直立式生態(tài)框堤岸設(shè)計(jì)探討

莫愷悅

(廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510640)

1 概述

直立式生態(tài)框是一種比較好的生態(tài)結(jié)構(gòu)形式，生態(tài)框模塊化、非封閉的特點(diǎn)使其施工速度快，透水性能好，水位以上框式結(jié)構(gòu)能提供植物生長(zhǎng)場(chǎng)所，水下框體可作為人工魚巢供魚類繁殖。在多年的河涌整治實(shí)踐中，生態(tài)框堤岸由于其對(duì)恢復(fù)河流生態(tài)環(huán)境的良好效果受到人們青睞[1-2]。

目前直立式生態(tài)框的研究仍不成熟，存在基礎(chǔ)理論研究落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展、相關(guān)技術(shù)規(guī)范少的問題。為增強(qiáng)直立式生態(tài)框的實(shí)用性，本文探討直立式生態(tài)框的環(huán)境局限、工藝選用及計(jì)算思路。

2 直立式生態(tài)框類別

2.1 魚巢生態(tài)框

人工魚巢是一種通過在流水河段人為設(shè)置可供魚類繁殖、仔魚棲息生長(zhǎng)的設(shè)施，彌補(bǔ)工程建設(shè)導(dǎo)致的流水生境損失，為受影響魚類提供適宜的攝食、繁殖、生長(zhǎng)和庇護(hù)空間的生態(tài)修復(fù)措施。魚巢生態(tài)框是利用中空的框體建筑人工魚巢，改善野生魚類生境的一種生態(tài)框[3]。

首先，魚巢式生態(tài)框保留了傳統(tǒng)硬質(zhì)護(hù)砌防止水土流失、抵抗沖刷侵蝕等護(hù)岸功能，其本身的結(jié)構(gòu)和后重疊的堆放結(jié)構(gòu)形成的孔隙和洞穴，可成為底棲魚類棲息和躲避敵害的場(chǎng)所，同時(shí)為產(chǎn)卵魚類提供產(chǎn)卵和孵化的場(chǎng)所，孵化后的幼魚也可以獲得庇護(hù)成長(zhǎng)的環(huán)境。其次，魚巢生態(tài)框投放水域會(huì)產(chǎn)生多種流態(tài)，如上升流、線流、渦流等，在魚巢附近生成紊亂的水流，降低流速、增加水中溶氧量；其產(chǎn)生的紊亂水流也利于水體營(yíng)養(yǎng)鹽的混合，促進(jìn)餌料生物的生長(zhǎng)，為一些魚類性腺發(fā)育及產(chǎn)卵提供了適宜的水文條件，有利于提高生物多樣性[4-6]。

由于河道整治工程施工常采用圍堰法和河道清淤的方式，因此河道整治工程易改變?cè)拥赖聂~類產(chǎn)卵條件，對(duì)河道生態(tài)造成影響。魚巢生態(tài)框內(nèi)填筑塊石，留出孔隙并天然生長(zhǎng)出水生植物，可以為產(chǎn)卵場(chǎng)所遭到破壞的魚類提供仿生態(tài)的產(chǎn)卵條件，改善野生魚類種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量，并最終達(dá)到修復(fù)和重建生境的目的[7]。

2.2 植草式生態(tài)框

植草式生態(tài)框是一種利用預(yù)制裝配式的框體填充種植土等基質(zhì)，人工制造適合植物生長(zhǎng)環(huán)境的生態(tài)框。

植草式生態(tài)框種植綠植應(yīng)根據(jù)水陸關(guān)系及水位變化、水質(zhì)情況、生物情況等合理選擇品種。根據(jù)水生植物的生長(zhǎng)環(huán)境差異，按其生長(zhǎng)特性，一般分為以下幾大類：挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物以及濕生植物。挺水、浮葉水生植物植株下部或基部沉于水中，根或地莖扎入泥中生長(zhǎng)，上部植株挺出水面或浮于水面，莖葉部分易遭到水沖損傷，因此，挺水及浮葉植物適合用于塘、濕地等水流較緩且能維持水深的水體。沉水植物根莖生于泥中，整個(gè)植株沉入水中，具發(fā)達(dá)的通氣組織，利于進(jìn)行氣體交換，適用于大多數(shù)河道水位以下種植。濕生植物生長(zhǎng)在濕潤(rùn)的土壤里，根部只有長(zhǎng)期浸泡在水中才能旺盛生長(zhǎng)，濕生植物適合種植在水位變化不大的常水位以上區(qū)域。

華南地區(qū)常見種植的水生景觀植物有梭魚草、水芋、香蒲、菖蒲、風(fēng)車草 、薏苡、象草、春芋、紅蛋、燈芯草、石芒草、藨草、花葉良姜、黃苞蝎尾蕉等[8-9]。據(jù)研究，燈芯草、石芒草、蝎尾蕉和花葉良姜明顯不適應(yīng)污水澆灌的模擬人工濕地環(huán)境。而梭魚草、香蒲、菖蒲、象草、薏苡、風(fēng)車草生長(zhǎng)速度快，單位面積生長(zhǎng)植株多，適宜在污水環(huán)境中種植。植物的COD去除率由大到小依次為：梭魚草>風(fēng)車草>燈芯草>菖蒲>紅蛋>春芋>水芋>薏苡>藨草>石芒草>空白對(duì)照(未種植物)>香蒲>蝎尾蕉>象草。除藨草、蝎尾蕉、燈芯草和花葉良姜外，梭魚草等10種植物對(duì)TN的去除率均明顯高于其空白對(duì)照。種植蝎尾蕉、石芒草和花葉良姜的盆栽對(duì)TP的去除效果在空白對(duì)照之間并無顯著變化，紅蛋停留時(shí)間為8 h的TP去除率較差(68%)，梭魚草等10種植物能夠顯著提高TP的去除能力[10]。

在坡腳生長(zhǎng)的植物根系是鯉、鯽、團(tuán)頭魴等產(chǎn)黏性卵魚類主要的產(chǎn)卵場(chǎng)地，布置于常水位的植草式生態(tài)框種植適應(yīng)濕地的植物可以輔助以上魚類繁衍。

工程實(shí)踐中，由于植草式生態(tài)框種植空間有限，常常采用草籽等工藝進(jìn)行播種，選取品種也常是馬尼拉草等草本植物。若是工程后期缺少人力管養(yǎng)的河道，植草式生態(tài)框也能給當(dāng)?shù)匾吧参锾峁┥L(zhǎng)扎根的環(huán)境，保障工程實(shí)施后的生態(tài)恢復(fù)效果。

3 直立式生態(tài)框的常用結(jié)構(gòu)形式

3.1 重力式擋墻

生態(tài)框根據(jù)各河道工程的需要，用作護(hù)腳時(shí)，一般僅需堆砌1～2層，框后填筑反濾層并過渡至堤身結(jié)構(gòu)。此時(shí)生態(tài)框砌筑為重力式擋墻的結(jié)構(gòu)形式，因此在設(shè)計(jì)中按照重力式擋墻方法進(jìn)行計(jì)算[11-13]。

3.2 加筋土擋墻

生態(tài)框用作直立擋墻結(jié)構(gòu)時(shí)，需堆砌3層及以上，常見為4～6層，高約2～3 m，該工況下依靠生態(tài)框自身重力較難保證結(jié)構(gòu)及其支擋土體穩(wěn)定性，因此在墻后土體中增設(shè)筋體，在設(shè)計(jì)中通常按照加筋土擋墻形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

加筋土擋墻是使用筋材、面板，利用填土自身重力及筋材與填土之間的摩擦作用，穩(wěn)定土體，起到擋土墻作用的一類工程措施。直立式生態(tài)框擋墻在工程應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)采用加筋土擋墻的結(jié)構(gòu)形式。在加筋土擋墻結(jié)構(gòu)中，筋材的選用是關(guān)鍵。目前最常用的筋材為土工格柵，也常有采用加筋土工布、格賓網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)、鋼絲網(wǎng)等的案例。值得注意的是，由于缺乏保護(hù)層，筋材的合理使用年限一般僅有5～10 a，而水利工程永久建筑物的合理使用年限一般均大于20 a，因此設(shè)計(jì)中需要考慮筋材老化后的養(yǎng)護(hù)以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題。

4 直立式生態(tài)框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

直立式生態(tài)框在組合層數(shù)較少時(shí)，可沿用傳統(tǒng)重力式擋墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，在計(jì)算時(shí)應(yīng)該增加考慮各層框塊體之間的抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定。而生態(tài)框組合層數(shù)較多時(shí)，設(shè)計(jì)斷面時(shí)常考慮加入土工格柵等加筋措施，此時(shí)直立式生態(tài)框作為模塊式面板起抗沖刷作用，堤身結(jié)構(gòu)可以看作加筋土擋墻。以下就組合層數(shù)較多的情況介紹直立式生態(tài)框設(shè)計(jì)的計(jì)算方法。

4.1 邊坡整體穩(wěn)定性

直立式生態(tài)框的結(jié)構(gòu)情況相對(duì)復(fù)雜：比起純粹的加筋土擋墻的薄面板，厚度為0.5～1 m且內(nèi)填塊石的生態(tài)框?qū)笸馏w能起到較大的平衡穩(wěn)定作用；比起重力式擋墻，其自身非密實(shí)、裝配式的結(jié)構(gòu)構(gòu)造又需要墻后加筋土的協(xié)助。目前的設(shè)計(jì)方法均概化為一類結(jié)構(gòu)計(jì)算，未詳盡考慮兩種結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)作用，不能準(zhǔn)確反映墻身穩(wěn)定情況。

一般認(rèn)為采用加筋土擋墻的邊坡整體穩(wěn)定性在計(jì)算時(shí)應(yīng)該將整個(gè)加筋土區(qū)域視為實(shí)體墻，以傳統(tǒng)重力式擋墻的計(jì)算：方法對(duì)加筋土區(qū)域進(jìn)行擋墻結(jié)構(gòu)計(jì)算。計(jì)算內(nèi)容包括擋墻的抗滑移穩(wěn)定、堤身抗滑穩(wěn)定(岸坡整體穩(wěn)定)、地基承載力。加筋土體可不進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定校核，但墻底面上合力的作用點(diǎn)應(yīng)在底面中三分段之內(nèi)。

直立式生態(tài)框擋墻由于其墻面模塊較大，框內(nèi)填料重量占比較高，計(jì)算時(shí)也應(yīng)該將墻面板包含在實(shí)體墻區(qū)域內(nèi)，與加筋土區(qū)域整體計(jì)算。

4.2 加筋土內(nèi)部穩(wěn)定性

加筋土內(nèi)部穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)計(jì)算筋材強(qiáng)度、筋材的抗拔穩(wěn)定性(筋材與填土的結(jié)合效果)。計(jì)算內(nèi)部穩(wěn)定性時(shí)，加筋土區(qū)域可劃分為錨固區(qū)與非錨固區(qū)，利用筋材在錨固區(qū)的錨固力固定非錨固區(qū)的土體。

4.2.1錨固區(qū)劃分

目前各規(guī)范主流的錨固區(qū)劃分方法為擬定0.3H(H為擋墻擋土高度)分界線作為潛在破裂面，破裂面兩側(cè)分別為錨固區(qū)與非錨固區(qū)(錨固區(qū)劃分示意見圖1所示)。

4.2.2筋材強(qiáng)度及抗拔穩(wěn)定性

1)筋材強(qiáng)度

筋材相關(guān)計(jì)算可以參照《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50290—2014)進(jìn)行計(jì)算[14]。

① 每層筋材均需要進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，第i層單位墻長(zhǎng)筋材承受的水平拉力按下式計(jì)算：

Ti=[(σvi+∑Δσvi)Ki+Δσhi]svi/Ar

(1)

式中：

σvi——驗(yàn)算層筋材所受土的垂直自重壓力，kPa；

∑Δσvi——超載引起的垂直附加力，kPa；

Δσhi——水平附加荷載，kPa；

Ar——筋材面積覆蓋率，Ar=1/Shi；

shi——筋材水平間距，m；

svi——筋材垂直間距，m；

Ki——土壓力系數(shù)。

② 土壓力系數(shù)

對(duì)于柔性筋材：

Ki=Ka

(2)

對(duì)于剛性筋材(常用的土工格柵應(yīng)歸為剛性筋材)：

Ki=K0-[(K0-Ka)zi]/6 (0

(3)

Ki=Ka(z>6 m)

(4)

式中：

Ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)；

K0——靜止土壓力系數(shù)。

③Ti應(yīng)滿足下式要求：

Ta/Ti≥1

(5)

2)筋材抗拔穩(wěn)定性

第i層筋材的抗拔力Tpi應(yīng)根據(jù)填土破裂面以外筋材的有效長(zhǎng)度Le與周圍土體產(chǎn)生的摩擦力按下式計(jì)算：

Tpi=2σviBLeif

(6)

式中：

f——筋材與土的摩擦系數(shù)，應(yīng)由試驗(yàn)測(cè)定；

Lei——筋材有效長(zhǎng)度，即破裂面以外的筋材長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度最小不得小于1 m；

B——筋材寬度，m；筋材滿堂鋪時(shí)，B=1 m。

筋材抗拔穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)滿足下式要求：

Fs=Tpi/Ti

(7)

Fs≥1.5

(8)

4.3 生態(tài)框穩(wěn)定性

按加筋土擋墻對(duì)生態(tài)框堤岸進(jìn)行計(jì)算時(shí)，假設(shè)生態(tài)框僅用于防止筋材之間土體在豎向力作用下橫向擠出，用于承擔(dān)橫向擠出的力。根據(jù)三軸應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)最下層生態(tài)框承擔(dān)的最底部所受的水平剪力可按下式計(jì)算：

(9)

式中：

c——土的粘聚力；

φ——土的內(nèi)摩擦角。

前文的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與加筋土內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算均認(rèn)為是筋材承擔(dān)所有荷載，墻面僅起到每層土體邊緣模板的作用。但某些生態(tài)框填充塊石或填土后本身實(shí)際足夠厚重，可以作為擋土墻承擔(dān)一部分土壓力。實(shí)際工作中，當(dāng)直立式生態(tài)框在組合層數(shù)較少時(shí)可沿用傳統(tǒng)重力式擋墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，在計(jì)算時(shí)可增加考慮各層筐塊體之間的抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定。

5 直立式生態(tài)框應(yīng)用案例

5.1 工程概況

某河涌整治工程，整治長(zhǎng)度約為400 m，沿現(xiàn)狀河道走向進(jìn)行河道整治。現(xiàn)狀河道為天然河道，主河槽寬為12 m，在主河槽兩岸采用生態(tài)框護(hù)岸，1∶2三維土工網(wǎng)植草護(hù)坡。受兩岸用地限制，生態(tài)框設(shè)置5層，高度約為2.4 m。

該工程整治標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，建筑物級(jí)別為3級(jí)，設(shè)計(jì)水位為15.48～13.96 m(珠基高程，下同)，設(shè)計(jì)河底高程為12.44～10.60 m。由于兩岸地塊已有開發(fā)規(guī)劃，本工程用地有限，地質(zhì)條件較差，整治后在滿足防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)、保障水安全的同時(shí)，還要兼顧保護(hù)河道生態(tài)、美化城市景觀。

5.2 設(shè)計(jì)方案

5.2.1堤線布置

某河上游段為山區(qū)性河流，未有明顯的堤線。整治工程基本沿著現(xiàn)有河道布置，按照設(shè)計(jì)河寬劃定岸線，在局部河道不平順處順直，在轉(zhuǎn)彎半徑過小處加大轉(zhuǎn)彎半徑，充分考慮水力條件及水流形態(tài)，以使岸線順暢。

5.2.2斷面形式

常用的河道斷面型式有以下幾種：斜坡式、直立式、混合式。某河周邊以住宅小區(qū)為主，原狀河道及周邊整體比較生態(tài)自然，斜坡式斷面較為生態(tài)，景觀性好，同時(shí)為減少工程占地，故采用直斜混合式斷面。

河道護(hù)岸采用生態(tài)框，生態(tài)框?yàn)轭A(yù)制定型產(chǎn)品，混凝土強(qiáng)度可達(dá)到C40以上，其內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)且四面開孔。施工時(shí)直接運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，然后往生態(tài)框內(nèi)填充塊石、種植土，框與框之間還可以通過預(yù)留孔采用短鋼筋進(jìn)行連接。生態(tài)框護(hù)腳及護(hù)岸的特點(diǎn)及作用如下：① 抗沖刷、透水性強(qiáng)；② 采用機(jī)械吊裝，施工速度快；③ 空隙大，利于生物棲息；④ 穩(wěn)定性較好，養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單；⑤ 綠化效果較好；⑥ 造價(jià)適中，能沿現(xiàn)狀邊坡施工，開挖少，征地面積較小。

本次整治在滿足防洪、排澇等需求的同時(shí)，充分考慮經(jīng)濟(jì)性和施工便利性，設(shè)計(jì)采用生態(tài)框護(hù)岸(工程斷面示意見圖2)。

5.2.3特征參數(shù)

根據(jù)計(jì)算，堤頂超高不小于0.80 m，根據(jù)規(guī)范及管理需求，堤頂寬度為3.0 m。

5.2.4施工效果

該河涌整治工程已采用生態(tài)框護(hù)腳方案施工完成，建成后護(hù)腳外立面規(guī)整，生態(tài)框表面生長(zhǎng)植物，達(dá)到預(yù)期效果。此次整治工程施工工期較短，與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)，項(xiàng)目業(yè)主及周邊居民均較為滿意。圖3為該河涌生態(tài)框護(hù)岸完工效果示意。

圖3 生態(tài)框護(hù)岸完工效果示意

6 結(jié)語

直立式生態(tài)框可以成為綠植的生長(zhǎng)基床，亦可以作為水生動(dòng)物的庇護(hù)所?，F(xiàn)在已有眾多水生植物與水環(huán)境關(guān)系的研究成果，均能支撐水生植物對(duì)水質(zhì)改善可起到積極作用。人工魚巢的研究應(yīng)用也相對(duì)成熟，人工魚巢改善水族種群的成功案例也比較多[15]。直立式生態(tài)框作為水生植物生長(zhǎng)土壤和人工魚巢的結(jié)合體，對(duì)河道生態(tài)起到的積極作用是比較明確的。

在生態(tài)文明建設(shè)的大背景及防洪安全的原則下，面對(duì)城市化進(jìn)程及用地困難的現(xiàn)實(shí)條件，直立式生態(tài)框作為具備一定抗沖性能、可保障河道生態(tài)、在用地制約條件下可直立式砌筑的河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)，正逐步得到推廣應(yīng)用。本文探討了生態(tài)框類別、結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)計(jì)算等問題，通過案例展示，可為其他采用生態(tài)框的河道整治工程提供參考。