时，可以在一条河道上，连续修建若干个此生物过滤护坡，形成一个梯级的河道修复工程，对黑臭河处理效果更佳。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。