生態磚護岸結構在河流治理中的應用研究

佟艷輝

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

水土資源以及生態環境在一定程度上受到傳統河流治理工程的不利影響和破壞，主要體現為生態嚴重失衡、江河斷流、河流污染、自然河道被直線化或渠系化等[1-2]。針對自然環境受傳統治水的破壞問題，有學者開始深入反思以往的治水方法，強調河流生態系統受傳統水利工程的脅迫，并提出近自然河流治理、環境修復和生態水工學的概念。如1980s末瑞士、德國等生態學者提出“自然型護岸”技術和全新的“親近自然河流”概念；1990s美國、英國、日本等國家相繼提出“土壤生物工程”護岸技術、“近自然”河道設計技術、“創設多自然河力計劃”等。目前，國外成功的河道整治措施有池塘修復、深淺灘重塑、人工濕地修建、緩沖帶恢復、水邊濕均沼澤地森林、河道邊坡降低、植被重建等。實踐表明，這些技術能夠明顯改善河流的水生態環境、有效促進水的良性循環以及提升水體自凈能力。

近年來，中國借鑒國外先進的河道整治技術及經驗，強調城鎮景觀效應和生態保護在城鎮河道整治中的作用。例如，浙江紹興大規模整治河道水系，以“流暢、景美、岸綠、水清”的現代水系為目標，取得了極其顯著的成效；上海浦東區將“環保”理念滲入管理、施工、設計的每個環節，因地制宜地實行“生態治水”工程，通過實施水邊栽植物、兩岸植樹木、生態型護岸、河坡種草木、水流多樣化等措施，為重塑江南水鄉風光、修復水生態系統、建設水生態文明城市注入新的活力和生機；成都府南河將文化、生態、排水、綠化、交通、防洪等功能集于一體，在經濟、社會、環保方面取得了明顯成效。考慮到不同地區河流情況的差異性，雖然治理過程中形成了許多整治技術和修復措施，但在河流適用性上這些技術措施具有很大差別，并對治理成效產生一定影響。鑒于此，人們關注的重點問題逐漸轉向中小河流生態護岸的景觀特性和水力學特性，如土體的抗沖刷能力、河道紊流特性及流速分布、含植物的水流阻力問題等。

在大凌河河流護岸中，漿砌石護坡為河道原有岸坡類型，城市開發建設的加快使得河流水污染問題日趨突出，河流生態系統破壞對當地經濟社會發展產生一定的影響。河流水系生態修復工程引入了復合生態磚結構，該護坡結構形式處于混凝土、砌石和植被護坡的中間狀態，可以兼具多種護岸的優勢：①穩定性好，相互擠壓交錯排列的雙孔混凝土結構，在自重作用下形成抗水流沖刷能力較強的整體，較河道卵石或干砌塊石具有整體穩定性特點，其中植物根系的錯節盤根為實現塊石穩固和連接的主要途徑；②施工簡便，可以利用干砌形式而不必實行水泥砂漿勾縫，僅在硬化物與生態磚坡面坡地位置、坡頂為主交界處利用水泥砂漿固結。然而，由于水泥磚結構、土壤及植被結構占復合生態磚結構的60%和40%，其景觀效果及抗沖性能仍需進一步實踐驗證。文章利用現場調查分析法及物理模型試驗分析生態磚護岸結構的生態景觀效果、抗沖刷特性，以期為中小河流水環境保護和生態治理方案設計提供數據支持[3-5]。

1 研究方法

1.1 河流概況

大凌河屬遼寧省西部最大的河流，流經火山巖、碎屑巖和黃土地區，流域面積2.35萬km2，全長397km。該流域自西向東徑流朝陽、北漂、義縣、凌海等市縣，年均徑流量16.67億m3，含沙量57kg/m3，河床比降0.25%。大凌河有北、西、南3源，主要支流有清河、細河、老虎山河、大定河、牤牛河、瓦子峪河、涼水河等，建設有白石、龍潭、閻王鼻子、瓦房店水庫及水泉鴿子洞等水利樞紐工程，對于保障沿途居民生產生活用水、生態環境保護和工農業發展等發揮著重要作用。流域內屬溫帶季風氣候，年降水量450-600mm，特殊的地勢條件和環境氣候使得降水量年內分配極不衡，其中55%以上降水集中于7、8月，大雨時洪水猛急極易泛濫，上、中游植被覆蓋率低且多荒山丘陵，汛期洪澇災害和水土流失問題突出。

1.2 現場試驗

將生態磚結構按照不同材料類型劃分成雙孔水泥磚、營養土、植被3部分，其中雙孔水泥磚上下左右錯縫，壁厚4cm，單孔尺寸39cm×20cm×20cm，坡面砌筑時不必實行水泥砂漿勾縫，能夠用于干砌施工；將泥炭土與自然種植土按1:5配置，加入適量NPK復合肥生成相應的營養土；狗牙根為主要植被類型，選用百喜草、狗牙根種子加入適量野牡丹小苗、稀植勒杜鵑或山毛豆等灌木種子培育。

在生態修復工程現場培育試驗樣品及設置生態磚現場試點，把營養土回填至砌筑好的磚孔內，澆水壓實后保證營養土填充飽滿。

1.3 室內物理試驗

針對原體河道流速利用有壓管流模擬，并對原體植被直接沖刷的方法近似于原體模型；另外，用柔體塑料或剛體創設植被縮尺模型，也可用于水力學特性以及抗沖物理試驗研究。

文章考慮到相似性難以實現的含植被土體縮尺模型，為創建生態磚結構抗沖刷能力試驗對原體流速利用有壓管流加以模擬。模型的主要組成部分包括地下水庫、尾水渠、方形有機玻璃管、閘閥、鋼管、量水堰、高位水箱，利用0.15m×0.30m×10.0m的有機玻璃方管制作有壓流試驗段，為保證能夠產生6.0m/s流速試驗段橫斷面過渡為0.15m×0.20m，此條件下可以達到3.1-5.6m/s的設計流速要求。為放置生態磚試驗樣品將0.40m×0.30m×0.56m的方箱設置于試驗段方管底部，保持試驗方管底部與生態磚表面平齊，為便于生態磚試驗樣品的安裝與拆卸上部預留有機玻璃活動板，為防止漏水漏氣將止水橡膠嵌入有機玻璃水槽與活動板之間。在生態修復工程現場培育試驗所需的樣品，狗牙根草生長8個月后達到0.30-0.40m高。

為模擬降水后土壤含水率增加的情景，將生態磚試驗樣品劃分為沖刷前水中浸泡12h、自然狀態下直接沖刷兩組，所有樣品沖刷12h后測量生態磚沖刷坑深度，在此基礎上對比分析生態磚抗沖能力[6]。

2 效果分析

2.1 抗沖能力

受水流沖刷作用植被根系稀疏區域產生水土流失，土體中狗牙根草的根系裸露，在水力沖刷下根系被沖走，由此使得根系的錨固作用在一定程度上有所減弱。結合生態磚下游孔、上游孔在3.1-5.6m/s不同流速條件下的最大沖刷深度，下游孔、上游孔在天然植被條件下的沖刷深度為0.3-4.1cm和1.4-4.8cm；下游孔、上游孔在浸泡12h后濕潤條件下的沖刷深度為0.4-5.6cm和2.0-6.0cm。試驗表明，管道流速在很大程度上決定了生態磚最大沖坑深度，沖坑深度隨流速的增加而增大。最大沖刷深度，見圖1。在水體沖擊作用下試驗過程中的狗牙根全部倒伏于生態磚土層表面，形成的植被覆蓋層可發揮阻止水流迅速帶走土體的作用。因根系生長好、植被密度大，其保護土層的作用較為明顯。采用雙孔結構的生態磚護岸參與試驗，試驗組次內下游坑沖刷深度要<上游孔約1.5cm，其原因為植被覆蓋在上游孔比較缺乏，水流中暴露大部分根部土壤，故具有較為嚴重的侵蝕破壞。此外，浸泡12h后試驗樣品具有較大的土體含水量，松散程度高易于被沖刷；相對于一般情況，濕潤條件下上游孔、下游孔的沖刷深度大約0.8cm、0.6cm。結合韓雷、張春欣等文獻資料，裝填于水泥孔中的復合生態護岸土體，能夠為根系發達、生長匍匐枝的狗牙根草提供適宜的環境，由于根系抗拉強度大的部分灌木也包含于植被內，這在一定程度上發揮著加筋草皮的作用，對降低土層沖刷破壞發揮著積極作用，試驗樣品受植被與水泥磚的雙重保護，因此沒有發生全部破壞的現象。結合大凌河水系生態治理實踐，一般情況下水流速度<5.6m/s，對于該流域水生態治理生態磚結構均具有較強的適用性[7]。

圖1 最大沖刷深度

2.2 生態景觀效果

采用生態磚護坡改造水生態修復常水位以上區，結果發現植被生長具有較好的效果。磚孔填土部分占生態磚的36%，不僅發揮著明顯的滲水功能，也可為減輕水體富營養化程度、促進植物吸收水中氮磷等創造有利條件，同時在一定程度上滲透攔截雨水，有利于儲蓄地下水資源。較原有漿砌石護坡有利于維護河道兩岸的生態平衡，為生物棲息創造良好的生長條件。通過左右擠壓及交錯固定的生態磚結構不必實行水泥勾縫，施工過程中具有一定的地形適應性，因兼具柔性與剛性的雙重特點，能夠發揮模袋混凝土的功能，可維護蜿蜒曲折的自然河流形態，保持深灘、淺灘交替的河道原有結構，在增加生物多樣性、改善生態環境條件等方面發揮著積極作用。另外，這種植被形態也能為魚類洄游、動物棲息繁衍和植物生長提供適宜的空間環境，發揮著穩定河岸、美化環境、保持水土、調節微氣候和維持生物多樣性等功能，也是陸地與水域生態系統信息、能量、物資交換的重要過渡帶。

將生態透水混凝土道路修建于河道垂直護岸結構與河道護坡之間，并把仿木護欄等景觀工程修建于河道與道路之間，由此可提升河流的休閑娛樂功能。工程中評判復合生態磚護岸景觀效果的關鍵因素有植被生長情況、發芽率等指標，為滿足幼苗生長發育生態磚孔專門配置了無病蟲害、保肥保水能力強、疏松同期、含有多種礦質營養的床土。通過對比試驗，充填營養土較一般土壤能夠更好的發育植被幼苗。現場比較種植1個月后的生態磚結構植被生長情況，狗牙根草籽種植于營養土內時具有較高的發芽率，植被生長3個月后營養土與一般土壤的草皮密度，從外觀上還難以明確區分，但一般土壤栽培的植被根系密度遠遠低于營養土。

因混合有灌木且可以匍匐生長，種植的狗牙根草能夠提升植被密度。狗牙根草、灌木在生長8個月后的高度達到25-46cm和25-50cm。以狗牙根草為主的植被與周邊景觀融為一體，水泥磚將最終被植被完全覆蓋，視覺上視線較好的綠化、自然化效果，較漿砌石護岸其景觀效果非常明顯。

3 結 論

文章以大凌河水系生態修復工程為例，總結了生態磚護岸的生態效果及其抗沖刷能力。結合大凌河水系生態治理實踐，一般情況下水流速度低于5.6m/s，對于該流域水生態治理生態磚結構均具有較強的適用性，主要結論如下：

1)為創建護岸結構物理模型利用有壓管道產生高速水流，并沖刷結構原體，結果表明流速為5.6m/s、浸泡12h情況下，下游孔、上游孔沖刷深度≤5.6cm、6.0cm，生態磚結構具有良好的抗沖性能，不會發生完全破壞。

2)現場試驗表明，復合生態磚護岸能夠提高植被根系密度和狗牙根草成活率，生長3各月后生態磚護岸結構的水泥部分能夠被狗牙根草完全覆蓋，其景觀效果良好。

3)因存在生態景觀效果好、穩固性強、抗沖性能好以及兼具混凝土與植被護坡優點，復合生態磚護岸結構比較適用于中小河流護岸工程。