新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊體的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

(1.江蘇淮源工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 淮安 223001;2.淮安市淮陰區(qū)水利局，江蘇 淮安 223001)

隨著人們對(duì)自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)的逐步深入，水利工程中護(hù)岸材料的選擇也越來(lái)越重視對(duì)生態(tài)保護(hù)的要求，生態(tài)型護(hù)岸材料逐步代替了原有的護(hù)岸材料，并且能夠起到保護(hù)生態(tài)環(huán)境和維持生態(tài)平衡的作用。本文主要研究多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊體的設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析，倡導(dǎo)護(hù)岸塊體設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，將力學(xué)美觀和生態(tài)護(hù)岸有機(jī)地結(jié)合在一起，探索設(shè)計(jì)和應(yīng)用新型多孔隙水利生態(tài)護(hù)岸塊體，為構(gòu)建新型生態(tài)護(hù)岸提供技術(shù)參考。

1 多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊體的設(shè)計(jì)原則

雖然多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊體是一種工程材料，但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中也應(yīng)該遵循一定的設(shè)計(jì)原則，應(yīng)該保證設(shè)計(jì)形式的美觀性和生態(tài)保護(hù)的有效性，在相關(guān)規(guī)范的要求下進(jìn)行塊體的外形設(shè)計(jì)。

1.1 設(shè)計(jì)規(guī)范和要求

河道的護(hù)岸工程是河道治理中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在選擇河道護(hù)岸材料的時(shí)候首先護(hù)岸材料要能夠滿足河道防洪排洪的要求，要保證整體河道工程的安全穩(wěn)定，在實(shí)際的工程條件下，河道護(hù)岸工程可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間面臨河浪和洪水的沖擊，在北方的嚴(yán)寒地區(qū)還會(huì)面臨冰凍考驗(yàn)。不僅如此，生態(tài)護(hù)岸還要注意對(duì)整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)。

1.2 滿足生態(tài)修復(fù)的需求

生態(tài)護(hù)岸項(xiàng)目的建設(shè)要優(yōu)先考慮河道生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，在設(shè)計(jì)和選用材料時(shí)，要保證不同水系之間互不干涉，要保證原有河道的生態(tài)環(huán)境和生態(tài)穩(wěn)定，傳統(tǒng)的硬質(zhì)材料在護(hù)岸工程完成后，將河道原有的水汽系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)，使得生態(tài)環(huán)境受到威脅，所以生態(tài)護(hù)岸材料要能夠溝通河道中的水、植被和動(dòng)物，要讓整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)更加完善，所以在設(shè)計(jì)生態(tài)護(hù)岸材料的時(shí)候要盡量選擇天然的木、石等材料，避免二次污染。

1.3 體現(xiàn)人水和諧的理念

河道護(hù)岸工程材料設(shè)計(jì)首先要滿足審美觀念，使用生態(tài)護(hù)岸施工的河道一般都是親水型生態(tài)河道，也是人們經(jīng)常會(huì)去游玩的場(chǎng)所，所以生態(tài)護(hù)岸材料的設(shè)計(jì)要符合人們的審美觀念，在整體的構(gòu)造和水景設(shè)計(jì)上也要滿足美學(xué)要求，提升整體水景形象。

1.4 因地制宜就地取材

設(shè)計(jì)多孔隙生態(tài)護(hù)岸材料時(shí)，要關(guān)注護(hù)岸材料的成本，因此在實(shí)際施工中，對(duì)于護(hù)岸材料的選擇應(yīng)該做到因地制宜，就地取材，選擇運(yùn)輸范圍內(nèi)的低成本材料來(lái)制作多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊。

2 新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊體設(shè)計(jì)說(shuō)明

2.1 模型外觀

本文介紹的多孔隙生態(tài)護(hù)岸模型設(shè)計(jì)采用的是四腳結(jié)構(gòu)，模型由4個(gè)底座構(gòu)成，中間留有植被生長(zhǎng)通道，還有過(guò)魚(yú)孔以及方形植被孔，前后兩個(gè)插孔。具體設(shè)計(jì)模型外觀見(jiàn)圖1和圖2所示。

圖1 多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊體模型外觀

圖2 多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊體模型俯視圖

2.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

新型多孔隙護(hù)岸材料具有以下特點(diǎn)：

a.該護(hù)岸塊中心有開(kāi)放式的中空立柱，在堆砌完成后，這些中空立柱彼此連通，成為上下貫通的通道，整個(gè)通道起到了兩層作用：?對(duì)于整體的堆砌效果起到了支撐作用；?貫通的通道對(duì)于魚(yú)類(lèi)地穿行提供了場(chǎng)所，同時(shí)也讓植物能夠通過(guò)該通道生長(zhǎng)發(fā)育。

b.該護(hù)岸塊具有4個(gè)支撐腳，在施工堆砌的時(shí)候，這四只固定腳可以深埋入土，增加了整體的穩(wěn)定性能，也使得護(hù)岸河堤更加牢固。

c.在整體堆砌完成后，每層護(hù)岸塊中間有縱橫相錯(cuò)的五條通道，可以為魚(yú)、蝦類(lèi)提供穿行通道，也可以成為魚(yú)蝦和河道生物產(chǎn)卵繁殖和避難場(chǎng)所。

d.新型護(hù)岸塊在左右兩側(cè)分別預(yù)留了安裝插孔和插槽，使得安裝過(guò)程更加簡(jiǎn)單，施工中也可以直接多塊縱向連接后直接布放。

e.橫向的護(hù)岸塊連接之后也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)六邊形的通道，該通道可以有效地為植被的生產(chǎn)和魚(yú)類(lèi)地穿行提供空間。而垂直于地面的制備生長(zhǎng)根系的錨固作用能提高河堤的強(qiáng)度，加強(qiáng)了護(hù)岸作用。

f.新型護(hù)岸塊不僅為魚(yú)類(lèi)提供了活動(dòng)空間，同時(shí)，從生態(tài)系統(tǒng)角度來(lái)看，可以在護(hù)岸塊的小空間內(nèi)形成小的生態(tài)環(huán)境，魚(yú)類(lèi)可以以植物和浮游生物為生，而魚(yú)類(lèi)排泄的糞便又可以為植物提供養(yǎng)分，不僅起到了河堤護(hù)岸的作用，還實(shí)現(xiàn)了自循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)，而且施工簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)。

2.3 設(shè)計(jì)尺寸

當(dāng)河堤的斜坡保護(hù)面為塊石或人工塊體進(jìn)行填埋，并且填埋的坡率在1.5～5之間時(shí)，填埋塊體的質(zhì)量Q以及護(hù)面層厚度t滿足以下公式(1)和(2)：

(1)

(2)

式中Q——防護(hù)面塊體或塊石的質(zhì)量；

rb——塊體或者塊石的容重；

r——水的容重；

H——設(shè)計(jì)的波高；

t——塊體或塊石的厚度；

m——河岸堤與河面的夾角的cot值；

n——鋪設(shè)的層數(shù)；

KD和c——常數(shù)，系數(shù)經(jīng)過(guò)查詢(xún)得到，具體參數(shù)取值情況見(jiàn)表1和表2。

表1 穩(wěn)定系數(shù)KD的取值

表2 常數(shù)c的取值

根據(jù)不同的護(hù)岸與河面的夾角取得了不同的m值，根據(jù)護(hù)岸與河面的夾角范圍，m的取值為1.5～5，因此根據(jù)m取值的極限范圍計(jì)算出新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊的單塊設(shè)計(jì)參數(shù)

3 性能研究

3.1 實(shí)用性分析

河流護(hù)岸工程中經(jīng)常會(huì)利用植物根系的錨固作用來(lái)加固河堤。利用植物的根系錨固加固河堤的工程案例在國(guó)內(nèi)外的河道水利工程建設(shè)中屢見(jiàn)不鮮，尤其是近年來(lái)利用植物和生態(tài)護(hù)岸塊來(lái)加固河堤已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外河道治理，護(hù)岸固堤，防止土壤侵蝕的重要手段。所以多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊的設(shè)計(jì)也越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，但是除了要保證護(hù)岸塊的植物錨固作用外，護(hù)岸塊本身也必須具備一定的強(qiáng)度，而在護(hù)岸塊中生長(zhǎng)的植物也可以看作是護(hù)岸塊的植筋，增強(qiáng)了護(hù)岸塊的穩(wěn)定性；植物生長(zhǎng)嚴(yán)密覆蓋河岸也可以降低河岸的水土流失，還能起到降噪阻光的作用，降低了河堤受到的噪聲沖擊和光照侵蝕。不僅如此，新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊中植被的生產(chǎn)還有美化河堤的效果，改善了河岸的生態(tài)環(huán)境和景觀環(huán)境。

雖然植物的生長(zhǎng)能夠?qū)拥唐鸬胶芎玫募庸套饔茫€能夠美化環(huán)境，但是植物的過(guò)度生長(zhǎng)也會(huì)對(duì)河堤造成一定的隱患，植物過(guò)密會(huì)提高河堤的糙率系數(shù)，造成河堤行洪能力的減弱。

總體評(píng)估植被對(duì)于河堤的作用利大于弊，通過(guò)植物根系的錨固和加筋效果，增強(qiáng)了護(hù)岸塊的護(hù)岸效果，同時(shí)生態(tài)環(huán)境得到了改善，調(diào)節(jié)了土壤的水分含量，對(duì)實(shí)際的護(hù)岸工程很有裨益。

3.2 穩(wěn)定性分析

新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊的安裝過(guò)程：沿著水平方向進(jìn)行接插式安裝，先將第一塊護(hù)岸塊的底座安裝固定在土壤中，再將第二塊護(hù)岸塊依次對(duì)齊排列，豎向安裝時(shí)，將上面的護(hù)岸塊插耳插入前一塊護(hù)岸塊的插孔中，依次接插安裝。如圖3和圖4所示。

圖3 新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊的三維安裝圖

圖4 新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊的安裝平面圖

4 結(jié) 語(yǔ)

新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊有足夠的孔隙可以使陸地和水面充分接觸，使水體和土壤密切相關(guān)，新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊為植物和動(dòng)物提供了充足的生長(zhǎng)和生存空間，同時(shí)也溝通了整個(gè)護(hù)岸的生態(tài)圈，構(gòu)造一個(gè)小型生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊所構(gòu)造的通道和隱蔽場(chǎng)所，魚(yú)類(lèi)可以自由的產(chǎn)卵和避難，植物可以有充足的養(yǎng)分和生長(zhǎng)空間，不僅提高了生態(tài)的穩(wěn)定性，也使得環(huán)境更加美觀。

本文研究的新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊是一種設(shè)計(jì)新穎的護(hù)岸材料，整個(gè)護(hù)岸塊有4個(gè)底座，深入土壤中，增加了護(hù)岸塊的安裝穩(wěn)定性，同時(shí)設(shè)計(jì)的側(cè)面接插耳孔增加了安裝的牢固性，貫穿其中的5條通道為動(dòng)植物的繁衍生息提供了充足的空間。這種新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊可以有效地保護(hù)河道生態(tài)環(huán)境，固化水土，促進(jìn)河道生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分循環(huán)，形成新的食物鏈，豐富河道生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性，同時(shí)這種新型多孔隙生態(tài)護(hù)岸塊適用范圍廣，能夠滿足各種河道的施工需求。