新型聚氨酯碎石空心塊體生態(tài)堤結(jié)構(gòu)構(gòu)建*

李 亞 ， 陳海峰， 黃明毅， 楊立文， 姜立志， 王憲業(yè)

(1. 中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司， 上海200032； 2. 中交第三航務(wù)工程局有限公司， 上海200032；3. 中交第一航務(wù)工程局有限公司， 天津300461； 4. 華東師范大學(xué)， 上海200062)

1 研究背景

長江口南槽航道治理一期工程整治建筑物工程是沿江亞南沙南緣向下游建設(shè)的1 條護灘堤，上游順接長江口12.5 m 深水航道分流魚嘴南線堤， 總長16 km。 上游段約10 km 長區(qū)段主體高程2.0 m(上海城建吳淞零點)， 中部約5 km 長區(qū)段主體高程1.5 m， 下游段約0.7 km 長為2.0 m 厚護灘堤(圖1)。 本工程距離九段沙生物多樣性維護生態(tài)紅線較近， 環(huán)境影響敏感。 護灘堤建設(shè)將直接占用灘地， 造成生物量損失[1]， 應(yīng)力求采用有利于生境恢復(fù)的整治構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)， 提高工程結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的契合度， 貫徹落實生態(tài)優(yōu)先、 綠色發(fā)展理念。 為此， 選擇在本工程護灘堤尾部局部區(qū)段開展新型生態(tài)結(jié)構(gòu)研究， 相關(guān)成果將服務(wù)于南槽航道治理后續(xù)工程， 并為國內(nèi)類似生態(tài)航道工程建設(shè)提供借鑒。

圖1 工程平面圖

2 研究現(xiàn)狀

1)傳統(tǒng)拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)具備一定的孔隙率，但結(jié)構(gòu)內(nèi)部難以提供空間連通、 沉積適度、 水流動態(tài)穩(wěn)定、 物質(zhì)交換流通的生物生存空間， 且砂石料用量大， 材料供給受制約； 混凝土半圓體、梯形體等大型薄壁結(jié)構(gòu)具備內(nèi)部棲息空間， 但該類型結(jié)構(gòu)不適宜在矮堤身條件應(yīng)用。

2)長江航道相關(guān)整治工程中， 研究應(yīng)用了一系列透水型、 生態(tài)型結(jié)構(gòu)[2]。 在長江下游東流水道航道治理二期工程應(yīng)用了四面六邊透水框架， 況宏偉[3]通過模型試驗對四面六邊透水框架壩孔隙率進行研究， 但著重于其減速落淤作用及固灘效果， 對于生態(tài)效應(yīng)僅有定性評價。長江中游荊江河段、 下游黑沙洲水道航道整治工程應(yīng)用魚巢磚護岸進行生態(tài)防護[4]， 并未用作堤身結(jié)構(gòu)， 且缺少生境量化因子研究。 長江南京以下12. 5 m 深水航道工程儀征水道應(yīng)用了生態(tài)梯形塊丁壩結(jié)構(gòu)， 常留紅[5]通過水流數(shù)學(xué)模型和水槽試驗， 對影響魚類生境指標(biāo)的壩體透水率進行相關(guān)研究。 長江口已實施的航道治理工程中所采用具有一定生態(tài)效應(yīng)的堤身結(jié)構(gòu)主要為透空半圓體構(gòu)件[6]， 但其應(yīng)用主要從減小波浪力、 增強地基適應(yīng)性、 穩(wěn)定性等工程功能角度考慮， 尚未進行生態(tài)功能聚焦研究。 其余珠江口、 海河口、 遼河口等國內(nèi)河口治理工程[7]， 主要通過建設(shè)導(dǎo)堤、 丁壩等并結(jié)合疏浚手段實現(xiàn)工程功能。 總體而言， 目前生境需求量化指標(biāo)研究較少， 生態(tài)學(xué)和工程學(xué)結(jié)合不足，且對于河口環(huán)境的生態(tài)結(jié)構(gòu)研究較少。

3)目前生態(tài)梯形體、 勾連式透水框架、 魚巢磚等人工生態(tài)塊體， 基本采用混凝土材料，混凝土成型容易、 強度高， 但是由于其密實性好， 透水透氣性欠佳， 影響水、 氣、 溫度、 物質(zhì)等生態(tài)要素交換， 無法形成微生境， 不利于附著生物生存， 所以有必要進行新型材料的探索和應(yīng)用。

3 生物生境需求

3.1 目標(biāo)生物研究對象

長江口處于陸河海三者交互界面， 生態(tài)系統(tǒng)特殊， 分布有植物、 底棲動物、 魚類、 鳥類等生物類群。 工程建設(shè)對生物的影響主要是改變其生存環(huán)境條件。 本工程護灘堤位于潮下帶， 將侵占原有水體空間， 改變河底邊界及局部水流泥沙條件， 進而影響生物的生態(tài)過程。 根據(jù)主要生物類群的生存特性和分布格局， 大型底棲動物由于生活在底質(zhì)環(huán)境中， 運動和逃脫能力差， 對環(huán)境變化較為敏感， 將受到工程建設(shè)直接影響[8]； 另外， 大型底棲動物處于河口食物鏈中間次級生產(chǎn)者環(huán)節(jié)， 是能量物質(zhì)交換流動的重要參與者， 具有承上啟下的作用， 生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康指示作用顯著[9]。 綜上， 選擇大型底棲動物作為目標(biāo)生物研究對象。

3.2 目標(biāo)生物生境需求指標(biāo)

根據(jù)調(diào)查研究， 長江口地區(qū)潮下帶水域大型底棲動物主要包括雙殼類、 甲殼類和多毛類， 代表性優(yōu)勢物種生境需求指標(biāo)[10-12]見表1。 綜合分析， 為滿足大型底棲動物棲息， 底質(zhì)厚度宜大于30 cm； 水體應(yīng)保持低流速， 同時含沙量宜低， 避免水沙動力擾動； 應(yīng)避免生存空間淤堵閉塞， 影響生物能量物質(zhì)交換生態(tài)過程。 應(yīng)構(gòu)建形成緩流不濁、 微淤不堵、 內(nèi)外連通、 動態(tài)平衡穩(wěn)定的棲息環(huán)境。

表1 目標(biāo)生物生境需求指標(biāo)

4 生態(tài)結(jié)構(gòu)方案

4.1 基于生境需求的生態(tài)結(jié)構(gòu)形式構(gòu)建

從生境需求、 工程結(jié)構(gòu)尺度等因素進行生態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)建， 總體思路見表2。

表2 生態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)建思路

考慮到以上結(jié)構(gòu)生態(tài)需求特性， 研究篩選出生態(tài)孔隙型材料， 并結(jié)合國內(nèi)外人工魚礁等生態(tài)塊體結(jié)構(gòu)的相關(guān)實踐， 提出新型生態(tài)聚氨酯碎石空心塊體結(jié)構(gòu)。 該結(jié)構(gòu)主體采用聚氨酯碎石混合料(PPM)， 結(jié)構(gòu)骨架采用玄武巖纖維復(fù)合筋(BFRP筋)， 結(jié)構(gòu)上下通透， 周邊開孔(圖2)。 PPM 是由聚氨酯與碎石混合而成的一種新型材料， 碎石通過聚氨酯的粘合力接觸固定形成強度， PPM 具有開放性孔隙， 生態(tài)效果好； BFRP 筋由天然玄武巖高溫拉絲復(fù)合而成， 具有強度高、 綠色環(huán)保、 耐腐蝕等優(yōu)點， 特別適合海洋環(huán)境下的結(jié)構(gòu)工程。

圖2 聚氨酯生態(tài)碎石預(yù)制空心塊體結(jié)構(gòu)

該新型結(jié)構(gòu)生態(tài)效應(yīng)體現(xiàn)在以下幾方面:

1)結(jié)構(gòu)具有良好的遮蔽性和透空性。 遮蔽性有利于形成緩流微淤環(huán)境， 為生物提供了有利的生存空間； 采用多孔洞形式， 有利于水體循環(huán)，避免堵塞， 增大生物活動空間。

2)生態(tài)聚氨酯碎石化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定， 耐海水腐蝕能力強， 對水體無污染， 生態(tài)環(huán)保性好。

3)與混凝土構(gòu)件相比， 聚氨酯碎石構(gòu)件表面粗糙度大， 具有較大的附著面積， 有利于藻類等生物附著。 另外， 材料本身具有透水性， 可形成結(jié)構(gòu)內(nèi)外的水體和營養(yǎng)交換， 有利于附著生物的養(yǎng)料供給和代謝穩(wěn)定， 附著生物繁殖可為其余生物提供餌料， 提高生態(tài)效應(yīng)。

4)以一定規(guī)模安放的生態(tài)空心塊體形成群組，由于塊體頂部為非密封平滑邊界， 而是一系列孔洞組， 流體經(jīng)過擾動會生成一定的局部上升流態(tài)，有利于形成水體上下物質(zhì)交換機制， 促進餌料生物繁殖生長， 起到生態(tài)聚集效應(yīng)。

4.2 生態(tài)空心塊體堤身結(jié)構(gòu)

4.2.1 結(jié)構(gòu)斷面形式

生態(tài)結(jié)構(gòu)研究以15+600 ～15+700 區(qū)段為對象， 原設(shè)計為2 m 厚拋石堤。 生態(tài)堤結(jié)構(gòu)高度保持2 m 不變， 堤頂寬度約13 m， 采用聚氨酯碎石空心塊體組合形成， 單個塊體尺度1.6 m×1.6 m×1.6 m， 壁厚0.3 m， 各個面開有圓孔。 沿堤軸線外側(cè)兩排空心塊體連續(xù)布置， 中間3 排采用間隔留空擋布置方式。 塊體底部設(shè)置10 ～100 kg 拋石基床， 兩側(cè)設(shè)置100～300 kg 拋石護腳。 兩側(cè)空心塊體平放， 可以形成縱向生存廊道， 中間3 排空心塊體均采用豎放(上下貫通)， 有利于塊體內(nèi)部泥沙沉淀， 形成微淤緩流環(huán)境。 堤身護底采用砂肋軟體排+混凝土聯(lián)鎖塊軟體余排(圖3、 4)。 另外， 為了進行不同材料生態(tài)效應(yīng)對比研究， 在相鄰15+700～15+800 區(qū)段采用鋼筋混凝土材料、 相同結(jié)構(gòu)形式的空心塊體結(jié)構(gòu)。

圖3 15+600～15+700 區(qū)段生態(tài)堤結(jié)構(gòu)(高程: m； 尺寸: mm)

圖4 空心塊體間隔留空擋布置(布置方式1)

4.2.2 基于CFD 數(shù)值流場計算的平面組合布置方式對比研究

生態(tài)空心塊體結(jié)構(gòu)可以采用間隔留空擋布置或者連續(xù)布置方式， 考慮到整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性， 沿堤軸線兩側(cè)塊體宜連續(xù)布置， 中間區(qū)域塊體可以間隔留空檔布置(組合布置方式1， 圖4)或連續(xù)布置(組合布置方式2， 圖5)。

圖5 空心塊體連續(xù)布置(布置方式2)

采用三維流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值手段對兩種平面組合方式進行分析， 求解基于有限體積法。本工程位于南槽中上段， 該區(qū)段往復(fù)流性質(zhì)明顯，落潮流速基本大于漲潮流速， 主流向一般為順堤流， 為使計算具有典型性， 按順堤流計算， 計算流速取平均流速。 計算域采用0.1 m 尺度單元劃分， 入口邊界為波流耦合入流邊界(沿堤軸線方向): 流速1.0 m∕s， 波高1.0 m， 波周期7.5 s；出口邊界設(shè)定為自由出流條件。 計算結(jié)果見圖6、 7。 可見， 2 種組合布置方式都起到很好的緩流作用， 內(nèi)部流速基本小于0.3 m∕s， 形成了較為穩(wěn)定的內(nèi)部流場環(huán)境； 2 種布置方式效果差異較小， 但布置方式1 相比方式2 內(nèi)部空間更大， 有助于水體交換， 對生物的棲息更有利， 并節(jié)約了工程造價， 故優(yōu)選布置方式1。

圖6 布置方式1 流速云圖

圖7 布置方式2 流速云圖

5 施工工藝分析

5.1 施工工藝

聚氨酯碎石混合料應(yīng)用于預(yù)制構(gòu)件尚無先例，擬通過實際施工試驗對其預(yù)制工藝及吊運安全進行研究驗證。 構(gòu)件預(yù)制應(yīng)避開雨天進行， 主要施工工藝如下:

1)模板安裝。 使用預(yù)制場內(nèi)門機進行鋼模板安裝； 先將內(nèi)模板安裝在底胎上固定后再安裝外模板。

2)BFRP 筋加工。 BFRP 筋在鋼筋加工區(qū)統(tǒng)一加工。 BFRP 筋表面容易損傷， 不宜直接放在地上， 避免拖動， 應(yīng)使用高速切割機鋸進行BFRP筋切割， 不能通過剪切方式。

3)選料。 聚氨酯碎石混合料必須選用干燥、堅硬的碎石， 碎石不宜含有較多針片狀顆粒， 形狀宜接近于立方體， 以保證碎石間有足夠的接觸面積。 聚氨酯膠黏劑應(yīng)采用正規(guī)廠家產(chǎn)品， A、 B組分進場時應(yīng)有產(chǎn)品合格證及化驗單， 并隨時進行抽驗， 確保質(zhì)量合格。

4)上料及攪拌。 碎石定量運送至料斗內(nèi)； 將聚氨酯A、 B 料按設(shè)計要求自動混合攪拌， 輸送至攪拌機內(nèi)； 每次攪拌時長150 s， 攪拌完成后放料至模板內(nèi)； 聚氨酯碎石料入模后可自密實， 輔以人工壓實。

5)拆模。 構(gòu)件澆筑完成后， 24 h 左右可達到拆模強度， 模板分塊拆除。

6)存放及出運。 生態(tài)空心塊體可多層存放；塊體出運時利用專用吊具進行翻轉(zhuǎn)， 吊具由主橫梁、 兩側(cè)自動夾取馬腿、 翻轉(zhuǎn)銷軸3 部分組成。

根據(jù)巴斯夫公司提供的產(chǎn)品資料以及本工程實際預(yù)制成品材料強度試驗結(jié)果， 聚氨酯碎石混合料力學(xué)性能控制指標(biāo)[13]見表3。

表3 聚氨酯碎石混合料力學(xué)參數(shù)

5.2 空心塊體吊運內(nèi)力分析

空心塊體結(jié)構(gòu)采用豎向預(yù)制方式(0°)， 翻轉(zhuǎn)后為平放狀態(tài)(90°)， 翻轉(zhuǎn)軸為兩側(cè)中心圓孔連線， 采用三維實體有限元進行結(jié)構(gòu)吊運內(nèi)力分析，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、 變形計算結(jié)果見圖8、 9 和表4， 經(jīng)驗算材料強度滿足要求。

圖8 空心塊體0°姿態(tài)吊運應(yīng)力

圖9 空心塊體90°姿態(tài)吊運應(yīng)力

表4 構(gòu)件吊運應(yīng)力峰值及位移計算結(jié)果

6 結(jié)論

1)根據(jù)長江口生態(tài)系統(tǒng)、 生物種群特性及工程影響分析， 確定大型底棲動物作為目標(biāo)生物研究對象， 給出生境需求特性和關(guān)鍵指標(biāo): 棲息底質(zhì)厚度宜大于30 cm； 水流應(yīng)保持低流速， 同時含沙量宜低， 避免水沙動力擾動； 同時應(yīng)避免生存空間淤堵閉塞， 影響生物能量物質(zhì)交換生態(tài)過程。

2)根據(jù)生境需求要素， 提出新型生態(tài)聚氨酯碎石空心塊體結(jié)構(gòu)， 給出空心塊體組合堤身結(jié)構(gòu)形式， 并通過流體動力學(xué)數(shù)值方法對比分析不同平面組合布置方式， 論證流場指標(biāo)生態(tài)適宜性。

3)提出新型生態(tài)空心塊體結(jié)構(gòu)施工工藝， 通過三維實體有限元進行結(jié)構(gòu)吊運安全驗算， 并通過實際預(yù)制施工、 吊運試驗進行可行性驗證。