生態固土在河流駁岸空間中的應用

鐘 興，王 帥

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

國內河道工程治理一般采用結構設計安全、材料質地堅固、性價比高、施工管理便利的傳統工程措施，缺乏與工程區域生態環境融合、協調的理念和工藝，以及生態造型規劃設計、天然生態材料的選擇、綠化美化的運用。因此僅僅達到河道行洪和防洪安全的目的，但對周邊生態環境也造成了一定程度的破壞[1]。

水流和堤岸之間的邊緣過渡空間稱為河道駁岸空間。河道駁岸空間作為城市空間中的邊緣空間，其邊緣效應是顯而易見的，但又作為相對敏銳的地帶，對城市的發展具有積極的促進作用。河道駁岸空間不僅需要滿足河道防洪和行洪的需求，還承載了城市游憩空間、河灘生物多樣性等作用[2]。在工程規劃設計時，應特別重視水道駁岸空間這種特殊的空間體，要在充分考慮親水性、戲水需求方面處理護岸的高度、大小、尺寸等，充分發揮河道駁岸空間積極的邊緣效應，使河道駁岸空間的結構合理，生態功能更為完善，更接近自然演化的狀態，盡量減少人工痕跡，使人工體系與自然體系相融合，塑造具有吸引力的城市河道駁岸空間，改善河道生態功能，實現生態可持續發展[3]。因此，本文選擇生態固土對河道駁岸進行治理。

生態固土工法，又稱自然工法，是基于生物多樣性、保育物種、生態可持續發展而提出的新思路和新的施工工藝。生態固土工法具有生態性、環保性、良好的抗沖刷性，同時盡可能利用當地的現有生態工程材料，蘊含與周邊自然環境完美融合的特質，適用于生態修復各式不同的河灘地[4]。

植物根系固土原理：通過植物根系和土質實現緊密結合的基礎上，形成根—土復合體，該復合體能夠充分調動土體抗壓強度和根系材料抗拉強度，增強土層對根系材料的粘聚力，提高土體實際抗剪強度，有效限制土體側向膨脹，充分提升土體自身承載能力[5]。

2 生態固土的應用

2.1 項目概況

靈山島外江生態提升工程位于廣州市南沙區橫瀝鎮靈山島，沿岸現狀已建成200年一遇的生態堤岸[6]，其中北岸海堤總長為3.469 km，南岸海堤總長為3.108 km(不含島尖)。工程親水步道至堤頂路之間已按城市濱海景觀帶設計并完工[7]，但親水步道外江灘地側，低潮位時外江側干拋石段裸露(高程為5.0 m，廣州高程，下同)，生態景觀較差，與靈山島尖高端商務區定位尚有一定差距(見圖1)。高低潮位的切換，導致外江水生態空間的景觀效果截然不同，尤其在低潮位時，親水步道以外的拋石、植生袋裸露，加上泥沙淤積、覆蓋，導致外江臨水側水生態空間的景觀性、生態性較差，亟需進行生態修復、整治工作。

圖1 堤岸現狀示意

2.2 生態固土模式分析

針對既有工程設施或原設計階段對生態性考量的不足，提出一種通過生態自然固土，改善動植物棲息地的補救式生態固土工法。設計階段應在充分分析工程區域城市規劃、防洪規劃及可能遭遇的其他內外因素(如地形、地質、水流)的限制條件后，選取適宜該工程的生態固土工法[8]。按照生物棲息地在改善后與初始狀態(未受干擾前)之間生態特質相似程度，可將生物棲息地改善模式分為以下4種等級。

① 復育模式：通過人為的工程施作或輔助措施，使生物棲息地的生態機能、組成因子、生態環境等皆能恢復到初始狀態；

② 復建模式：通過人為的工程施作或輔助措施，使生物棲息地部分重點生態功能得以恢復至初始狀態；

③ 改善模式：在認可現有生態考量的基礎上，采用合適的改善措施以強化生物棲息地的生態性，不考慮生態特征是否與初始狀態是否一致(臺灣現階段的生態固土工法多屬此類模式)；

④ 創造模式：依照城市和景觀規劃的生態工程特征，重新塑造一個與初始狀態完全不一樣的生物棲息地，其生態環境特質與周邊生態環境具有獨一性。

通過統籌分析靈山島內的規劃開發強度與定位，結合島內岸線的現狀條件，靈山島外江生態提升工程設計選用改善模式進行設計。

2.3 生態固土布置原則

生態固土布置原則主要為以下5個原則：安全性原則、保育性原則、生態性原則、經濟性原則、科學性原則[9]。生態固土工法的布置按照可承受的水流沖刷強度，可把生態固土堤岸分為3類。

① 低強度型堤岸：一般采用生物材料(植物)施工法，生態修復效果最佳；

② 中等強度型堤岸：可采用混合材料(植物與木材或石材混用)施工法，可抵抗一定沖刷強度，生態修復效果好；

③ 高強度型堤岸：可選用堅固材料(木材、石材、生態混凝土)施工法，可布置在水流沖刷強度大、波浪淘刷嚴重的區域。在植物選取方面，應充分考慮植物的適宜生長條件，如植物根系生長方向、縱土深度、適宜水流沖刷強度等，合理選擇及布局生態固土工法結構體系[10]。

綜合考慮蕉門水道、上橫瀝水道的流速場分析結合靈山島外江濱水景觀的需求[11]，合理布置兩種生態固土工法：土工格室生態固土工法和枝椏沉床生態固土工法。在流速較小的岸線采用枝椏沉床生態固土工法，可使水流攜帶的泥沙自然沉降，有助于固土護岸，便于植物更好地生長；在流速較大的岸線采用土工格室生態固土工法，可提升灘地的抗沖刷能力，并改善生態環境。

2.4 工程總體布置

通過對靈山島周邊水域的流速分析及其特有的場地特點，結合靈山島周邊水域流場模擬結果(見圖2)，統籌考慮河道咸淡水交互作用、抗沖刷等特性，并遵循規模最小化、外型緩坡化、內外透水化、表面粗糙化、材質自然化、成本經濟化等原則，得出該項目適宜采用柔性、多孔、低矮的工程設計形態。靈山島北岸沿線與部分南岸主要采用土工格室生態固土工法，長度約為3 000 m(見圖3)。靈山島南岸碼頭東側至島尖采用枝椏沉床固土工法，長度約為1 000 m；剩余1 500 m為居住區，采取生態化工程措施[12]。

圖2 靈山島周邊水域流場模擬結果示意(單位：m)

圖3 工程總體布置示意

2.5 抗沖刷分析

河床的一般沖刷深度計算，本工程分別采用集中水流局部沖刷坑Lacey經驗公式和《公路橋位勘測設計規范》(JTGC 30—2015)公式進行對比計算[13]，工程處附近床沙取平均粒徑為0.06 mm，河床一般計算參數見表1，計算結果見表2(計算工況均為200年一遇)。

表1 工程處河槽一般沖刷計算參數及結果

表2 河床一般沖刷深度計算成果匯總

以上計算表明：《公路橋位勘測設計規范》經驗公式計算值大于集中水流局部沖刷坑Lacey公式法的計算值。出于偏安全考慮，本次河槽一般沖刷深度采用《公路橋位勘測設計規范》經驗公式的計算成果，即蕉門水道一般沖刷深度為1.78 m、上橫瀝水道一般沖刷深度為1.58 m。

本工程考慮利用土工格室生態固土工法和枝椏沉床生態固土工法作為技術方案，可保護種植土不受嚴重侵蝕，滿足抗沖刷的要求。

2.6 生態固土工法設計

1) 土工格室生態固土工法

本工程主要布置在靈山島北岸全線與部分南岸，長度約為3 000 m。

土工格室是一種采用強化的HDPE片材料，經超聲波針式焊接而成的三維網狀格室結構。土工格室具有以下優點：① 可伸縮、運輸可縮疊，聯接方便、施工效率快，可張拉成網狀，填入泥土、碎石、混凝土等松散物料，構成具有較大側向限制的大剛度結構體；② 材質輕、耐磨損、耐酸堿、化學性能穩定，適用于不同土壤、水環境等環境條件；③ 具有較高的側向限制、防滑、防變形能力，可有效增強河床的承載能力和分散荷載作用；④ 可通過改變土工格室高度、焊距等幾何尺寸滿足不同的工程需要。

在原設計的拋石護腳寬約5 m范圍內，采用回填種植土厚為400 mm，面層采用高200 m的三維土工格室碎石填充。為防止種植土被潮汐的淘刷，最外側采用生態袋固土和塊石護腳(見圖4)。

圖4 土工格室生態固土工法斷面示意

2) 枝椏沉床生態工法

本工程主要分布于靈山島南岸碼頭東側至島尖附近，長度約為1 000 m。

枝椏沉床的優點：① 極具柔韌性，施工過程中能夠適應不同地形，完工后可隨著河床沉積而變化，使河床得到長久有效的固定和覆蓋；② 施工材料生態化且容易收集，同時可根據河床情況決定施工規模(形狀和大小)；③ 采用枝椏類等天然材料，可確保對河道環境零污染，并根據其多孔的構造，可為魚、蝦、蟹等動植物創造棲息環境。

在距離原設計的親水步道岸線約3 m范圍內，采用回填厚為200 mm種植土，面層采用高200 m的枝椏沉床。距離岸線3～6 m處采用土工格室生態固土工法，為防止種植土被潮汐的淘刷，最外側采用生態袋固土和塊石護腳(見圖5)。

圖5 枝椏沉床生態固土工法斷面示意

2.7 植物選擇

項目區屬于海水與淡水的交匯地帶，結合水體變化、水面環境、水質環境、太陽輻射等周邊的環境條件，應選擇耐鹽堿及抗沖刷的植物，并應優先選擇鄉土性原生植物，以免造成人為的生物入侵；尤其在堤前的植物，應具有一定的剛性樹干和柔性樹冠，并有一定的高度。

場地的現狀條件水位變化豐富，地形條件單一。因此，為保證植物的景觀功能，在豐富植物搭配的同時，應結合生態固工法，營造適宜植物生長和變化豐富的基底條件。

綜合以上條件，本工程植物品種選擇見表3。

表3 植物品種選擇

2.8 河道行洪分析

工程地處珠江三角洲腹地，工程附近河網縱橫交錯，其水動力條件既受上游河道下泄的徑流的影響，也受下游經出海口門上溯的潮流的影響，本工程采用珠江三角洲網河區一維潮流數學模型和工程附近局部二維潮流數學模型相結合的方法進行[13]。

一維潮流數學模型采用圣維南方程組，研究范圍基本上包括了西、北江三角洲、東江三角洲及廣州水道等。模型上邊界取自馬口(西江)、三水(北江)、老鴉崗(流溪河)、麒麟咀(增江)、博羅(東江)、石咀(潭江)水文(位)站，下邊界取至八大口門的大虎(虎門)、南沙(蕉門)、馮馬廟(洪奇門)、橫門(橫門)、燈籠山(磨刀門)、黃金(雞啼門)、西炮臺(虎跳門)及官沖(崖門)潮位站。本模型共布設了3 630個斷面，模擬河道長度約1 750 km，模型斷面距離約12～2 000 m不等。模型計算控制站潮位值與實測值之間的誤差均小于0.10 m，洪峰流量誤差小于10%，計算潮位、流量過程線與實測過程線吻合程度良好，相位基本一致。

二維計算采用MIKE21平面二維數學模型，以垂線平均的水流因素作為研究對象，模擬計算河道的平面水位、流場及河床細部的變化情況。二維模型有3個上邊界，1個下邊界：上邊界1取至工程所在蕉門水道上游約3.0 km處，上邊界2取至工程所在上橫瀝水道上游2.5 km，上邊界3取至下橫瀝水道汊口上游3.0 km，下邊界取至工程下游約5.0 km的蕉門南沙水文站。

在以潮為主各級頻率洪水條件下(P=0.5%～5%)，工程段及上游水位最大抬高值分別為0.001 m、0.001 m、0.002 m、0.002 m，壅水大于0.001 m的影響范圍基本位于工程段內，工程下游河道水位基本沒有變化。

以洪為主各級頻率水文條件下(P=0.5%～5%)，工程段及上游水位最大抬高值為0.004 m、0.004 m、0.003 m、0.003 m，壅水大于0.001 m的影響范圍約至上游100 m，工程下游河道水位基本沒有變化。

在各頻率洪、潮水文條件下，工程對河道水位的影響較小且只限于工程附近水域范圍內。

各種計算工況在不同水文組合條件下，大部分斷面高、低潮位都沒有變化，水位變化范圍僅在工程段附近。

綜上所述，工程的建設對河道防洪(潮)和行洪的影響均不大。

3 工程完工效果

本項目應用生態固土工法，一是解決了因干砌石護腳導致的堤岸親水景觀性差、生態性差的缺點；二是為河道的小動物(如魚、蝦、蟹等)提供了棲息空間，保護了河流生態多樣性。

本工程于2021年完工，目前沿岸生態固土范圍內植物生長良好(見圖6)，與工程未動工前形成了鮮明的對比，有效的提升了城市濱水景觀品味，同時滿足周邊居民日益增長的生態精神文明需求。

圖6 工程完工后實景示意

4 結語

生態固土工法將生態恢復的技術手段與城市規劃、景觀設計相融合，兼顧了河道生態系統和人類生態安全文明的需求，既能夠保證河道生態系統的健康，又確保水資源可持續發展，同時又能滿足人類社會的需求，促進人類與自然之間相互融合。與傳統的施工方法相對比，生態固土工法在水源涵養性、生態保育性、環境美觀性、人類親水性、自然教育性、工程經濟性、資源節省性、永續發展性等方面都具有特有的優勢，但在施工方便性方面可能較傳統工法復雜，并建議該工程與堤岸主體工程同步實施，避免后期加載導致的不均勻沉降。