淺析生物磚護岸結構在河流治理中的適用性

李 鋒

(上饒市水利科學研究所，江西 上饒 334000)

隨著國家對各行各業環保意識的逐漸滲透，我國原來河流治理一些做法逐漸不符合國家標準[2- 5]。如忽視河道兩岸生態環境及景觀效果，人為將自然彎曲河流直線化，模式呆板，既失去景觀觀賞性，又嚴重破壞河流周圍生態環境。近幾年來水利工作者在河流治理中逐漸意識到此類問題，逐漸將環保理念與景觀效果應用于岸坡恢復工作中。

信江是江西省上饒市域內最重要的河流，因水資源開發不科學，河流生態系統遭到破壞。為了修復其岸坡，選擇了復合生物磚結構，復合生物磚具有穩定性好、施工環節少的優勢，但考慮到磚孔面積占去將近45%，其抗沖刷能力是否能夠適用于河流治理是一個重要問題。

本文以江西省上饒信江護坡生態工程為研究對象，探究復合生物磚護岸結構在河流治理中的應用。經過調查信江河道水流速度，設計試驗并建立模型探究復合生物磚抗沖刷能力與其景觀效果，以檢驗復合生物磚護岸結構能否在河流治理中推廣應用。

1 試驗設計

1.1 河流流域介紹

信江貫穿江西省上饒市境內，最后匯入撫河左岸，河全長約313km，流域面積達到約17600km2，經歷年測定其平均流量82m3/s。河床平均比降約1.30%，自然落差達到130m。該地域常年氣溫較高，平均氣溫約18.5℃，該地區常年多雨，平均年降水量約2258mm。信江在余干縣橫斷面處2016年遭遇特大暴雨，洪水洪峰流量達到650m3/s，河道流速最大處超過8m/s，平時河道流速維持在6.2～7.2m/s范圍內，其水能理論蘊藏量接近12000kW。

1.2 復合生物磚護岸結構試驗設計

復合生物磚主要由雙孔水泥磚、營養土、植被部分3個重要部分組成。雙孔水泥磚，設計單孔規格是長度200mm，寬度200mm，高度390mm，磚壁厚度40mm。其設計為上下左右自然錯縫，方便后期施工砌筑，不需要水泥砂漿勾縫。營養土是由自然種植土與泥炭土按照混合比例1∶0.25混合而成，一般可摻入少量NPK復合肥。植被部分則主要是將狗牙根、百喜草種子、山毛豆種子與杜鵑、野牡丹小苗混合培育，養成灌木或稀植類。為了方便運輸及保證試驗的準確性，復合生物磚試驗場地及試驗樣本構件制作均在信江綜合治理工程現場設置完成。復合生物磚干砌完成后，將營養土回填到磚孔內，澆水壓實，保證磚孔內營養土填充飽滿，不得存在遺漏。生物磚形狀及尺寸規格見圖1。

圖1 護坡復合生物磚形狀及尺寸

1.3 生物磚室內試驗

含有植被土體抗沖刷能力的物理模擬試驗方法大致可以歸為兩類：縮尺模型方法，選擇將剛體或柔體塑料代替植被構造模型，分析植被在水流沖刷時所受力情況；借助壓管流代替實際河道水流，在實際真實的植被表面沖刷，此種方法相對比較接近真實情景[1]。綜合考慮試驗條件與試驗模擬效果等情況，本文生物磚室內試驗選擇壓管流的方式進行模擬。搭建的模型設備主要包括：高位水箱、量水堰、鋼管、閘閥、方形有機玻璃管、尾水渠、地下水庫。復合生物轉抗沖刷能力模擬試驗設備如圖2、3所示，透明有機玻璃制作組成其壓流實驗部分，有機玻璃管道規格尺寸為長30cm，寬15cm，高度1000cm。有機玻璃板制作的試驗部分與有機玻璃方管直接存在一段過渡段，其橫截面規格為長20cm，寬15cm，這樣維持至少有6.2m/s流速的水流過，達到信江河道流速范圍在6.2～7.2m/s。試驗部分方管下部安放56cm長的方箱，方箱橫截面規格為長40cm，寬30cm，其主要功能是盛裝復合生物磚試驗樣本。生物磚表面必須保持與試樣方管底部在同一水平線上。復合生物磚上部留出有機玻璃活動板，利于安裝和拆卸復合生物磚試驗樣本。同時活動板和有機玻璃水槽之間必須安裝止水橡膠，避免跑氣漏水現象出現。本試驗所用樣本在信江施工現場制作完成，培育期長達6個月，保證狗眼根草高度達到25cm以上。

圖2 試驗裝置布設立面圖示意圖

圖3 試驗裝置布設平面圖示意圖

復合生物轉試驗樣本共設2組，其中標號1組的在未進行抗沖刷能力試驗前在水中浸泡8h，用于模擬實際降水后，土壤含水率快速上升的情形。標號2組樣本在抗沖刷能力試驗前不做任何處理，在自然狀態下直接完成沖刷試驗。為了排除沖刷時長對試驗結果的干擾，所有試驗樣本均在相同條件下沖刷8h，并采用相同的檢測方法測定復合生物磚沖刷坑的深度。

2 護岸效果

2.1 抗沖刷能力分析

長有狗牙根草的土壤遭到破壞主要是因為水流沖刷時，植被根系較少的區域水土流失現象嚴重，使得根系暴露于空氣中，最終植被根系也因水流沖刷而沖走，進一步降低了植被根系的錨固作用。改變水流模擬速度(從6.2m/s以0.2m/s增幅增加到7.2m/s)，記錄復合生物磚上游孔與下游孔沖刷深度的最大值，并繪制折線變化圖(見圖4)。通過記錄的數據可以得到，在自然植被情形時(標號2試驗組)上游孔植被沖刷坑深度在1.6～6.3cm范圍變化，下游孔則在0.25～4.75cm范圍波動；經過浸泡8h(標號1試驗組，模擬降水土壤含水率上升情況)后沖刷試驗上游孔的植被沖刷坑深度在2.1～7.2cm范圍波動，下游孔植被沖刷坑深度在1.5～5.6cm范圍內變化。分析各種試驗條件下各部位的沖刷坑深度，不難得出，復合生物磚沖刷坑深度最高值受管道流速影響，并且兩者呈正相關關系。試驗時，狗牙根在經過水流沖刷，所有都傾斜在生物磚土層表面，構成植被覆蓋層，減少水土流失現象發生幾率。植被茂密程度及根系發達程度決定著對土層的保護作用，呈現正相關態勢。對比生物磚不同位置的沖刷坑深度，基本上游孔沖刷坑深度略大于下游孔沖刷坑深度，約2cm左右。造成該現象主要是由于上游孔植被覆蓋較少，根系稀疏，土壤在水流沖刷下，水土流失較為嚴重。對比分析標號1與標號2試驗樣本同樣位置的沖刷坑深度，不難看出試驗樣本經過浸泡8h后，土壤含水率升高，造成土壤松散，沖刷較為嚴重；同是上游孔位置，標號1與標號2試驗樣本，標號1沖刷深度大于標號1試驗樣本沖刷深度約1cm，而同是下游孔位置，則相差約0.9cm。考慮到本文選擇的復合型護岸結構的土體裝填在水泥孔內，狗牙根草的根系與枝蔓比較多且茂密，并且摻雜零星灌木，同樣擁有發達的根系，避免水土大量流失，所以在水泥磚和植被的防護下，本試驗樣本破壞程度較輕。通過調查江西省內多條河流河道流速，基本都在7.2m/s以下，所以本文介紹的復合型生物磚完全可以應用在江西省內河流治理中。

圖4 不同標號試驗樣本各位置沖坑最大值對比折線

2.2 生態景觀作用

借助復合生物磚完成對信江的護坡改造工作，經過實地調查護坡上植被覆蓋率高，長勢良好。復合生物磚有近45%的面積為磚孔填土，可以有效滲水，并水內微量元素大量被植物吸收，降低水體富營養化程度，將雨水經過滲透截流，使得地下水更加豐富。利用該復合生物磚護岸因不需要泥漿，更利于各種生物生存繁衍，保證了河道兩岸生態平衡。除此以外，生物磚結構可以相互交錯，可以適應多種地形采取剛性與柔性防護，對河道原有形態不進行改變，利于營造良好的生態環境。

信江護坡和河道垂直護岸結構間鋪筑生態透水混凝土道路，周圍搭設各類景觀工程，美化河道兩岸景觀，適于居民休憩觀賞。復合生物磚為了保證植被發芽率，為其生長創造良好環境，在其護坡鋪撒富含各類微量元素的土壤，并保證松軟透氣，保持水分。經過實地應用觀察，植被發芽率高，種植30d后，生物磚結構的植被長勢喜人，經過90d后植被茂盛，根系十分發達，完全達到故土保水的作用。

在生物磚孔內種植的狗牙根草能夠匍匐生長，加上種植灌木類，保證了植被高密度。經過2400d后，經實地觀測，狗牙根草均達到35cm左右，灌木高度在狗牙根草以上。植被茂盛將生物磚覆蓋，并能夠與周圍景觀協調相稱，達到很好的景觀效果。

3 結語

本文針對江西省上饒市信江護坡生態工程中復合生物磚護岸結構在河流治理中的應用性展開研究。經過試驗采用壓管流的方式設定與實際河道流速一致的水流速度測定復合生物磚抗沖刷能力，并在施工現場查看其景觀效果。最終得到如下結果：

(1)生物磚結構抗沖刷能力能夠用于河流治理中。

(2)復合生物磚內配制的營養土可保障植被出芽率及生長營養，植被茂盛，根系發達，具有很好的景觀效果。綜上所述，復合生物磚護岸結構在河流治理中值得推廣應用。本文為復合生物磚在江西省中小河流治理中的應用提供了經驗與借鑒。

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