基于生態(tài)磚構建的新型河堤結構及位移分析

郝 偉,武 雷,李清曼

(1.東南大學土木工程學院,江蘇南京 210096;2.中國科學院水生生物研究所,湖北武漢 430072)

基于生態(tài)磚構建的新型河堤結構及位移分析

郝 偉1,武 雷1,李清曼2

(1.東南大學土木工程學院,江蘇南京 210096;2.中國科學院水生生物研究所,湖北武漢 430072)

結合生態(tài)治理的要求,在分析國內外生態(tài)河堤的發(fā)展狀況及相關的優(yōu)缺點的基礎上,提出了新型生態(tài)河堤,并通過ANSYS有限元軟件對生態(tài)河堤的承載力及剛度進行有限元分析,對局部河堤結構進行了試驗探究,并將有限元結果與試驗結果進行對比,吻合情況較好。同時有限元結果也表明結構有較好的承載力、剛度、穩(wěn)定性以及生態(tài)效果等,真正達到了人與自然的關系的和諧。

生態(tài)河堤;生態(tài)磚;承載力;剛度;位移;荷載

隨著人類文明的不斷進步,人們對人與自然關系的認識也不斷升華,并首先在西方發(fā)達國家提出了生態(tài)城市的概念。城市的河流生態(tài)系統(tǒng)是整個生態(tài)城市建設的核心系統(tǒng)[1]。

目前國外河流生態(tài)修復技術有很多種,主要包括:在河流整治中,結合洪水管理,貫徹“給河流以空間”的理念,建設分洪道和降低河漫灘高程;為了實現(xiàn)縱向連通及河道與河漫灘區(qū)的橫向連通的河流連續(xù)性恢復,建設低壩并設置魚道、堤防拆除;恢復河流蜿蜒性;河道岸坡生態(tài)防護等。此外,結合河流生態(tài)修復規(guī)劃和設計,一些規(guī)劃設計模型和方法也被提出。在筑壩河流上,針對改善下游河流的生態(tài)系統(tǒng)狀況,有關水庫優(yōu)化調度方式的研究和示范在一些國家也進行了研究,并初步取得一些成果。

我國在河流生態(tài)修復方面的研究工作起步較晚,尚處于學習引進國外先進經(jīng)驗的階段。我國在河道治理當中主要存在以下幾個問題:(1)河道整治中硬化渠道,導致生態(tài)系統(tǒng)和水體的破壞;(2)裁彎取直,改變了河道的自然流態(tài)[2-3]。

本文結合生態(tài)治理的要求,開展城市河道的新型生態(tài)河堤的研究,提出了具有防沖刷、透水、水土保護、適宜植被魚類生長的復合河道系統(tǒng)的建設方案,滿足河口水質凈化與景觀提升的要求,達到了人與自然關系的和諧。

1 國內外常用的生態(tài)河堤的形式

1.1 椰子纖維捆堤岸[4]

將椰子殼纖維用麻線織物捆綁成圓筒狀,一般直徑為30 cm,長為600 cm,用木樁固定在堤岸坡角,通常放置在高水位線處、齊岸處,見圖1。

圖1 椰子纖維捆堤岸

該堤岸能夠將沉積物攔下,利于植被生長并保護堤岸坡角,免受流水侵蝕;椰子殼纖維捆具有彈性,能夠保持堤岸蜿蜒曲折的自然屬性;這種技術必須與其他生態(tài)技術結合使用。也可以應用在湖泊、人工景觀水系等水面較為平靜的水系岸邊,有助于水生植物的生長。也可以將蘆葦?shù)人参锏姆N子放置在椰子纖維捆中,并用木樁將其固定在岸邊,待種子發(fā)芽成長以后,形成活植物捆堤岸,為微生物提供良好的生活棲息環(huán)境,過濾沉淀泥沙,保護水系堤岸。

1.2 活樁堤岸[5]

將活的樹樁(一般用柳樹)直接夯入河岸邊土壤當中,樹樁生根后將土壤盤結為一個整體,起到穩(wěn)定堤岸土壤的作用,見圖2。

圖2 活樁堤岸

該堤岸適用于坡度較小但沖刷較為嚴重的堤岸,以及容易發(fā)生小塊滑坡和坍塌的堤岸,還可作為不同形式生態(tài)堤岸之間的過渡段。奧地利在對多瑙河的改造中使用了這種方式,取得了很好的效果。

1.3 原木和根墊堤岸[6]

用塊石或混凝土砌塊將原木和樹根固定在岸邊,為野生生物提供理想的生活棲息環(huán)境,見圖3。

圖3 原木和根墊堤岸

該堤岸適合于蜿蜒曲折、水流流速平緩、水體沒有漫上堤岸的水系;與其他生態(tài)技術結合使用;為魚類和昆蟲等生物提供生活空間,增加水系走廊的生物多樣性。

2 基于生態(tài)磚構建的新型生態(tài)河堤

2.1 生態(tài)磚的定義以及相關工作原理

所謂生態(tài)磚,至少應具備下面兩個要素:首先,它屬于磚的范疇,但也不等同于工程中普遍使用的粘土磚、粉煤灰磚、水泥磚等,而是多采用工業(yè)廢料制作而成,不會對環(huán)境造成二次污染;其次,它的孔隙率較一般較大,體現(xiàn)出生態(tài)的要求,為水中的魚類提供良好的棲息環(huán)境,同時也實現(xiàn)了水體的良好循環(huán)。

生態(tài)磚內多以礫石、卵石為填充物,日本、韓國采用了比較成熟先進的生物接觸氧化工藝技術。生物接觸氧化法是一種介于活性污泥法與生物濾池之間的生物膜法工藝,具有處理效率高、占地小、對水質適應性強、耐沖擊性能好、產泥量少、出水水質穩(wěn)定等優(yōu)點。填料作為微生物的載體是生物接觸氧化池的核心。填料的表面棲息著大量的高活性微生物,它們能夠高效快速地吸附合成和氧化分解污水中的有機物。根據(jù)河道不同河段水力學特征,在河道水質得到改善的基礎上,運用不同水生植物生長習性互補原理,對不同水生植物種群進行組合、優(yōu)化,篩選出適合于河流生態(tài)系統(tǒng)恢復的種群配置,更好的吸收空氣中以及分解水中的污染物,為水中的魚類提供更好的繁殖場所。

2.2 生態(tài)河堤的構造

國外生態(tài)堤岸更注重生態(tài)的保護,利用天然的植物,如椰子纖維、活樁、活枝條、灌木、原木等來構造堤岸,更能體現(xiàn)河堤的核心生態(tài)。國內生態(tài)堤岸的做法多使用剛性堤岸,充分利用了混凝土、塊石的特性,與傳統(tǒng)河堤的做法只是稍微做了改進,并未真正的達到生態(tài)的效果。

城市河道的整治當中,河堤一般有兩種做法:一種是采用擋土式河堤,一種是采用護坡式河堤。常用的擋土結構有水泥土攪拌樁重力式擋墻、擋土灌注排樁、鉆孔灌注樁加水泥土攪拌樁等形式,可以根據(jù)水文地質條件,以及現(xiàn)場的實際情況選擇各種擋土式結構。護坡式主要有漿砌或干砌塊石護坡、現(xiàn)澆混凝土護坡以及預制混凝土塊體護坡等做法。塊石護坡對原材料的塊石質量有一定的要求,需要塊石有一定的平整度,施工供料上存在較大的困難,且對砌筑的砂漿強度也有一定的要求。現(xiàn)澆混凝土護坡實用、美觀,施工進度快,質量好,材料供應廣泛。但混凝土護坡在維修時往往因為新舊混凝土不宜結合牢固,修補不方便,而塊石護坡?lián)p壞后可以隨時更換、隨時修補。預制混凝土板護坡可以先在加工廠進行預制,再運至現(xiàn)場進行鋪設,具有可進行工廠化施工、節(jié)省工期、混凝土質量好等優(yōu)點。同時也適用與施工場地狹小,施工工期短的的護坡工程[7-10]。

以上兩種做法各有優(yōu)缺點,缺點都硬化了河道,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,人們也逐漸意識到這些給生態(tài)環(huán)境帶來了不良的影響,造成了生態(tài)的惡化,一些水生動植物也瀕臨滅絕。擋土式河堤施工費用高,且施工復雜,護坡式利用土坡本身的自穩(wěn)型,在其表面漿砌塊石或澆筑混凝土,割裂了土壤與水體的關系,加劇了河道的水污染,同時破壞了水生動植物的生存環(huán)境。在總結各方面優(yōu)缺點的基礎上,充分考慮工程造價的經(jīng)濟性,本文提出了新型生態(tài)堤岸的方案,充分利用土體本身的自穩(wěn)性,并保留了水體與土體的相互聯(lián)系,同時不破壞水生動植物的棲息環(huán)境。

生態(tài)河堤坡度的確定是利用了天然土坡的自身穩(wěn)定性,必要時進行相應的土坡穩(wěn)定性分析驗算。天然土坡形成穩(wěn)定的坡度以后,即可以沿著河流的方向每隔10 m壓入截面尺寸為250 mm×400mm的矩形樁,為了防止由于河水常年沖刷及河堤自身的原因導致的不均勻沉降,在河堤底部做拋石處理。選擇在河流枯水期進行施工,一般水平的分格梁設置在河流的常水位處,如果河流較深也可以設置幾道水平分格梁,分格柱與水平的分格梁形成框架,在形成的框架內安裝生態(tài)磚(見圖4、圖5)。分格梁采用預制梁,預制柱與分格梁間采用預留孔插筋灌漿進行連接。生態(tài)磚間、生態(tài)磚與柱及分格梁間采用螺栓連接。河堤的頂部可結合人行道路做現(xiàn)澆鋼筋混凝土頂蓋。生態(tài)磚采用C30的混凝土預制而成,基本尺寸為900 mm×450 mm×400 mm(見圖6)[11]。

圖4 生態(tài)河堤三維圖

圖5 生態(tài)河堤剖面圖

圖6 生態(tài)磚三維圖

3 生態(tài)河堤整體結構性能研究

3.1 整體結構的有限元模擬

為研究生態(tài)河堤的整體結構性能,采用ANSYS有限元進行生態(tài)河堤的模擬分析,鋼筋混凝土生態(tài)磚采用SOLID65單元,土體采用SOLID45單元,土體與生態(tài)磚之間的粘結滑移采用TARGET170單元與CONTACT173單元進行模擬。水流影響簡化為靜力作用,模擬了結構在恒載與活載組合下的工況,活荷載通過在生態(tài)磚上的施加面荷載0.0033 N/mm2,通過計算分析,整個生態(tài)河堤結構X方向的最大位移uXmax=1.36 mm,最小位移uXmin=-0.032 mm。Y方向的最大位移uYmax=0.63 mm,最小位移uYmin=-1.64 mm。最大等效應力smax=1.79 MPa,模擬結果表明,整體結構的剛度性能良好。

3.2 考慮生態(tài)河堤局部不均勻沉降的情況下結構工作性能

為了確定局部生態(tài)河堤結構的承載力及相應的變形,用ANSYS有限元進行模擬分析,模擬了三塊磚中間一塊的地基出現(xiàn)局部塌陷工況下結構的承載力,經(jīng)過有限元模擬分析計算可知,河堤在局部不均勻的情況下仍能保持良好的結構承載力與穩(wěn)定性。

對于以上的分析我們進行了相應的試驗研究,試驗由三塊生態(tài)磚連接而成,不同生態(tài)磚之間通過M12的螺栓進行連接,形成一個變截面梁,兩端的約束為簡支,在每塊磚的上部布設百分表,最終形成的試驗模型(見圖7)。整個結構的試驗破壞荷載為33.3 kN與ANSYS有限元分析的36 kN非常接近,結構的豎向最大位移為13.1 mm。

圖7 試驗模型

4 基于生態(tài)磚構建的新型生態(tài)河堤建造工藝

4.1 工藝流程

邊坡修整→定位放線→靜壓分格柱→基底拋石→安裝生態(tài)磚→安裝分格梁→安裝分格梁上部的生態(tài)磚→堤頂壓梁板施工→生態(tài)磚充填填充物→磚內種植生態(tài)植物。

4.2 主要工藝要求

施工過程中定位放線要準確,控制基底拋石的質量,并應嚴格檢查預制生態(tài)磚的質量,孔洞的尺寸,以保證在拼裝過程中,磚的上下左右都要連接牢固,防止使用中松脫。生態(tài)磚內填充卵石、礫石以后種植水草植物時應避免選擇高溫天氣,因為磚本身加上內部的充填物吸熱量較大,要保證水草的水分供應。

5 結 語

本文采用生態(tài)磚作為堤岸坡面,輔以分格柱、梁來加強堤岸結構的整體性,形成了新型生態(tài)河堤。通過ANSYS有限元分析及局部試驗研究,可以得到以下幾點結論:

(1)局部生態(tài)磚組成的河堤仍具有一定的承載力,承載力達到了33 kN,滿足施工以及正常使用中的相關要求,同時與有限元模擬的36 kN非常接近;

(2)整個河堤結構體現(xiàn)出較好的生態(tài)性,加強水體凈化循環(huán)的同時,也為魚類提供良好的棲息環(huán)境。

(3)在堤岸上種植生態(tài)植物凈化水體,提升河堤景觀的功能性要求。

新型生態(tài)河堤的提出,豐富了河流生態(tài)治理的方法,同時這與建設生態(tài)城市的要求是一致的,在國內外具有較好的可行性。

[1]胡大偉,程吉林.城市生態(tài)河堤建設的限制性因素分析[J].水利規(guī)劃與設計,2009,(2):14-16.

[2]于春延,宋 劍,張新紅.生態(tài)河堤的研究及其在河道治理工程中的應用[J].河南水利與南水北調,2008,(6):23,26.

[3]趙斌.生態(tài)河堤應用問題研究[J].科技致富向導,2011,(14):393.414.

[4]Hollis H A,James R L.Bioengineering for stream bank erosion control,technical report EL[R].Washington D C:US Army Corps of Engineers,1997,97(8):35.

[5]Browne F X.Borough of Perkasie stream restoration[EB/OL].[2009-03-31].

[6]Jurgen Z.Ingenieurbiologische bauweisen[R].Freising:studienfakult frostiest senschaft und ressourcenm-anagement,2004:43.

[7]王 駿.城市河道整治中的生態(tài)護坡結構探討[J].中國西部科技,2011,10(1):58-60.

[8]曹仲宏,徐 澤.現(xiàn)代城市河道生態(tài)護坡淺談[J].城市道橋與防洪,2011,2(2):50-53.

[9]田曉靜,高金超,王迎風.防洪河道生態(tài)護坡工程探析[J].黑龍江水利科技,2009,37(6):97-98.

[10]李 穎,楊健榮.生態(tài)型護坡介紹及其發(fā)展展望[J].環(huán)境工程,2010,28(S1):428-430.

[11]郭忠義,鮑衛(wèi)鋒,趙 微,等.生態(tài)磚在城市河道治理中的應用[J].中國農村水利水電,2007,(1):88-89.

Analysis on New Riverbank Structure with Ecological Bricks and Its Displacement

HAO Wei1,WU Lei1,LI Qing-man2
(1.School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing,Jiangsu210096,China;2.Institute of Hydrobiology,Chinese Academy of Sciences,Wuhan,Hubei430072,China)

Combinedwith the requirements of ecological management,the development situation of ecological riverbank at home and abroad is analyzed,and the new type of ecological riverbank is put forward.Then,the bearing capacity and stiffness of the ecological riverbank are analyzed through the finite element software ANSYS,and the experiment for the part of the riverbank structure is carried out.At last,the results of ANSYS are compared with experimental results,and the results are very similar.The results of finite element method also show that the structure has good bearing capacity,stiffness,stability,ecological effect and so on,really making the relationship between man and nature in harmony.

ecological riverbank;ecological brick;bearing capacity;stiffness;displacement;load

TV871

A

1672—1144(2012)05—0041—04

2012-03-21

2012-04-27

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2009ZX07102-003-4)

郝偉(1986—),男(漢族),江蘇人,碩士研究生,研究方向為土木工程。