智慧水利工程設計中的生態型護岸應用與實踐

摘要：智慧水利指基于互聯網、物聯網等新一代信息技術，通過信息資源的深度整合和應用創新，實現對水資源的科學規劃、科學管理、合理調度和高效利用。在此背景下，生態型護岸的應用應遵從“生態優先”原則，以保護水生態環境為目標，構建具有可持續發展能力的生態型護坡體系。將重點探討智慧水利工程設計中的生態型護岸應用與實踐，從不同角度展開論述，并提出相關建議，旨在提高生態型護岸建設水平。

關鍵詞：智慧水利工程設計；生態型護岸應用；實踐策略

隨著社會經濟快速發展以及城市化進程不斷加快，河流生態系統遭到嚴重破壞，水體污染加劇，洪澇災害頻繁發生，改善河道水質、恢復河流健康功能已迫在眉睫，加強生態型護岸建設已成為當前我國水利建設領域關注的熱點之一。借助智慧水利工程設計手段進行生態型護岸規劃設計，能有效消除傳統工程設計理念帶來的弊端，提升工程整體質量和效益。

1生態護岸概述

生態護岸是一種綜合性的環境保護措施，旨在維護河流、湖泊等水域生態系統的健康和穩定，其采用生態學的原理和方法，結合工程技術手段，對河岸進行改造和修復，以恢復和增強河岸生態系統的結構和功能。在詳細設計和實施過程中，生態護岸注重使用自然材料和生態工程技術，如生態磚、天然植被等，以模擬和恢復自然河岸的形態，該設計能提供良好的生態棲息環境，促進水生生物和陸生生物的多樣性。通常情況下，生態護岸會采用植被覆蓋、土壤保持等措施，減少水土流失，防止河岸侵蝕，保護水域生態系統的完整性和穩定性。此外，生態護岸還強調與周邊環境的協調性和可觀賞性，通過合理的規劃和設計，生態護岸能與周圍的自然景觀相融合，提升了整體環境的美學價值。

2基于智慧水利工程設計中的生態型護岸研究方法2.1物理模型實驗

物理模型實驗在智慧水利工程設計生態型護岸研究中扮演著至關重要的角色，通過模擬真實環境中的水流、搬移沉積過程等，物理模型實驗為生態型護岸設計提供可靠的數據支持和技術驗證。

物理模型實驗的設計應符合實際場景的相似性原則，為此，研究人員要根據弗勞德相似律或雷諾茲相似律來選擇實驗比例尺。例如，在設計實驗比例時，選擇1∶10的比例，接下來，模型應充分考慮真實河道的幾何特征，如寬度、深度、坡度以及河床材料等［1］。為了確保實驗中的水流與真實環境中的水流具有相似的特性，研究人員應進行多種測試、測量關鍵參數。例如：設定固定的流速V=2 m/s，可通過控制水泵的流量來實現，并使用流速計和測深儀等設備測量實驗中的如水深（0.5 m）、水位變化（平均變化0.05 m）等參數。

物理模型實驗還被應用于模擬泥沙輸移過程。在實驗過程中，可在水中添加特定顆粒尺寸和密度的砂粒，并使用先進攝像和激光技術追蹤顆粒運動。例如：設定在水流中加入0.01 g/m3的泥沙，并觀察在10 min內的沉積分布。總的來說，為了進一步分析實驗結果，可根據水流動力學的基本原理使用數學模型，通過公式來描述流速與河床坡度之間的關系，例如，曼寧公式：［V=rac{1}{n}R∧{2/3}］。其中，V代表流速，n為糙率，R是水力半徑，S是坡度。根據曼寧公式，流速V與坡度S之間存在正比關系，即坡度越大，流速越快。這是因為坡度越大，重力對水流的作用力越大，導致流速增加。在實驗中，可通過測量這些參數，應用公式計算預測流速，并與實驗數據進行對比，驗證公式的準確性。

2.2數值模擬

在智慧水利工程設計領域，生態型護岸的設計與研究備受關注，該設計側重于水利工程的功能性，著眼其與自然環境的和諧共生，為實現這一目標，數值模擬成為一種高效、精準的研究手段。

（1） 植物垂涎的河流流速分布經驗模型

在河流生態護岸設計中，植物的存在會對河流的流速分布產生影響，植物的垂涎（植物枝葉垂向水面的部分）會對水流產生阻礙作用，導致流速減緩。經驗模型通常基于實地觀測數據建立，采用回歸分析等統計方法，得到流速與植物垂涎高度、河流寬度等參數之間的關系式。（v（y）=v_0＼＼times＼＼left（1-

k＼＼times＼＼frac{y}{H}＼＼right））其中，（v（y））為距河床高度（y）處的流速，（v_{0}）表示在沒有植物覆蓋的河流中的基礎流速，單位為m/s；（v_0）為無植物時的流速，單位為m/s；（k）為垂涎阻力系數，單位為m，（H）為垂涎高度。該經驗模型能夠較好地反映出植被生長狀況和環境因子對河流斷面流量大小及流向變化的影響。

（2） 植株阻力與植物、水流參數關系式

植株阻力是反映植物對水流阻礙作用的重要指標，與植物的形態、密度、分布等因素密切相關［2］。通過實驗室水槽實驗或野外實地觀測，可建立植株阻力與植物、水流參數之間的經驗關系式。（F_d=＼＼rho＼＼timesv2＼＼timesC_d＼＼timesA）其中，（F_d）為植株阻力，表示植株受到的水流阻力大小；（＼＼rho）為水的密度，表示單位體積水的質量，單位為kg/m∧{3}；（v）為流速，表示水流的速度，單位為m/s；（C_d）為阻力系數，表示植株阻力與流體動力學的關系，是一個無量綱的系數；（A）為植株的迎水面積，當f～b滿足一定條件時，S_b隨h增加而增大；對于不同類型的植物，其根系直徑D、根長L、株高l以及單位長度根數N都具有明顯差異，這說明隨著樹木種類的增多，其根系越發達，所受阻力越大，因此，選擇合適的樹種來種植可以有效降低植株受到的阻力。

（3） 含植物河道等效糙率系公式

等效糙率系是衡量河道底床對水流阻力作用的綜合指標。在生態型護岸中，植物的存在會改變河道底床的粗糙度，從而影響等效糙率系。通過數值模擬和實地觀測數據的對比分析，建立含植物河道等效糙率系與植被覆蓋度、植物種類等參數之間的關系式。（n_{eff}=n_0＼＼times＼＼left（1+k_1＼＼timesC_v+

k2＼＼timesCv∧2＼＼right））（n_{eff}）為含植物河道的等效糙率系，它表示植物覆蓋對河道水流阻力的影響，是一個無量綱的參數；（n_{0}）為無植物時的糙率系，即河道在沒有植物覆蓋時的水流阻力，是一個無量綱的參數；（C_{v}）為植物覆蓋度，表示河道中植物覆蓋的比例，取值范圍通常在0到$1之間，其中0表示無植物覆蓋，1表示完全覆蓋。（k_{1}）和$k_{2}）是與植物種類相關的系數，它們表示了不同植物種類對河道等效糙率系的影響，這些系數的具體值需要通過實驗或模擬來確定，不同的植物種類會有不同的（k_{1}）和（k_{2}）值。該公式通過引入植物覆蓋度和與植物種類相關的系數，建立了含植物河道等效糙率系與植物覆蓋度、植物種類等參數之間的關系。根據公式可知，在相同水深下，植被對底床糙化程度有很大影響，即植被覆蓋使河床比降減小。

3智慧水利工程設計中的生態型護岸應用實踐3.1鋼絲網石籠施工技術

在智慧水利工程設計中，生態型護岸的應用十分重要，鋼絲網石籠施工技術作為其中一種有效的護岸方式，不僅具有結構簡單、施工方便的特點，且在生態修復和環境保護方面表現尤為突出。鋼絲網石籠施工技術主要利用由高強度鋼絲網編織成的具有一定尺寸和形狀的籠子，然后在其中填充石塊或碎石，形成一道堅固的防護結構，該結構能有效地抵抗水流沖刷和侵蝕，同時又能促進水生動植物的生長，實現生態與工程的和諧統一［3］。在具體應用中，鋼絲網石籠的施工參數需要根據實際情況進行精確計算。以某河流護岸工程為例，采用直徑為3 mm的高強度鋼絲網，編織成50 cm×50 cm×50 cm的立方體籠子，填充材料則選用當地豐富的河卵石，粒徑范圍為10～20 cm，通過計算，每個籠子能承受的最大水流速度為2.5 m/s，有效防止了河流沖刷對岸坡的破壞。在施工過程中，還采用了生態混凝土護底技術，即在籠子底部鋪設一層厚度為10 cm的生態混凝土，以增強整個護岸結構的穩定性和耐久性。

3.2鏈鎖式生態磚塊護岸

為了更好地發揮鏈鎖式生態磚護坡在河道治理中的作用，以某一典型河段為研究對象，采用物理模型試驗對不同規格的鏈鎖式生態墻體進行試驗分析，探討各種工況下各參數變化對護砌結構受力特性以及破壞形態的影響規律，如墻身水平位移、最大剪應力和最小拉應變隨時間的變化規律。通過對比發現當鏈條長度大于4 m時，隨著間距增大而減小的趨勢越來越明顯，但間距小于3 m時墻高與距離呈線性關系，且隨距下游水位高度增加逐漸趨于平緩；當鏈長等于6 m時，出現“倒V”型裂縫現象，表明設計中需考慮到水流沖擊引起的變形問題，此時需要重點關注岸坡整體穩定性問題。

3.3三維土工網墊護岸

三維土工網墊護岸以土工格柵作為主要的防護結構，在其表面鋪設一定數量、規格和層數的土工布層（簡稱網墊層）。在計算工藝參數時，要同時考慮土壓力作用下格柵與土體之間以及格柵和水泥土兩者間相互作用引起的變形，如水平向位移、垂直向下的側向力等，使計算結果更加精確［4］。通過對格柵土界面單元法進行研究分析后發現，將該方法應用于格柵土接觸面模型中，可以得到更接近實際情況的結果；采用三角形網格劃分方式對二維有限元模型進行離散化處理，并利用有限元法求解了不同邊界條件下的一維應力應變關系。

4結語

智慧水利工程設計中的生態型護岸技術可以有效地降低河流生態系統受到破壞的風險，保護和改善水環境。在未來的應用中，要對生態護坡與傳統工程措施進行合理搭配，充分發揮其優勢，同時需要考慮到實際情況，因地制宜、因害設防，以達到良好的生態環境效果。

參考文獻：

［1］孔維祥.生態型護岸在水利工程設計中的應用［J］.工程建設與設計，2024（5）：136138.

［2］石煒，葛一冬，陳敏，等.生態型護岸在水利工程設計中的應用探究［J］.治淮，2023（11）：2325.

［3］榮萌萌.生態型護岸在水利工程設計中的應用［J］.工程技術研究，2022，7（19）：166168.

［4］宋精華.生態型護岸在水利工程設計中的應用探究［J］.科學技術創新，2018（18）：109110.