新型多孔隙生態護岸塊體的設計與應用

(1.江蘇淮源工程建設監理有限公司，江蘇 淮安 223001;2.淮安市淮陰區水利局，江蘇 淮安 223001)

隨著人們對自然生態環境保護的逐步深入，水利工程中護岸材料的選擇也越來越重視對生態保護的要求，生態型護岸材料逐步代替了原有的護岸材料，并且能夠起到保護生態環境和維持生態平衡的作用。本文主要研究多孔隙生態護岸塊體的設計及穩定性分析，倡導護岸塊體設計應用時，將力學美觀和生態護岸有機地結合在一起，探索設計和應用新型多孔隙水利生態護岸塊體，為構建新型生態護岸提供技術參考。

1 多孔隙生態護岸塊體的設計原則

雖然多孔隙生態護岸塊體是一種工程材料，但是在實際的設計過程中也應該遵循一定的設計原則，應該保證設計形式的美觀性和生態保護的有效性，在相關規范的要求下進行塊體的外形設計。

1.1 設計規范和要求

河道的護岸工程是河道治理中十分重要的一個環節，在選擇河道護岸材料的時候首先護岸材料要能夠滿足河道防洪排洪的要求，要保證整體河道工程的安全穩定，在實際的工程條件下，河道護岸工程可能會長時間面臨河浪和洪水的沖擊，在北方的嚴寒地區還會面臨冰凍考驗。不僅如此，生態護岸還要注意對整個河流生態系統的保護。

1.2 滿足生態修復的需求

生態護岸項目的建設要優先考慮河道生態系統的可持續發展，在設計和選用材料時，要保證不同水系之間互不干涉，要保證原有河道的生態環境和生態穩定，傳統的硬質材料在護岸工程完成后，將河道原有的水汽系統隔離開來，使得生態環境受到威脅，所以生態護岸材料要能夠溝通河道中的水、植被和動物，要讓整個生態系統更加完善，所以在設計生態護岸材料的時候要盡量選擇天然的木、石等材料，避免二次污染。

1.3 體現人水和諧的理念

河道護岸工程材料設計首先要滿足審美觀念，使用生態護岸施工的河道一般都是親水型生態河道，也是人們經常會去游玩的場所，所以生態護岸材料的設計要符合人們的審美觀念，在整體的構造和水景設計上也要滿足美學要求，提升整體水景形象。

1.4 因地制宜就地取材

設計多孔隙生態護岸材料時，要關注護岸材料的成本，因此在實際施工中，對于護岸材料的選擇應該做到因地制宜，就地取材，選擇運輸范圍內的低成本材料來制作多孔隙生態護岸塊。

2 新型多孔隙生態護岸塊體設計說明

2.1 模型外觀

本文介紹的多孔隙生態護岸模型設計采用的是四腳結構，模型由4個底座構成，中間留有植被生長通道，還有過魚孔以及方形植被孔，前后兩個插孔。具體設計模型外觀見圖1和圖2所示。

圖1 多孔隙生態護岸塊體模型外觀

圖2 多孔隙生態護岸塊體模型俯視圖

2.2 設計特點

新型多孔隙護岸材料具有以下特點：

a.該護岸塊中心有開放式的中空立柱，在堆砌完成后，這些中空立柱彼此連通，成為上下貫通的通道，整個通道起到了兩層作用：?對于整體的堆砌效果起到了支撐作用；?貫通的通道對于魚類地穿行提供了場所，同時也讓植物能夠通過該通道生長發育。

b.該護岸塊具有4個支撐腳，在施工堆砌的時候，這四只固定腳可以深埋入土，增加了整體的穩定性能，也使得護岸河堤更加牢固。

c.在整體堆砌完成后，每層護岸塊中間有縱橫相錯的五條通道，可以為魚、蝦類提供穿行通道，也可以成為魚蝦和河道生物產卵繁殖和避難場所。

d.新型護岸塊在左右兩側分別預留了安裝插孔和插槽，使得安裝過程更加簡單，施工中也可以直接多塊縱向連接后直接布放。

e.橫向的護岸塊連接之后也會產生一個六邊形的通道，該通道可以有效地為植被的生產和魚類地穿行提供空間。而垂直于地面的制備生長根系的錨固作用能提高河堤的強度，加強了護岸作用。

f.新型護岸塊不僅為魚類提供了活動空間，同時，從生態系統角度來看，可以在護岸塊的小空間內形成小的生態環境，魚類可以以植物和浮游生物為生，而魚類排泄的糞便又可以為植物提供養分，不僅起到了河堤護岸的作用，還實現了自循環的生態系統，而且施工簡單，適用性強。

2.3 設計尺寸

當河堤的斜坡保護面為塊石或人工塊體進行填埋，并且填埋的坡率在1.5～5之間時，填埋塊體的質量Q以及護面層厚度t滿足以下公式(1)和(2)：

(1)

(2)

式中Q——防護面塊體或塊石的質量；

rb——塊體或者塊石的容重；

r——水的容重；

H——設計的波高；

t——塊體或塊石的厚度；

m——河岸堤與河面的夾角的cot值；

n——鋪設的層數；

KD和c——常數，系數經過查詢得到，具體參數取值情況見表1和表2。

表1 穩定系數KD的取值

表2 常數c的取值

根據不同的護岸與河面的夾角取得了不同的m值，根據護岸與河面的夾角范圍，m的取值為1.5～5，因此根據m取值的極限范圍計算出新型多孔隙生態護岸塊的相關設計參數。具體參數見表3。

表3 新型多孔隙生態護岸塊的單塊設計參數

3 性能研究

3.1 實用性分析

河流護岸工程中經常會利用植物根系的錨固作用來加固河堤。利用植物的根系錨固加固河堤的工程案例在國內外的河道水利工程建設中屢見不鮮，尤其是近年來利用植物和生態護岸塊來加固河堤已經成為國內外河道治理，護岸固堤，防止土壤侵蝕的重要手段。所以多孔隙生態護岸塊的設計也越來越受到國內外學者的重視，但是除了要保證護岸塊的植物錨固作用外，護岸塊本身也必須具備一定的強度，而在護岸塊中生長的植物也可以看作是護岸塊的植筋，增強了護岸塊的穩定性；植物生長嚴密覆蓋河岸也可以降低河岸的水土流失，還能起到降噪阻光的作用，降低了河堤受到的噪聲沖擊和光照侵蝕。不僅如此，新型多孔隙生態護岸塊中植被的生產還有美化河堤的效果，改善了河岸的生態環境和景觀環境。

雖然植物的生長能夠對河堤起到很好的加固作用，還能夠美化環境，但是植物的過度生長也會對河堤造成一定的隱患，植物過密會提高河堤的糙率系數，造成河堤行洪能力的減弱。

總體評估植被對于河堤的作用利大于弊，通過植物根系的錨固和加筋效果，增強了護岸塊的護岸效果，同時生態環境得到了改善，調節了土壤的水分含量，對實際的護岸工程很有裨益。

3.2 穩定性分析

新型多孔隙生態護岸塊的安裝過程：沿著水平方向進行接插式安裝，先將第一塊護岸塊的底座安裝固定在土壤中，再將第二塊護岸塊依次對齊排列，豎向安裝時，將上面的護岸塊插耳插入前一塊護岸塊的插孔中，依次接插安裝。如圖3和圖4所示。

圖3 新型多孔隙生態護岸塊的三維安裝圖

圖4 新型多孔隙生態護岸塊的安裝平面圖

4 結 語

新型多孔隙生態護岸塊有足夠的孔隙可以使陸地和水面充分接觸，使水體和土壤密切相關，新型多孔隙生態護岸塊為植物和動物提供了充足的生長和生存空間，同時也溝通了整個護岸的生態圈，構造一個小型生態系統，通過新型多孔隙生態護岸塊所構造的通道和隱蔽場所，魚類可以自由的產卵和避難，植物可以有充足的養分和生長空間，不僅提高了生態的穩定性，也使得環境更加美觀。

本文研究的新型多孔隙生態護岸塊是一種設計新穎的護岸材料，整個護岸塊有4個底座，深入土壤中，增加了護岸塊的安裝穩定性，同時設計的側面接插耳孔增加了安裝的牢固性，貫穿其中的5條通道為動植物的繁衍生息提供了充足的空間。這種新型多孔隙生態護岸塊可以有效地保護河道生態環境，固化水土，促進河道生態系統中的養分循環，形成新的食物鏈，豐富河道生態系統的物種多樣性，同時這種新型多孔隙生態護岸塊適用范圍廣，能夠滿足各種河道的施工需求。