新型聚氨酯碎石空心塊體生態堤結構構建*

李 亞 ， 陳海峰， 黃明毅， 楊立文， 姜立志， 王憲業

(1. 中交第三航務工程勘察設計院有限公司， 上海200032； 2. 中交第三航務工程局有限公司， 上海200032；3. 中交第一航務工程局有限公司， 天津300461； 4. 華東師范大學， 上海200062)

1 研究背景

長江口南槽航道治理一期工程整治建筑物工程是沿江亞南沙南緣向下游建設的1 條護灘堤，上游順接長江口12.5 m 深水航道分流魚嘴南線堤， 總長16 km。 上游段約10 km 長區段主體高程2.0 m(上海城建吳淞零點)， 中部約5 km 長區段主體高程1.5 m， 下游段約0.7 km 長為2.0 m 厚護灘堤(圖1)。 本工程距離九段沙生物多樣性維護生態紅線較近， 環境影響敏感。 護灘堤建設將直接占用灘地， 造成生物量損失[1]， 應力求采用有利于生境恢復的整治構筑物結構， 提高工程結構與生態環境的契合度， 貫徹落實生態優先、 綠色發展理念。 為此， 選擇在本工程護灘堤尾部局部區段開展新型生態結構研究， 相關成果將服務于南槽航道治理后續工程， 并為國內類似生態航道工程建設提供借鑒。

圖1 工程平面圖

2 研究現狀

1)傳統拋石斜坡堤結構具備一定的孔隙率，但結構內部難以提供空間連通、 沉積適度、 水流動態穩定、 物質交換流通的生物生存空間， 且砂石料用量大， 材料供給受制約； 混凝土半圓體、梯形體等大型薄壁結構具備內部棲息空間， 但該類型結構不適宜在矮堤身條件應用。

2)長江航道相關整治工程中， 研究應用了一系列透水型、 生態型結構[2]。 在長江下游東流水道航道治理二期工程應用了四面六邊透水框架， 況宏偉[3]通過模型試驗對四面六邊透水框架壩孔隙率進行研究， 但著重于其減速落淤作用及固灘效果， 對于生態效應僅有定性評價。長江中游荊江河段、 下游黑沙洲水道航道整治工程應用魚巢磚護岸進行生態防護[4]， 并未用作堤身結構， 且缺少生境量化因子研究。 長江南京以下12. 5 m 深水航道工程儀征水道應用了生態梯形塊丁壩結構， 常留紅[5]通過水流數學模型和水槽試驗， 對影響魚類生境指標的壩體透水率進行相關研究。 長江口已實施的航道治理工程中所采用具有一定生態效應的堤身結構主要為透空半圓體構件[6]， 但其應用主要從減小波浪力、 增強地基適應性、 穩定性等工程功能角度考慮， 尚未進行生態功能聚焦研究。 其余珠江口、 海河口、 遼河口等國內河口治理工程[7]， 主要通過建設導堤、 丁壩等并結合疏浚手段實現工程功能。 總體而言， 目前生境需求量化指標研究較少， 生態學和工程學結合不足，且對于河口環境的生態結構研究較少。

3)目前生態梯形體、 勾連式透水框架、 魚巢磚等人工生態塊體， 基本采用混凝土材料，混凝土成型容易、 強度高， 但是由于其密實性好， 透水透氣性欠佳， 影響水、 氣、 溫度、 物質等生態要素交換， 無法形成微生境， 不利于附著生物生存， 所以有必要進行新型材料的探索和應用。

3 生物生境需求

3.1 目標生物研究對象

長江口處于陸河海三者交互界面， 生態系統特殊， 分布有植物、 底棲動物、 魚類、 鳥類等生物類群。 工程建設對生物的影響主要是改變其生存環境條件。 本工程護灘堤位于潮下帶， 將侵占原有水體空間， 改變河底邊界及局部水流泥沙條件， 進而影響生物的生態過程。 根據主要生物類群的生存特性和分布格局， 大型底棲動物由于生活在底質環境中， 運動和逃脫能力差， 對環境變化較為敏感， 將受到工程建設直接影響[8]； 另外， 大型底棲動物處于河口食物鏈中間次級生產者環節， 是能量物質交換流動的重要參與者， 具有承上啟下的作用， 生態環境系統健康指示作用顯著[9]。 綜上， 選擇大型底棲動物作為目標生物研究對象。

3.2 目標生物生境需求指標

根據調查研究， 長江口地區潮下帶水域大型底棲動物主要包括雙殼類、 甲殼類和多毛類， 代表性優勢物種生境需求指標[10-12]見表1。 綜合分析， 為滿足大型底棲動物棲息， 底質厚度宜大于30 cm； 水體應保持低流速， 同時含沙量宜低， 避免水沙動力擾動； 應避免生存空間淤堵閉塞， 影響生物能量物質交換生態過程。 應構建形成緩流不濁、 微淤不堵、 內外連通、 動態平衡穩定的棲息環境。

表1 目標生物生境需求指標

4 生態結構方案

4.1 基于生境需求的生態結構形式構建

從生境需求、 工程結構尺度等因素進行生態結構構建， 總體思路見表2。

表2 生態結構構建思路

考慮到以上結構生態需求特性， 研究篩選出生態孔隙型材料， 并結合國內外人工魚礁等生態塊體結構的相關實踐， 提出新型生態聚氨酯碎石空心塊體結構。 該結構主體采用聚氨酯碎石混合料(PPM)， 結構骨架采用玄武巖纖維復合筋(BFRP筋)， 結構上下通透， 周邊開孔(圖2)。 PPM 是由聚氨酯與碎石混合而成的一種新型材料， 碎石通過聚氨酯的粘合力接觸固定形成強度， PPM 具有開放性孔隙， 生態效果好； BFRP 筋由天然玄武巖高溫拉絲復合而成， 具有強度高、 綠色環保、 耐腐蝕等優點， 特別適合海洋環境下的結構工程。

圖2 聚氨酯生態碎石預制空心塊體結構

該新型結構生態效應體現在以下幾方面:

1)結構具有良好的遮蔽性和透空性。 遮蔽性有利于形成緩流微淤環境， 為生物提供了有利的生存空間； 采用多孔洞形式， 有利于水體循環，避免堵塞， 增大生物活動空間。

2)生態聚氨酯碎石化學性質穩定， 耐海水腐蝕能力強， 對水體無污染， 生態環保性好。

3)與混凝土構件相比， 聚氨酯碎石構件表面粗糙度大， 具有較大的附著面積， 有利于藻類等生物附著。 另外， 材料本身具有透水性， 可形成結構內外的水體和營養交換， 有利于附著生物的養料供給和代謝穩定， 附著生物繁殖可為其余生物提供餌料， 提高生態效應。

4)以一定規模安放的生態空心塊體形成群組，由于塊體頂部為非密封平滑邊界， 而是一系列孔洞組， 流體經過擾動會生成一定的局部上升流態，有利于形成水體上下物質交換機制， 促進餌料生物繁殖生長， 起到生態聚集效應。

4.2 生態空心塊體堤身結構

4.2.1 結構斷面形式

生態結構研究以15+600 ～15+700 區段為對象， 原設計為2 m 厚拋石堤。 生態堤結構高度保持2 m 不變， 堤頂寬度約13 m， 采用聚氨酯碎石空心塊體組合形成， 單個塊體尺度1.6 m×1.6 m×1.6 m， 壁厚0.3 m， 各個面開有圓孔。 沿堤軸線外側兩排空心塊體連續布置， 中間3 排采用間隔留空擋布置方式。 塊體底部設置10 ～100 kg 拋石基床， 兩側設置100～300 kg 拋石護腳。 兩側空心塊體平放， 可以形成縱向生存廊道， 中間3 排空心塊體均采用豎放(上下貫通)， 有利于塊體內部泥沙沉淀， 形成微淤緩流環境。 堤身護底采用砂肋軟體排+混凝土聯鎖塊軟體余排(圖3、 4)。 另外， 為了進行不同材料生態效應對比研究， 在相鄰15+700～15+800 區段采用鋼筋混凝土材料、 相同結構形式的空心塊體結構。

圖3 15+600～15+700 區段生態堤結構(高程: m； 尺寸: mm)

圖4 空心塊體間隔留空擋布置(布置方式1)

4.2.2 基于CFD 數值流場計算的平面組合布置方式對比研究

生態空心塊體結構可以采用間隔留空擋布置或者連續布置方式， 考慮到整體結構的安全穩定性， 沿堤軸線兩側塊體宜連續布置， 中間區域塊體可以間隔留空檔布置(組合布置方式1， 圖4)或連續布置(組合布置方式2， 圖5)。

圖5 空心塊體連續布置(布置方式2)

采用三維流體動力學(CFD)數值手段對兩種平面組合方式進行分析， 求解基于有限體積法。本工程位于南槽中上段， 該區段往復流性質明顯，落潮流速基本大于漲潮流速， 主流向一般為順堤流， 為使計算具有典型性， 按順堤流計算， 計算流速取平均流速。 計算域采用0.1 m 尺度單元劃分， 入口邊界為波流耦合入流邊界(沿堤軸線方向): 流速1.0 m∕s， 波高1.0 m， 波周期7.5 s；出口邊界設定為自由出流條件。 計算結果見圖6、 7。 可見， 2 種組合布置方式都起到很好的緩流作用， 內部流速基本小于0.3 m∕s， 形成了較為穩定的內部流場環境； 2 種布置方式效果差異較小， 但布置方式1 相比方式2 內部空間更大， 有助于水體交換， 對生物的棲息更有利， 并節約了工程造價， 故優選布置方式1。

圖6 布置方式1 流速云圖

圖7 布置方式2 流速云圖

5 施工工藝分析

5.1 施工工藝

聚氨酯碎石混合料應用于預制構件尚無先例，擬通過實際施工試驗對其預制工藝及吊運安全進行研究驗證。 構件預制應避開雨天進行， 主要施工工藝如下:

1)模板安裝。 使用預制場內門機進行鋼模板安裝； 先將內模板安裝在底胎上固定后再安裝外模板。

2)BFRP 筋加工。 BFRP 筋在鋼筋加工區統一加工。 BFRP 筋表面容易損傷， 不宜直接放在地上， 避免拖動， 應使用高速切割機鋸進行BFRP筋切割， 不能通過剪切方式。

3)選料。 聚氨酯碎石混合料必須選用干燥、堅硬的碎石， 碎石不宜含有較多針片狀顆粒， 形狀宜接近于立方體， 以保證碎石間有足夠的接觸面積。 聚氨酯膠黏劑應采用正規廠家產品， A、 B組分進場時應有產品合格證及化驗單， 并隨時進行抽驗， 確保質量合格。

4)上料及攪拌。 碎石定量運送至料斗內； 將聚氨酯A、 B 料按設計要求自動混合攪拌， 輸送至攪拌機內； 每次攪拌時長150 s， 攪拌完成后放料至模板內； 聚氨酯碎石料入模后可自密實， 輔以人工壓實。

5)拆模。 構件澆筑完成后， 24 h 左右可達到拆模強度， 模板分塊拆除。

6)存放及出運。 生態空心塊體可多層存放；塊體出運時利用專用吊具進行翻轉， 吊具由主橫梁、 兩側自動夾取馬腿、 翻轉銷軸3 部分組成。

根據巴斯夫公司提供的產品資料以及本工程實際預制成品材料強度試驗結果， 聚氨酯碎石混合料力學性能控制指標[13]見表3。

表3 聚氨酯碎石混合料力學參數

5.2 空心塊體吊運內力分析

空心塊體結構采用豎向預制方式(0°)， 翻轉后為平放狀態(90°)， 翻轉軸為兩側中心圓孔連線， 采用三維實體有限元進行結構吊運內力分析，結構應力、 變形計算結果見圖8、 9 和表4， 經驗算材料強度滿足要求。

圖8 空心塊體0°姿態吊運應力

圖9 空心塊體90°姿態吊運應力

表4 構件吊運應力峰值及位移計算結果

6 結論

1)根據長江口生態系統、 生物種群特性及工程影響分析， 確定大型底棲動物作為目標生物研究對象， 給出生境需求特性和關鍵指標: 棲息底質厚度宜大于30 cm； 水流應保持低流速， 同時含沙量宜低， 避免水沙動力擾動； 同時應避免生存空間淤堵閉塞， 影響生物能量物質交換生態過程。

2)根據生境需求要素， 提出新型生態聚氨酯碎石空心塊體結構， 給出空心塊體組合堤身結構形式， 并通過流體動力學數值方法對比分析不同平面組合布置方式， 論證流場指標生態適宜性。

3)提出新型生態空心塊體結構施工工藝， 通過三維實體有限元進行結構吊運安全驗算， 并通過實際預制施工、 吊運試驗進行可行性驗證。