一种直线型城市河道的生态改造结构的制作方法

本发明涉及城市河道的改造，特别是涉及一种直线型城市河道的生态改造结构，尤其适用于不宜进行大范围改造的硬质护岸直线型河道的生态改造。

背景技术：

传统城市河道通常被建设为直线型混凝土硬质河道，这一特征满足了对城市行洪排涝、航道、水资源供给等多重需求，但与此同时所带来的环境和生态问题却日渐引起大家的重视。

首先，直线河道会导致河流平均流速加快，某种程度会使下游的泥沙沉积量增大，也会导致滞洪作用减弱，在汛期水深、浪急，导致汛期洪峰提前等隐患发生。再者，直线型且流速过快的河流也不易形成异质化河床，致使各种水生生物栖息、产卵的浅滩生境结构丧失，造成正常生息繁衍环境退化并消失，从而导致河流生态系统被破坏、生境丧失或被阻断、物种减少等生态系统退化的问题，同时降低河流的生态净化能力导致水质恶化。另外，直线河道在枯水期常常因为水流方向均一化而导致河道两侧淤积较厚而露出河底淤泥，加之三面光的硬质护岸和污染的水体，毫无景观可言。

但是，由于城市的成熟开发，河道周边空间有限，将直线河道恢复为自然曲折的河道线型在当前显然是不现实的，因此亟待解决的是在不改变现有直线河道基本结构和位置的基础上对其进行改造，在保证城市河道基本功能的基础上克服上述生态、环境和景观问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有直线河道不能进行大规模扩建、改建等实际条件，提出一种直线型城市河道的生态改造结构，从而达到滞蓄洪水、延迟洪峰等防洪作用，改善河道两岸淤积，使河道形成异质化河床结构、增加水生动植物栖息环境等一系列生态作用。

为实现上述目的，本发明提供了一种直线型城市河道的生态改造结构，包括分别设置在直线型城市河道两侧河岸边的透水堰坝群与垂直堰坝群，所述透水堰坝群包括至少两组平行与护岸连接且向直线型城市河道中央迎水方向倾斜延伸设置的第一堰坝单元，所述第一堰坝单元包括与护岸相连的坝体、坝体端部的坝头以及设置在所述坝头周边淤泥层表面的防护石，所述坝体包括自河底淤泥层依次向上设置的第一基础层、环流过水层、第一面层，所述垂直堰坝群包括至少两组与护岸垂直连接且向直线型城市河道中央延伸设置的第二堰坝单元，所述第二堰坝单元包括第二基础层、过水层、第二面层。

优选地，所述第一堰坝单元的主轴线与水流方向呈50°～80°夹角，所述坝体的长度为直线型城市河道宽度的1/5～1/3，所述坝体的宽度为30～60cm，相邻第一堰坝单元之间的横向间距为坝体长度的1～3倍。

优选地，所述透水堰坝群中第一堰坝单元之间的距离、所述垂直堰坝群中第二堰坝单元之间的距离均采用平均设置或者递增设置；所述透水堰坝群中最靠近上游的第一堰坝单元的高度和所述垂直堰坝群中最靠近上游的第二堰坝单元的高度均为低于直线型城市河道常水位20～30cm，其后的第一堰坝单元和第二堰坝单元的高度均分别逐步增高，所述透水堰坝群中最靠近下游的第一堰坝单元的高度和所述垂直堰坝群中最靠近下游的第二堰坝单元的高度均为高于常水位10～20cm。

优选地，所述坝头设置为圆弧形结构；所述防护石包括呈扇形铺设的一层粗砂和一层碎石，所述粗砂的铺设厚度为3～5cm，所述碎石的铺设厚度为10～15cm，所述碎石为粒径为1～5cm的级配碎石。

优选地，所述第一基础层大粒径碎石建造的钢筋混凝土结构，所述大粒径碎石的粒径为5～10cm；所述第一基础层的顶端高于淤泥层上表面20～30cm；所述第一面层为厚度≥30cm的钢筋混凝土结构，所述第一面层的侧面和上表面为粗糙面。

优选地，所述环流过水层包括垂直设置在所述第一基础层上的一排第一支撑柱以及设置在所述第一支撑柱之间的导水环流机构，所述导水环流机构包括垂直设置在所述第一支撑柱间空隙的中点位置的中心柱以及设置在所述中心柱上且围绕所述中心柱旋转的环流叶片。

优选地，所述环流叶片的形态为两侧边分别互补的波浪式结构，其中，所述环流叶片的一侧为凹波浪形状，所述环流叶片的另一侧为凸波浪形状，并且所述环流叶片为厚度不均一的涡轮状结构；所述环流叶片的每一个波浪形状的波长为20～30cm，波峰为10～20cm。

优选地，所述第二堰坝单元的数量与第一堰坝单元的数量相同，且所述第二堰坝单元的位置与第一堰坝单元的位置持平，所述第二堰坝单元的长度为直线型城市河道宽度的1/10～1/8。

优选地，所述过水层包括垂直设置在所述第二基础层上的一排第二支撑柱、横向连接在相邻两根第二支撑柱上的固定杆以及悬挂在所述固定杆上的导流门，所述导流门的上部为矩形，所述导流门下部为平齐锯齿形。

优选地，所述第二堰坝单元的表面为光滑面；所述第二基础层顶端低于所述淤泥层的上表面3～5cm；所述固定杆的直径为2～5cm，所述固定杆的位置低于所述第二面层底端10～20cm；所述导流门的宽度为30～50cm，所述导流门的下端距离所述淤泥层的高度为20～35cm。

基于上述技术方案，本发明的优点是：

本发明的直线型城市河道的生态改造结构不仅可以起到控制水流速度、引导水流方向和减轻水力冲刷，从而达到滞蓄洪水、延迟洪峰等防洪作用，还可通过造就不同水力条件，在堰坝过水区形成紊流、乱流和旋涡，有利于水体的曝气增氧，改善河道两岸淤积，使河道形成异质化河床结构，通过形成水生动植物栖息环境而增加生物多样性，同时也极大增加了河床的比表面积，使附着在河床上的生物数量大大增加，有利于水体自净能力的增强达到一系列生态作用。如在冲刷坑形成的深陷区，水流缓慢，是鱼类和各类软体动物休憩的好去处，也是洪水期间鱼类等水生生物避难的主要场所。在泥沙垒积形成的浅滩、裸滩、三角洲等结构中，可通过种植不同生活型水生植物、吸引底栖动物、鸟类等驻留，从而形成生态美好的景观效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为直线型城市河道的生态改造结构示意图；

图2为第一堰坝单元俯视示意图；

图3为第一堰坝单元坝体侧视示意图；

图4为第二堰坝单元侧视示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供了一种直线型城市河道的生态改造结构，如图1～图4所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。本发明的直线型河道的生态改造结构通过在河道中设置两种不同类型的透水堰坝群，堰坝群通常为多组联合设置，形成一个相辅相成的系统，解决河道的水安全、水生态、水景观等一体化问题。

具体地，所述生态改造结构包括分别设置在直线型城市河道1两侧河岸边的透水堰坝群2与垂直堰坝群3，所述透水堰坝群3包括至少两组平行与护岸连接且向直线型城市河道1中央迎水方向倾斜延伸设置的第一堰坝单元，所述第一堰坝单元包括与护岸4相连的坝体5、坝体端部的坝头6以及设置在所述坝头6周边淤泥层8表面的防护石7，所述坝体5包括自河底淤泥层8依次向上设置的第一基础层9、环流过水层11、第一面层13，所述垂直堰坝群3包括至少两组与护岸垂直连接且向直线型城市河道1中央延伸设置的第二堰坝单元，所述第二堰坝单元包括第二基础层14、过水层16、第二面层18。

本发明的直线型城市河道的生态改造结构通过在不同河道位置设置不同结构的堰坝群系统，起到控制水流速度，引导水流方向和减小水力冲刷，从而达到滞蓄洪水、延迟洪峰等防洪作用，通过造就不同水力条件，改善了河道两岸淤积，使河道形成异质化河床结构、增加水生动植物栖息环境等一系列生态措施，形成生态美好的景观效果。

如图1所示，透水堰坝群3一般为2～4个平行堰坝为一组，方向指向河道上游，所述第一堰坝单元的主轴线与水流方向a呈50°～80°夹角。所述坝体5的长度为直线型城市河道1宽度的1/5～1/3，如果该河道担负航运功能则应在保证航运通道的前提下进行设置。所述坝体5的宽度为30～60cm，还可根据需要拓宽。相邻第一堰坝单元之间的横向间距为坝体5长度的1～3倍。平均水流速度越大，间距设置越窄。优选地，所述透水堰坝群3中第一堰坝单元之间的距离、所述垂直堰坝群3中第二堰坝单元之间的距离均采用平均设置或者递增设置。

如图2所示，所述第一堰坝单元包括与护岸4相连的坝体5、坝体端部的坝头6以及设置在所述坝头6周边淤泥层8表面的防护石7。由于第一堰坝单元的坝头6部分会收到最大的水力冲刷，为保护坝体5的稳定和结构完整，坝头6部分设置为圆弧形结构。另外，为保护坝头6的第一基础层9不被水流冲刷导致坝基下陷或倾斜，在第一基础层9的坝头6位置周边的淤泥层表面设置防护结构，即设置防护石7。所述防护石7包括呈扇形铺设的一层粗砂和一层碎石，起到缓解水力冲刷的作用。所述粗砂的铺设厚度为3～5cm，所述碎石的铺设厚度为10～15cm，所述碎石为粒径为1～5cm的级配碎石。

如图3所示，所述第一堰坝单元结构从下到上分为自河底淤泥层8依次向上设置的第一基础层9、环流过水层11、第一面层13三部分。整个结构主体由钢筋混凝土构成，其中钢筋应使用可用于水下构建的防锈腐钢筋。

优选地，所述第一基础层9大粒径碎石建造的钢筋混凝土结构，所述大粒径碎石的粒径为5～10cm，同时为增加稳定性，可设置为下部略宽、上部略窄的形状。所述第一面层13的侧面和上表面为粗糙面。为保持堰坝的稳定，每个第一基础层9基础应埋设于水下淤泥层8下方的土基层，具体深度可根据水利条件进行计算。一般而言，由于最靠近上游的第一基础层9受到冲击力最大，埋深应着重考虑，所述第一基础层9的顶端高于淤泥层8上表面20～30cm。

所述环流过水层11位于第一基础层9的上面，所述环流过水层11包括垂直设置在所述第一基础层9上的一排第一支撑柱12以及设置在所述第一支撑柱12之间的导水环流机构10。为减少水流冲刷对结构稳定性和完整性的破坏，所述第一支撑柱12设置为纵向分布于第一基础层9上方的平台上的一排外表面光滑的实心圆柱体结构。第一支撑柱12依然由钢筋混凝土建造而成，将上方第一面层13和下方第一基础层9连成一体，其中混凝土中碎石粒径为0.5～1.5cm。所述第一支撑柱12的直径一般设置为堰坝宽度的1/2～2/3，如堰坝过宽，第一支撑柱12还可设置为2排或多排，同时相邻两个第一支撑柱12之间的间距设置为30～60cm，便于设置导水环流机构10。

如图3所示，所述导水环流机构10包括垂直设置在所述第一支撑柱12间空隙的中点位置的中心柱以及设置在所述中心柱上且围绕所述中心柱旋转的环流叶片。所述中心柱为光滑的圆柱体，直径为2～5cm为宜，可采用耐锈蚀、强度和韧度高的金属、合金或聚合材料制成，中心柱位于第一支撑柱12之间空隙的中点，同样与上方第一面层13和下方第一基础层9连接为一体。

所述环流叶片由耐锈蚀、耐冲刷且韧度强的金属、合金或聚合塑料、合成树脂等材料制成。环流叶片位置上下固定于中心柱之上，并围绕中心柱旋转，环流叶片的宽度应小于相邻第一支撑柱12的间距，可设置为20～50cm宽，高度以环流叶片顶端低于第一面层135～15cm且底端高于第一基础层9上表面10～20cm为宜。

优选地，所述环流叶片的形态为两侧边分别互补的波浪式结构，其中，所述环流叶片的一侧为凹波浪形状，所述环流叶片的另一侧为凸波浪形状，并且所述环流叶片为厚度不均一的涡轮状结构，扭矩可设置为10～20cm。所述环流叶片的每一个波浪形状的波长为20～30cm，波峰为10～20cm。在水流冲刷作用下，所述环流叶片将随水流旋转，这一结构不影响水流通过，一方面凹凸波浪结构可通过切割、分散的方式制造水力阻力同时打乱水流方向形成紊流；另一方面，在所述环流叶片的涡轮状叶片带动下，水流呈上下旋涡状运动，起到滞纳洪水、控制水流速度的作用。

第一面层13位于第一堰坝单元最上层，其厚度不应低于30cm，第一面层13也是钢筋混凝土结构，其中碎石粒径为1～5cm。为增加水流粘性，降低水流速度，第一面层13的侧面和上表面也设置为粗糙面。

优选地，所述透水堰坝群3中最靠近上游的第一堰坝单元的高度和所述垂直堰坝群3中最靠近上游的第二堰坝单元的高度均为低于直线型城市河道1常水位20～30cm，其后的第一堰坝单元和第二堰坝单元的高度均分别逐步增高，所述透水堰坝群3中最靠近下游的第一堰坝单元的高度和所述垂直堰坝群3中最靠近下游的第二堰坝单元的高度均为高于常水位10～20cm。最靠近下游的堰坝可根据需要设置为可供游人步行的亲水平台，即在堰坝面层上架设步行层，增加步行层则应根据载重考虑堰坝基础层的高度和埋深等，同时可以在堰坝侧面的基础层挂设人工鱼巢，吸引鱼类栖息，增加亲水乐趣。

一般而言，由于城市直线型河道在河岸较易发生淤积，由于河道一侧透水堰坝群2的设置，导致对侧水量增加，水流速度和冲击力增大，可利用此对河岸淤积进行改善。

如图1所示，所述第二堰坝单元的数量与第一堰坝单元的数量相同，且所述第二堰坝单元的位置与第一堰坝单元的位置持平，所述第二堰坝单元的长度为直线型城市河道1宽度的1/10～1/8，基本与河岸易淤积累地带宽度一致。本发明在透水堰坝群2对侧设置垂直堰坝群3，所述第二堰坝单元的数量与第一堰坝单元的数量相同，其位置与对侧相对第一堰坝单元与护岸4连接的位置持平，但所述第二堰坝单元垂直于河岸设置。

如图4所示，第二堰坝单元的第二面层18结构与对侧的第一面层13基本一致，所述第二基础层14顶端低于所述淤泥层8的上表面3～5cm。在中部为过水层16，所述过水层16包括垂直设置在所述第二基础层14上的一排第二支撑柱17、横向连接在相邻两根第二支撑柱17上的固定杆19以及悬挂在所述固定杆19上的导流门15。为加强过水速度和增加冲刷力度，在第二支撑柱17之间设置导流门15。

所述导流门15通过横向连接于相邻第二支撑柱17之间的固定杆19与堰坝连接，固定杆17的规格和材质与对侧第一堰坝单元的中心柱一致，所述固定杆19的直径为2～5cm，所述固定杆19的位置低于所述第二面层18底端10～20cm。所述导流门15的材质与对侧第一堰坝单元的环流叶片一致，宽度为30～50cm，所述导流门15的下端距离所述淤泥层8的高度为20～35cm。所述导流门15的上部为矩形，所述导流门15下部为平齐锯齿形，锯齿长度为10～30cm，宽度为5～12cm。导流门15上端悬挂于固定杆19上，可随水流冲刷前后摆动，当水流通过时，导流门15下方的冲刷力增大，导流门15的摆动加上锯齿状的结构增加了水流动力，可帮助水流带走淤积的泥沙。泥沙将被带到下游垒积形成异质化河床结构，如在堰坝上游一侧形成冲刷坑结构，冲刷走的泥沙也将在下游垒积形成浅滩、裸滩等结构。

为增加水流速度、加强冲刷力度，减少摩擦系数，与对侧堰坝群不同，优选地，所述第二堰坝单元的表面为光滑面。

所述堰坝群的下游可根据需要交叉或同向设置上述两侧透水堰坝群2与垂直堰坝群3。堰坝群的设置可根据需要每隔一段距离进行设置，一般选择河流宽度的2～5倍为宜。为达到整个河道的水力条件统一，一般为对侧交替设置，当然也可根据需要同向设置。在水流较急、水力冲刷较强或河床结构较疏松的地区，也可以增加设置密度。

本发明的直线型城市河道的生态改造结构取得上述技术效果的原理如下：

随着透水堰坝群2与垂直堰坝群3的设置，透水堰坝群2区域水流流速发生突变，尤其是坝头6处的水流冲击力急剧加大，不仅使坝头6受到很大冲击，而且使坝头6下的河床遭受强烈冲刷，形成冲刷坑。冲刷坑形成的深陷区，水流缓慢，是鱼类和各类软体动物休憩的好去处，也是洪水期间鱼类等水生生物避难的主要场所。由于坝头6部分铺设的防护石7作为砂石缓冲区保护，冲刷坑将往坝头6外河中心方向移动。通过堰坝的水流速度将有大幅度降低，从而在堰坝的后方即下游方向形成泥沙沉积区，进一步形成裸滩、三角洲等结构，同时，这一区域水流较缓，利于底栖动物栖息、从而吸引鸟类、鱼类觅食，并具有一定的生态景观效果。

透水堰坝群的设置导致对侧水量增加，水流速度和冲击力增大，通过对侧垂直堰坝群3的设置，一方面起到减缓水流、保护对侧护岸安全的作用，另一方面，垂直堰坝群3借助和加强了对侧水流对底部淤泥层的冲刷，起到缓解河岸淤积，同时塑造异质化河床结构的作用。两侧堰坝群相辅相成形成一个整体化系统，逐步达到降低水流速度、引导水流方向，达到延迟洪峰、曝气增氧，同时造就异质化河床环境，改善河道生态系统和景观效果的作用。

本发明的直线型城市河道的生态改造结构可参照如下步骤进行构建：

(1)、清理场地、测量定位，水下基槽开挖；

(2)、按照设计要求在岸上制作钢筋混凝土堰坝结构；

(3)、将组装完成吊放沉入水下基槽；

(4)、进行水下混凝土浇筑，并进行坝头固定，完成基础埋置固定工作，为易于完成水下作业，应尽量选择枯水期设置；

(5)、如需要，按照设计要求铺设亲水平台等附属结构。

本发明的直线型城市河道的生态改造结构不仅可以起到控制水流速度、引导水流方向和减轻水力冲刷，从而达到滞蓄洪水、延迟洪峰等防洪作用，还可通过造就不同水力条件，在堰坝过水区形成紊流、乱流和旋涡，有利于水体的曝气增氧，改善河道两岸淤积，使河道形成异质化河床结构，通过形成水生动植物栖息环境而增加生物多样性，同时也极大增加了河床的比表面积，使附着在河床上的生物数量大大增加，有利于水体自净能力的增强达到一系列生态作用。如在冲刷坑形成的深陷区，水流缓慢，是鱼类和各类软体动物休憩的好去处，也是洪水期间鱼类等水生生物避难的主要场所。在泥沙垒积形成的浅滩、裸滩、三角洲等结构中，可通过种植不同生活型水生植物、吸引底栖动物、鸟类等驻留，从而形成生态美好的景观效果。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。