沉管護腳結合無砂混凝土護坡在河道護岸中的應用

黃岳文，王立華

(1.廣州市水務工程建設管理中心，廣州 510640；2.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；3.廣東省水利新材料與結構工程技術研究中心，廣州 510635)

0　引　言

傳統(tǒng)水利工程主要關注防洪安全、生產(chǎn)、生活用水的保障及水力發(fā)電等方面。建國以來，我國的水利建設事業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展，在防洪、灌溉、供水、發(fā)電等各方面取得了驚人的成績。但與此同時，人們發(fā)現(xiàn)，人類活動對自然水系的干擾嚴重：水系污染、江河斷流、生態(tài)環(huán)境惡化等等。有識之士開始對傳統(tǒng)水利工程的單一功能進行反思，對傳統(tǒng)的河道治理模式進行批判[1]，開始關注水環(huán)境、水利景觀和水文化[2]，注意到傳統(tǒng)水利工程對河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫[3]，提出生態(tài)水工學的概念[4,5]。在工程設計上強調(diào)生態(tài)設計，即與生態(tài)過程相協(xié)調(diào)，盡量使其對環(huán)境的影響達到最小，這種協(xié)調(diào)意味著設計尊重物種多樣性，減少對資源的剝奪，保持營養(yǎng)和水循環(huán)，維持植物生境和動物棲息地的質(zhì)量，以有助于改善人居環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的健康[6]。新的水利建設理念要求水利工作者在進行河道整治時不僅要考慮水利工程的安全要求，還要考慮人們對河流的景觀性、親水性等方面的要求，更要考慮到生態(tài)性的要求，甚至更進一步提出對河流進行生態(tài)修復，以使河流恢復因人類活動的干擾而喪失或退化的自然功能[7]。傳統(tǒng)硬質(zhì)型護岸結構簡單，材質(zhì)堅硬，顏色灰暗，雖然在一定時期內(nèi)對穩(wěn)定河道、防洪排澇、防止水土流失等方面發(fā)揮了巨大的作用，但其人工痕跡太過明顯，與當前人類“回歸自然、反璞歸真”的觀念相違背，同時也給生態(tài)環(huán)境帶來許多不利的影響。因此，近年來開發(fā)和應用兼具有生態(tài)保護、資源可持續(xù)利用、工程安全等需求的生態(tài)護岸工程技術，已成為河道整治工程的新模式[8]。生態(tài)護岸在水陸生態(tài)系統(tǒng)之間架起了一道橋梁，對兩者間的物流、能流、生物流發(fā)揮著廊道、過濾器和天然屏障的功能。在治理水土污染、控制水土流失、加固堤岸、增加動植物種類、提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、調(diào)節(jié)微氣候和美化環(huán)境等方面都有著巨大的作用[9]。本文介紹的沉管護腳結合現(xiàn)澆無砂混凝土護坡技術正是這樣的一種生態(tài)護岸技術，具有施工簡便、縮短工期、降低造價、生態(tài)性和安全性良好等許多優(yōu)點。

1　技術簡介

1.1　護岸分區(qū)防護

根據(jù)水位變化情況，河岸一般可劃分為三個區(qū)域，即死水區(qū)、水位變動區(qū)和無水區(qū)。在進行生態(tài)護岸設計時應根據(jù)不同區(qū)域的水動力學特征選擇相應的護岸形式。通常只對死水區(qū)、水位變動區(qū)考慮采用必要的工程措施，而河岸上部無水區(qū)一般可考慮植物護坡。

死水區(qū)常年浸泡在水下，護腳結構型式可根據(jù)地質(zhì)地形條件具體選擇，應能適應一定的變形，同時從生態(tài)方面考慮，還應充分照顧到水生動物的生存要求。對于軟土地區(qū)河道整治工程，可選用施工方便的沉管護腳；沉管內(nèi)可以填土種植水生植物以改善河道生態(tài)景觀。水位變動區(qū)自然土坡容易受水流沖刷，通船河段還受船行波沖刷，造成水土流失及岸坡崩塌，需要采用護坡工程措施?，F(xiàn)澆無砂混凝土護坡技術(預留孔洞)是生態(tài)性比較好、投資比較節(jié)省同時又能滿足傳統(tǒng)防護功能的設計方案[10]。

1.2　護岸工程設計

圖1是某工程沉管護腳結合現(xiàn)澆無砂混凝土護坡設計斷面圖。當岸坡土為黏性土時，無砂混凝土護坡與被保護的岸坡土之間無需設置反濾；當岸坡土為砂性土時，護坡與被保護的岸坡土之間建議設置土工布反濾。圖2為沉管護腳結合現(xiàn)澆無砂混凝土護坡俯視圖。

圖1　沉管護腳結合無砂混凝土護坡斷面圖(單位：mm)Fig.1 Design section of ecological revetment

護腳沉管采用強度等級不小于C30的預制鋼筋混凝土管，管徑及長度可根據(jù)工程實際需要確定，一般可采用市場上常用的內(nèi)徑80 cm、外徑94 cm、長2 m的預制鋼筋混凝土管?？筛鶕?jù)被保護土的抗沖性及水流流態(tài)確定是否需要在沉管接縫處進行反濾處理?，F(xiàn)澆無砂混凝土設計指標可根據(jù)設計對象具體確定，無砂混凝土的孔隙率越大強度越低，具體配合比一般根據(jù)工程實驗確定。按一般工程經(jīng)驗，現(xiàn)澆無砂混凝土厚度一般可取15～20 cm，無砂混凝土現(xiàn)場澆筑施工參考配合比：粒徑為20～40 mm的花崗巖碎石(干燥狀態(tài))：1 620 kg/m3；水泥：240 kg/m3；水：84 kg/m3；要求達到的設計強度：28 d抗壓強度≥5.6 MPa，28 d抗折強度≥1.2 MPa。人工預留孔孔徑5 cm，與現(xiàn)澆混凝土框格成45°斜向排列布置(如圖2 所示)，行距與列距均為20 cm。為了讓草更快更好地生長，一般可在無砂混凝土上鋪一層厚約5 cm的種植土。

圖2　沉管護腳結合現(xiàn)澆無砂混凝土護坡俯視圖Fig.2 Top view of ecological revetment　　1-預制的鋼筋混凝土沉管，用于河岸護腳；2-預制的鋼筋混凝土插條，結合土工布用于防止沉管間漏土；3-現(xiàn)澆的普通混凝土框格；4-現(xiàn)澆無砂混凝土護坡；5-預留的較大孔洞，以方便螃蜞等兩棲類小動物筑巢。

1.3　護岸工程施工

如圖3所示，沉管護腳可以水下施工，利用低水位直接利用挖掘機(勾機)把預制鋼筋混凝土管鉛直壓入岸坡下部成為護腳，施工質(zhì)量容易控制，施工方便。在沉管護腳施工完畢后進行整坡，接著現(xiàn)澆無砂混凝土，再在無砂混凝土表面鋪一層厚約5 cm的種植土種草護坡。為了避免大面積無砂混凝土護坡因強度較低出現(xiàn)折斷破壞，可預先澆注好普通混凝土框格，再在框格內(nèi)澆筑無砂混凝土。現(xiàn)澆無砂混凝土的主要施工過程如圖4所示。

圖3　護腳沉管施工Fig.3 Construction of toe protection with immersed tube

圖4　無砂混凝土護坡施工Fig.4 Construction of no-fines concrete slope protection

2　技術優(yōu)勢

2.1　施工簡單

由前面施工過程介紹可知，沉管護腳結合現(xiàn)澆無砂混凝土護坡，施工簡單方便，施工質(zhì)量一目了然。

2.2　工程造價較低

根據(jù)筆者經(jīng)驗，一般情況下生態(tài)護岸造價比傳統(tǒng)圬工護岸造價低，如赤崗涌整治二期工程生態(tài)護岸設計的造價比傳統(tǒng)護岸方案造價的1/3還低[11]。與傳統(tǒng)C25混凝土護岸相比，無砂混凝土節(jié)省水泥80 kg/m3、節(jié)省砂700 kg/m3，可節(jié)省原材料投資92 元/m3，經(jīng)濟效益顯著。

2.3　生態(tài)性好

護岸工程生態(tài)性的表現(xiàn)不應僅是能長草，還應充分考慮到動物的生存環(huán)境特別是兩棲類動物的生存繁殖。護腳沉管內(nèi)可填土種植水生植物，沉管內(nèi)及沉管間的空隙可為水生動物提供生存空間。無砂混凝土的大孔隙充填土后適合植物生長；人工預留的較大孔洞適合作為螃蜞等兩棲類小動物的巢穴。

2.4　安全可靠

沉管護腳具有好的抗沖刷能力，而且可以根據(jù)估算的沖刷深度進行埋深設計，保證護腳結構的抗沖安全性。沉管護腳通常設計入土深度在1/2管長以上，在沒有發(fā)生較大沖刷情況下，沉管護腳的結構穩(wěn)定性較好，護坡結構不會發(fā)生滑動破壞，此時決定護岸結構安全的是岸坡的整體穩(wěn)定。研究表明，天然狀態(tài)下的淺草護坡抗沖流速為1 m/s，而無砂混凝土護坡的抗沖流速可達4 m/s[12]。無砂混凝土護坡在一定流速范圍內(nèi)，可對岸坡土體進行有效防護，避免岸坡的沖刷與坍塌。

3　工程案例

3.1　廣州市海珠區(qū)灜洲生態(tài)公園河道整治工程

本工程是首個采用沉管護腳結合現(xiàn)澆無砂混凝土護坡技術的河道整治工程，工程具體設計見文獻[13]。為了進行對比研究，部分河面較寬河段采用散拋石護腳；小部分河段水位變動區(qū)鋪開孔式護土磚。工程于2002年7月開工，2003年8月主體工程建成投產(chǎn)。

沉管和拋石護腳比較：兩者均具有適應一定變形、生態(tài)性較好、投資較省的優(yōu)點，其中沉管護腳的造價較拋石護腳稍貴，但沉管護腳具有如下優(yōu)點：①護腳穩(wěn)定性好。根據(jù)完工15 a的觀察，沉管護腳沒有產(chǎn)生明顯變位，而拋石護腳則在完工1 a就發(fā)生一處塌腳。②沉管施工質(zhì)量容易控制。而散拋石護腳施工質(zhì)量較難控制，容易出現(xiàn)少挖少拋的情況。③低水位時沉管護腳的視覺效果明顯好于散拋石護腳，如圖5所示。

圖5　拋石護腳與沉管護腳效果比較Fig.5 Comparison of riprap toe protection and immersed tube toe protection

護土磚和無砂混凝土比較：護土磚強度優(yōu)于無砂混凝土，但造價略高于無砂混凝土；在工程早期和冬季護坡植被枯萎時，無砂混凝土護坡因面粗糙容易留住回淤泥土而更為自然，近于自然土坡，植物更容易生長，生態(tài)性更好。

3.2　三西涌整治工程

三西涌整治工程也采用沉管護腳結合現(xiàn)澆無砂混凝土護坡技術，具體設計見文獻[14]。工程于2003年12月開工，2004年8月完成主體工程。2002年進行海珠區(qū)灜洲生態(tài)公園河道整治工程時通過適生草種篩選試驗選用河岸邊坡生態(tài)治理植物，后期的觀察發(fā)現(xiàn)，唯有本土植物才能更好地適應當?shù)丨h(huán)境條件。因此在三西涌整治工程中水陸交錯帶水生植物品種的選擇首選是本土植物：護腳沉管種植從臨近河灘地移植過來的咸水草一直生長得很茂盛；坡面也不直接種草，而是施工時先把工程表土挖好放在一邊，等修坡后再在坡面上鋪一層約5 cm厚的表土，一個月后表土中含有的草籽就開始發(fā)芽成長，兩三個月后坡面就基本都長滿本土植物[14]。圖6是在主體工程完工半年后回訪拍攝的相片，河岸坡植被生長良好，且種類繁多，形成較好的景觀效果；還可見到螞蟻、蜘蛛、蜥蜴等小動物活動，一片生機盎然。

圖6　三西涌整治效果Fig.6 Remediation effect of Sanxi canal

3.3　蕉門河整治工程

蕉門河是廣州南沙新城區(qū)的中軸線。在蕉門河中心休閑區(qū)設計有游艇碼頭，考慮到該段河寬較窄，為了避免船行波對河岸的沖刷破壞，同時又考慮生態(tài)景觀的要求，設計在水位變動區(qū)采用現(xiàn)澆無砂混凝土護坡，而護腳結構則根據(jù)地質(zhì)條件分別采用沉管護腳或空心混凝土塊護腳(土層存在塊石障礙無法采用沉管護腳時)。護岸工程于2003年底施工完畢，不再在無砂混凝土表面敷土和人工播種，以觀察在此種情況下無砂混凝土的植物生長情況。如圖7所示，在無砂混凝土澆筑后的早期，由于沒有上覆土，植被生長情況不理想，但隨著時間的推移，土壤在無砂混凝土上自然淤積，隨風飄落的種子生長的植物越來越多，同時臨近的植被也開始逐漸往無砂混凝土坡面蔓長，幾年后整個坡面都自然長滿植被。

圖7　無砂混凝土護坡隨時間推移植物生長情況Fig.7 Plant growth of no-fines concrete slope with time

4　結　語

通常認為水泥等膠凝材料水化時會產(chǎn)生Ca(OH)2，其pH值高達12以上，在這樣的堿性環(huán)境下植物難以生長，必須采取措施中和這樣的堿性環(huán)境以滿足植物生長需要[15]。但筆者認為，影響植物生長的是無砂混凝土大孔隙內(nèi)的土壤環(huán)境條件，而混凝土毛細孔的堿性環(huán)境對植物生長影響不大。濕熱的環(huán)境加速無砂混凝土表層的碳化，同時隨著水位交替變動或雨水沖刷，無砂混凝土大孔隙內(nèi)的堿性有效降低到適合植物生長[16]。工程實踐表明，華南地區(qū)河流無砂混凝土護坡不需要專門采取措施降低堿度也能滿足植物生長需要。

河道的生態(tài)護岸建設是河道生態(tài)治理的一個重要內(nèi)容，在進行生態(tài)護岸建設時應充分考慮到生物多樣性的要求，同時應根據(jù)不同區(qū)域水位變化情況進行分區(qū)設計。對于軟土地區(qū)的河道生態(tài)整治工程，沉管護腳工藝簡單，施工質(zhì)量容易控制；沉管內(nèi)可填土種水生植物，沉管內(nèi)及沉管間的空隙可為水生動物提供生存空間?，F(xiàn)澆無砂混凝土生態(tài)性較好、投資較省同時又能滿足傳統(tǒng)防護功能；人工預留孔方便兩棲類小動物修筑巢穴；可在坡面鋪一層約5 cm厚的原有場地的表土，表土中含有各種本土植被的草籽，這樣自然生長的岸坡生態(tài)性更好，而且可以實現(xiàn)零維護。

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