復合生物磚護岸結構在河流治理中的應用研究

陳卓英，倪培桐， 鐘偉強， 李曉剛

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510630；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510630；3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣州 510630；4.深圳市水務工程建設管理中心，廣東 深圳 518000)

傳統的河流治理工程對于生態環境以及資源造成一定的破壞和不利影響，具體表現為蜿蜒曲折的自然河流被渠系化、直線化，水環境污染，水資源有效利用量減少，生態嚴重失衡。自20世紀以來，國際上對傳統治水導致自然環境被破壞的做法進行了反思，并開始有意識著手對遭受破壞的河流自然環境進行修復[1,2]。如德國、瑞士提出了“河流再自然化”的概念，將河流修復到接近自然的程度。英國優先考慮河流生態功能的恢復，要求河流治理時的“近自然化”。荷蘭提出了“給河流以空間”的理念，強調河流生態修復與防洪的結合。

我國河道整治理念和措施較為滯后，但自20世紀90年代起在相關研究領域也取得了大量成果[1]。由于河流情況千差萬別，在治理過程中雖然采取了很多生態治理技術和措施，但這些技術措施在不同類型河流上適用性差別很大，在一定程度上影響了治理成效。鑒于此中小河流生態護岸的水力學特性和景觀特性是人們關注的重要問題。如含植物的水流阻力問題[3-5]、河道流速分布及紊流特性[6-9]、土體的抗沖刷能力等[10-12]。

深圳葵涌河是流經深圳市龍崗區葵涌街道的主要河流，原有河道岸坡為漿砌石護坡，隨著城市開發建設的加快，葵涌河污染問題越來越嚴重，河流生態系統受到一定程度的破壞，影響本地經濟社會發展。作為河流綜合治理示范工程，葵涌河中岸坡修復中采用了復合生物磚結構，這是介于植被護坡和砌石、混凝土護坡之間的一種護坡結構形式，兼有兩種護坡形式的優點。首先是穩定性好，雙孔混土結構交錯排列互相擠壓，加上自重易形成一個整體，與干砌石塊或河道卵石相比，難以被水流沖刷掀起，具有整體穩定性特點，并且磚塊之間主要靠植物的根系盤根錯節的連接和穩固。其次是施工簡便，可采用干砌形式，無需水泥砂漿勾縫，僅在生物磚坡面的坡頂位置和生物磚坡面的坡底位置與硬化物交結處采取水泥砂漿固結。然而由于復合生物磚結構中約表面積40%是植被及土壤結構，另外表面積約60%為水泥磚結構，其抗沖性能及景觀效果受到質疑。本文采用模型物理模型試驗及現場調查分析的方法分析了這種生物磚護坡結構的抗沖刷特性及生態景觀效果，為中小河流治理積累數據及經驗。

1 數據與方法

1.1 區域概況

葵涌河位于深圳龍崗區，流經葵涌街道；發源于火燒天北，在沙魚涌匯入大鵬灣海域，上游有羅屋田河與徑心河在高源村匯合成葵涌河干流，河道全長10.9 km，流域集雨面積42.84 km2，河床平均比降1.28%。地區多年平均氣溫為 22.5 ℃，多年平均降雨量為2 135 mm。葵涌河在葵鵬路斷面10年一遇洪水洪峰流量為643 m3/s，河道流速可以達到3.2～5.8 m/s。

1.2 復合生物磚護岸結構現場試驗

生物磚結構主要包括3部分：①雙孔水泥磚，單孔尺寸為20 cm×20 cm×39 cm，壁厚4 cm，由于上下左右錯縫，在坡面砌筑時可以干砌施工，無需水泥砂漿勾縫；②營養土，自然種植土按1∶0.2配合泥炭土，并加入適量NPK 復合肥；③植被部分以狗牙根為主，采用狗牙根、百喜草種子，加入適量山毛豆等灌木種子或稀植勒杜鵑、野牡丹小苗培育。生物磚現場試點及試驗樣品培育現場均在葵涌河綜合治理工程現場。在已砌好的磚孔內回填營養土，并澆水壓實，使磚孔內營養土填充飽滿。圖1和圖2分別為生物磚尺寸圖及施工現場。

圖1 護坡生物磚設計圖(單位：cm)Fig.1 A design chart of the slop protection biological brick

圖2 葵涌河生物磚護岸試點工程照片Fig.2 The biological brick Pilot project at Kuichong river

1.3 生物磚抗沖刷能力室內物理模型試驗

含植被土體抗沖物理試驗方法可分為兩類，其一是縮尺模型，用剛體或者柔體塑料建立植被模型，研究含植被水流的水力學特性；其二是用有壓管流模擬原體河道流速，直接沖刷原體植被，該方法近似于原體模型。由于含植被土體的縮尺模型還存在相似性等困難，因此本文采用有壓管流模擬原體流速建立生物磚結構抗沖刷能力試驗。模型由高位水箱-量水堰-鋼管-閘閥-方形有機玻璃管-尾水渠-地下水庫組成。生物磚抗沖刷能力物理模型試驗裝置見圖3，有壓流試驗段采用透明有機玻璃板制作，有機玻璃方管長10.0 m×0.30 m×0.15 m，其中試驗段橫斷面過渡為0.20 m×0.15 m，從而保證可產生超過6.0 m/s流速，滿足葵涌河道設計流速要求(3.2～5.8 m/s)。試驗段方管底部設置長0.56 m×0.30 m×0.40 m的方箱，用于放置生物磚試驗樣品，生物磚表面與試驗方管底部平齊，上部預留有機玻璃活動板方便安裝與拆卸生物磚試驗樣品，活動板與有機玻璃水槽之間嵌入止水橡膠，以防漏水漏氣。試驗采用的樣品在葵涌現場培育，生長8個月，狗牙根草高度約0.30～0.40 m，試驗樣品見圖4。

圖3 試驗裝置布置圖(單位：cm)Fig.3 Arrangement of test equipment

圖4 試驗樣品照片Fig.4 Photos of test sample

生物磚試驗樣品分為兩組，一組在沖刷前水中浸泡12 h，以模擬降雨后，土壤含水增大情況；另外一組按照自然狀態直接進行沖刷試驗。為便于比較，本文對所有樣品進行沖刷12 h試驗，然后測量生物磚沖刷坑的深度。

2 護岸效果分析

2.1 抗沖能力

含有狗牙根草的土體破壞首先是在水流作用下植被根系稀疏區域受水流沖刷，產生水土流失，并使植被根系裸露，最終植被根系被沖走，削弱了植被根系的錨固作用。圖5是不同流速條件下(3.2～5.8 m/s)生物磚上游孔、下游孔的最大沖刷深度。天然植被條件下上游孔的草皮沖刷坑深度約為1.5～4.8 cm，下游孔約為0.3～4.2 cm；濕潤條件(浸泡12 h后沖刷)上游孔的草皮沖刷坑深度約為2.0～6.0 cm，下游孔約為0.4～5.5 cm。試驗表明，生物磚最大沖坑深度與管道流速有關，流速越大沖坑深度越大(見圖5)。試驗過程中，狗牙根在水體的沖擊作用下，全部倒伏在生物磚土層表面，形成植被覆蓋層，阻止土體被水流迅速帶走。由于植被密度大，根系生長好，其對土層的保護作用大。試驗使用的生物磚護岸結構為雙孔結構，試驗組次內，上游孔較下游坑沖刷深度大，約1.5 cm，這主要是上游孔缺少植被覆蓋，根部土壤大部分暴露在水流中，其侵蝕破壞相對嚴重(見圖5)。另外試驗樣品浸泡12 h后，土體含水量大，松散程度高，易于被沖刷；試驗組次內，上游孔濕潤條件下的沖刷深度要較一般情況大約0.8 cm，而下游孔在約為0.6 cm。對比張春欣、韓雷等的試驗[12-14]，本文的復合型護岸結構的土體裝填在水泥孔中，狗牙根草具有匍匐枝及發達的根系，由于植被中另外含有部分灌木，灌木根系的抗拉強度大，起到了加筋草皮的作用，有助于防止土層沖刷破壞，受水泥磚和植被的雙重保護，本文的試驗樣品未出現的全部破壞情況。從目前廣東中小河流治理實踐看，河道流速一般不會超過5.8 m/s，因此這種生物磚結構可以基本適應廣東省中小河流治理中所涉及的所有中小河流。

圖5 上游孔、下游孔沖坑的最大沖刷深度Fig.5 The maximum scour depth of upstream and downstream holes

2.2 生態景觀效果

利用生物磚對葵涌河常水位以上進行了護坡改造，植被生長效果較好。生物磚的磚孔填土部分面積占有37%，具有滲水功能，并且可以利用植物來吸取水中的氮、磷，減輕水體富營養化程度，同時通過對雨水的滲透截流，豐富地下水資源。與原有漿砌石護坡相比，其可以成為多種生物的棲息地，有組于維護河道兩岸的生態平衡。由于生物磚結構通過交錯及左右擠壓固定，不需要水泥勾縫，施工時可以結合河道岸坡地形施工，由于具有剛性和軟性防護相結合的特點，可以起到模袋混凝土的作用，維持河道彎曲形態，并保持河道原有的淺灘和深潭的交替結構，有助于增加多種生態環境條件，增加生物多樣性。這種植被形態可以為河道附近的水生、陸生、及兩棲生物提供棲息地。

葵涌河護坡與河道垂直護岸結構之間修建生態透水混凝土道路，并在道路與河道之間修建仿木欄桿等景觀工程，提高周邊群眾休閑活動。護坡采用復合生物磚結構，植被發芽率及生長情況是評判景觀效果的重要因素。生物磚孔為了滿足幼苗生長發育而專門配制的含有多種礦質營養，疏松通氣，保水保肥能力強，無病蟲害的床土。葵涌河現場對比試驗表明，與一般土壤相比，填充營養土的植被幼苗發育較好。種植1個月后，生物磚結構植被生長狀況比較，營養土內種植的狗牙根草籽發芽率高。植被生長3個月后，從外觀上看不出營養土與營養土的草皮密度，但其根系密度也遠高于非營養土培植的植被。

由于狗牙根草可以匍伏生長，且混合有灌木，提高了植被密度。植被生長8個月后(見圖4)，由于狗牙根草高度在30～40 cm，而灌木高度在30～50 cm。從現場視覺效果看，以狗牙根草為主的植被最終將水泥磚消除于視線內，與周邊景觀融為一體，實現自然化綠化效果，與河道對面未進行改造的漿砌石護岸形成鮮明的對比。

3 結 語

結合深圳市葵涌河生態修復工程，本文就一種典型的復合生物磚護岸結構的抗沖刷能力及護岸效果進行了總結。從實踐看，廣東省中小河流流速一般不會超過5.8 m/s，從抗沖性能上，這種生物磚結構可以基本適應該區域所涉及中小河流。

(1)利用有壓管道產生高速水流，本文建立了護岸結構物理模型試驗，對復合生物磚護岸結構單元的原體沖刷表明，浸泡12 h、流速為5.8 m條件下，沖刷12 h后沖刷坑最大深度不超過5.5 cm，生物磚結構不會被完全破壞，抗沖性能良好。

(2)深圳市葵涌河復合生物磚護岸結構現場試驗表明營養土可以增加狗牙根草的成活率，提高植被根系密度。狗牙根草在生長3個月后可以覆蓋復合生物磚護岸結構的水泥磚部分并形成良好的景觀效果。

(3)復合生物磚護岸結構由于良好的抗沖性能、穩固特點及生態景觀效果，兼具植被和混凝土護坡的優點是適用于城鎮河道的護岸護坡形式。

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