智慧水利工程設(shè)計中的生態(tài)型護岸應(yīng)用與實踐

摘要：智慧水利指基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，通過信息資源的深度整合和應(yīng)用創(chuàng)新，實現(xiàn)對水資源的科學(xué)規(guī)劃、科學(xué)管理、合理調(diào)度和高效利用。在此背景下，生態(tài)型護岸的應(yīng)用應(yīng)遵從“生態(tài)優(yōu)先”原則，以保護水生態(tài)環(huán)境為目標(biāo)，構(gòu)建具有可持續(xù)發(fā)展能力的生態(tài)型護坡體系。將重點探討智慧水利工程設(shè)計中的生態(tài)型護岸應(yīng)用與實踐，從不同角度展開論述，并提出相關(guān)建議，旨在提高生態(tài)型護岸建設(shè)水平。

關(guān)鍵詞：智慧水利工程設(shè)計；生態(tài)型護岸應(yīng)用；實踐策略

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程不斷加快，河流生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，水體污染加劇，洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，改善河道水質(zhì)、恢復(fù)河流健康功能已迫在眉睫，加強生態(tài)型護岸建設(shè)已成為當(dāng)前我國水利建設(shè)領(lǐng)域關(guān)注的熱點之一。借助智慧水利工程設(shè)計手段進(jìn)行生態(tài)型護岸規(guī)劃設(shè)計，能有效消除傳統(tǒng)工程設(shè)計理念帶來的弊端，提升工程整體質(zhì)量和效益。

1生態(tài)護岸概述

生態(tài)護岸是一種綜合性的環(huán)境保護措施，旨在維護河流、湖泊等水域生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定，其采用生態(tài)學(xué)的原理和方法，結(jié)合工程技術(shù)手段，對河岸進(jìn)行改造和修復(fù)，以恢復(fù)和增強河岸生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。在詳細(xì)設(shè)計和實施過程中，生態(tài)護岸注重使用自然材料和生態(tài)工程技術(shù)，如生態(tài)磚、天然植被等，以模擬和恢復(fù)自然河岸的形態(tài)，該設(shè)計能提供良好的生態(tài)棲息環(huán)境，促進(jìn)水生生物和陸生生物的多樣性。通常情況下，生態(tài)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(tài)系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性。此外，生態(tài)護岸還強調(diào)與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性和可觀賞性，通過合理的規(guī)劃和設(shè)計，生態(tài)護岸能與周圍的自然景觀相融合，提升了整體環(huán)境的美學(xué)價值。

2基于智慧水利工程設(shè)計中的生態(tài)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(shè)計生態(tài)型護岸研究中扮演著至關(guān)重要的角色，通過模擬真實環(huán)境中的水流、搬移沉積過程等，物理模型實驗為生態(tài)型護岸設(shè)計提供可靠的數(shù)據(jù)支持和技術(shù)驗證。

物理模型實驗的設(shè)計應(yīng)符合實際場景的相似性原則，為此，研究人員要根據(jù)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(shè)計實驗比例時，選擇1∶10的比例，接下來，模型應(yīng)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(huán)境中的水流具有相似的特性，研究人員應(yīng)進(jìn)行多種測試、測量關(guān)鍵參數(shù)。例如：設(shè)定固定的流速V=2 m/s，可通過控制水泵的流量來實現(xiàn)，并使用流速計和測深儀等設(shè)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(shù)。

物理模型實驗還被應(yīng)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(jìn)攝像和激光技術(shù)追蹤顆粒運動。例如：設(shè)定在水流中加入0.01 g/m3的泥沙，并觀察在10 min內(nèi)的沉積分布。總的來說，為了進(jìn)一步分析實驗結(jié)果，可根據(jù)水流動力學(xué)的基本原理使用數(shù)學(xué)模型，通過公式來描述流速與河床坡度之間的關(guān)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(jù)曼寧公式，流速V與坡度S之間存在正比關(guān)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(dǎo)致流速增加。在實驗中，可通過測量這些參數(shù)，應(yīng)用公式計算預(yù)測流速，并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證公式的準(zhǔn)確性。

2.2數(shù)值模擬

在智慧水利工程設(shè)計領(lǐng)域，生態(tài)型護岸的設(shè)計與研究備受關(guān)注，該設(shè)計側(cè)重于水利工程的功能性，著眼其與自然環(huán)境的和諧共生，為實現(xiàn)這一目標(biāo)，數(shù)值模擬成為一種高效、精準(zhǔn)的研究手段。

（1） 植物垂涎的河流流速分布經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

在河流生態(tài)護岸設(shè)計中，植物的存在會對河流的流速分布產(chǎn)生影響，植物的垂涎（植物枝葉垂向水面的部分）會對水流產(chǎn)生阻礙作用，導(dǎo)致流速減緩。經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯ǔ；趯嵉赜^測數(shù)據(jù)建立，采用回歸分析等統(tǒng)計方法，得到流速與植物垂涎高度、河流寬度等參數(shù)之間的關(guān)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(chǔ)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(shù)，單位為m，（H）為垂涎高度。該經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍軌蜉^好地反映出植被生長狀況和環(huán)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(shù)關(guān)系式

植株阻力是反映植物對水流阻礙作用的重要指標(biāo)，與植物的形態(tài)、密度、分布等因素密切相關(guān)［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(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)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(zhì)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(shù)，表示植株阻力與流體動力學(xué)的關(guān)系，是一個無量綱的系數(shù)；（A）為植株的迎水面積，當(dāng)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(shù)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(fā)達(dá)，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(biāo)。在生態(tài)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(shù)值模擬和實地觀測數(shù)據(jù)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(shù)之間的關(guān)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(shù)；（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(shù)；（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(guān)的系數(shù)，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(shù)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(guān)的系數(shù)，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(shù)之間的關(guān)系。根據(jù)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(shè)計中的生態(tài)型護岸應(yīng)用實踐3.1鋼絲網(wǎng)石籠施工技術(shù)

在智慧水利工程設(shè)計中，生態(tài)型護岸的應(yīng)用十分重要，鋼絲網(wǎng)石籠施工技術(shù)作為其中一種有效的護岸方式，不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便的特點，且在生態(tài)修復(fù)和環(huán)境保護方面表現(xiàn)尤為突出。鋼絲網(wǎng)石籠施工技術(shù)主要利用由高強度鋼絲網(wǎng)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(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能有效地抵抗水流沖刷和侵蝕，同時又能促進(jìn)水生動植物的生長，實現(xiàn)生態(tài)與工程的和諧統(tǒng)一［3］。在具體應(yīng)用中，鋼絲網(wǎng)石籠的施工參數(shù)需要根據(jù)實際情況進(jìn)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(wǎng)，編織成50 cm×50 cm×50 cm的立方體籠子，填充材料則選用當(dāng)?shù)刎S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(tài)混凝土護底技術(shù)，即在籠子底部鋪設(shè)一層厚度為10 cm的生態(tài)混凝土，以增強整個護岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

3.2鏈鎖式生態(tài)磚塊護岸

為了更好地發(fā)揮鏈鎖式生態(tài)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(guī)格的鏈鎖式生態(tài)墻體進(jìn)行試驗分析，探討各種工況下各參數(shù)變化對護砌結(jié)構(gòu)受力特性以及破壞形態(tài)的影響規(guī)律，如墻身水平位移、最大剪應(yīng)力和最小拉應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律。通過對比發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(guān)系，且隨距下游水位高度增加逐漸趨于平緩；當(dāng)鏈長等于6 m時，出現(xiàn)“倒V”型裂縫現(xiàn)象，表明設(shè)計中需考慮到水流沖擊引起的變形問題，此時需要重點關(guān)注岸坡整體穩(wěn)定性問題。

3.3三維土工網(wǎng)墊護岸

三維土工網(wǎng)墊護岸以土工格柵作為主要的防護結(jié)構(gòu)，在其表面鋪設(shè)一定數(shù)量、規(guī)格和層數(shù)的土工布層（簡稱網(wǎng)墊層）。在計算工藝參數(shù)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(cè)向力等，使計算結(jié)果更加精確［4］。通過對格柵土界面單元法進(jìn)行研究分析后發(fā)現(xiàn)，將該方法應(yīng)用于格柵土接觸面模型中，可以得到更接近實際情況的結(jié)果；采用三角形網(wǎng)格劃分方式對二維有限元模型進(jìn)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

4結(jié)語

智慧水利工程設(shè)計中的生態(tài)型護岸技術(shù)可以有效地降低河流生態(tài)系統(tǒng)受到破壞的風(fēng)險，保護和改善水環(huán)境。在未來的應(yīng)用中，要對生態(tài)護坡與傳統(tǒng)工程措施進(jìn)行合理搭配，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，同時需要考慮到實際情況，因地制宜、因害設(shè)防，以達(dá)到良好的生態(tài)環(huán)境效果。

參考文獻(xiàn)：

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［4］宋精華.生態(tài)型護岸在水利工程設(shè)計中的應(yīng)用探究［J］.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（18）：109110.