直立式生態框堤岸設計探討

莫愷悅

(廣州市水務規劃勘測設計研究院有限公司，廣州 510640)

1 概述

直立式生態框是一種比較好的生態結構形式，生態框模塊化、非封閉的特點使其施工速度快，透水性能好，水位以上框式結構能提供植物生長場所，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踐中，生態框堤岸由于其對恢復河流生態環境的良好效果受到人們青睞[1-2]。

目前直立式生態框的研究仍不成熟，存在基礎理論研究落后于產業發展、相關技術規范少的問題。為增強直立式生態框的實用性，本文探討直立式生態框的環境局限、工藝選用及計算思路。

2 直立式生態框類別

2.1 魚巢生態框

人工魚巢是一種通過在流水河段人為設置可供魚類繁殖、仔魚棲息生長的設施，彌補工程建設導致的流水生境損失，為受影響魚類提供適宜的攝食、繁殖、生長和庇護空間的生態修復措施。魚巢生態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框[3]。

首先，魚巢式生態框保留了傳統硬質護砌防止水土流失、抵抗沖刷侵蝕等護岸功能，其本身的結構和后重疊的堆放結構形成的孔隙和洞穴，可成為底棲魚類棲息和躲避敵害的場所，同時為產卵魚類提供產卵和孵化的場所，孵化后的幼魚也可以獲得庇護成長的環境。其次，魚巢生態框投放水域會產生多種流態，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；其產生的紊亂水流也利于水體營養鹽的混合，促進餌料生物的生長，為一些魚類性腺發育及產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原河道的魚類產卵條件，對河道生態造成影響。魚巢生態框內填筑塊石，留出孔隙并天然生長出水生植物，可以為產卵場所遭到破壞的魚類提供仿生態的產卵條件，改善野生魚類種群結構和數量，并最終達到修復和重建生境的目的[7]。

2.2 植草式生態框

植草式生態框是一種利用預制裝配式的框體填充種植土等基質，人工制造適合植物生長環境的生態框。

植草式生態框種植綠植應根據水陸關系及水位變化、水質情況、生物情況等合理選擇品種。根據水生植物的生長環境差異，按其生長特性，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，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，整個植株沉入水中，具發達的通氣組織，利于進行氣體交換，適用于大多數河道水位以下種植。濕生植物生長在濕潤的土壤里，根部只有長期浸泡在水中才能旺盛生長，濕生植物適合種植在水位變化不大的常水位以上區域。

華南地區常見種植的水生景觀植物有梭魚草、水芋、香蒲、菖蒲、風車草 、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]。據研究，燈芯草、石芒草、蝎尾蕉和花葉良姜明顯不適應污水澆灌的模擬人工濕地環境。而梭魚草、香蒲、菖蒲、象草、薏苡、風車草生長速度快，單位面積生長植株多，適宜在污水環境中種植。植物的COD去除率由大到小依次為：梭魚草>風車草>燈芯草>菖蒲>紅蛋>春芋>水芋>薏苡>藨草>石芒草>空白對照(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TN的去除率均明顯高于其空白對照。種植蝎尾蕉、石芒草和花葉良姜的盆栽對TP的去除效果在空白對照之間并無顯著變化，紅蛋停留時間為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]。

在坡腳生長的植物根系是鯉、鯽、團頭魴等產黏性卵魚類主要的產卵場地，布置于常水位的植草式生態框種植適應濕地的植物可以輔助以上魚類繁衍。

工程實踐中，由于植草式生態框種植空間有限，常常采用草籽等工藝進行播種，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的河道，植草式生態框也能給當地野生植物提供生長扎根的環境，保障工程實施后的生態恢復效果。

3 直立式生態框的常用結構形式

3.1 重力式擋墻

生態框根據各河道工程的需要，用作護腳時，一般僅需堆砌1～2層，框后填筑反濾層并過渡至堤身結構。此時生態框砌筑為重力式擋墻的結構形式，因此在設計中按照重力式擋墻方法進行計算[11-13]。

3.2 加筋土擋墻

生態框用作直立擋墻結構時，需堆砌3層及以上，常見為4～6層，高約2～3 m，該工況下依靠生態框自身重力較難保證結構及其支擋土體穩定性，因此在墻后土體中增設筋體，在設計中通常按照加筋土擋墻形式進行設計。

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，穩定土體，起到擋土墻作用的一類工程措施。直立式生態框擋墻在工程應用中經常會采用加筋土擋墻的結構形式。在加筋土擋墻結構中，筋材的選用是關鍵。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、鋼筋網、鋼絲網等的案例。值得注意的是，由于缺乏保護層，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，因此設計中需要考慮筋材老化后的養護以及結構穩定問題。

4 直立式生態框的結構設計計算

直立式生態框在組合層數較少時，可沿用傳統重力式擋墻結構的計算方法，在計算時應該增加考慮各層框塊體之間的抗滑穩定和抗傾覆穩定。而生態框組合層數較多時，設計斷面時常考慮加入土工格柵等加筋措施，此時直立式生態框作為模塊式面板起抗沖刷作用，堤身結構可以看作加筋土擋墻。以下就組合層數較多的情況介紹直立式生態框設計的計算方法。

4.1 邊坡整體穩定性

直立式生態框的結構情況相對復雜：比起純粹的加筋土擋墻的薄面板，厚度為0.5～1 m且內填塊石的生態框對墻后土體能起到較大的平衡穩定作用；比起重力式擋墻，其自身非密實、裝配式的結構構造又需要墻后加筋土的協助。目前的設計方法均概化為一類結構計算，未詳盡考慮兩種結構協調作用，不能準確反映墻身穩定情況。

一般認為采用加筋土擋墻的邊坡整體穩定性在計算時應該將整個加筋土區域視為實體墻，以傳統重力式擋墻的計算：方法對加筋土區域進行擋墻結構計算。計算內容包括擋墻的抗滑移穩定、堤身抗滑穩定(岸坡整體穩定)、地基承載力。加筋土體可不進行抗傾覆穩定校核，但墻底面上合力的作用點應在底面中三分段之內。

直立式生態框擋墻由于其墻面模塊較大，框內填料重量占比較高，計算時也應該將墻面板包含在實體墻區域內，與加筋土區域整體計算。

4.2 加筋土內部穩定性

加筋土內部穩定性驗算應計算筋材強度、筋材的抗拔穩定性(筋材與填土的結合效果)。計算內部穩定性時，加筋土區域可劃分為錨固區與非錨固區，利用筋材在錨固區的錨固力固定非錨固區的土體。

4.2.1錨固區劃分

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

4.2.2筋材強度及抗拔穩定性

1)筋材強度

筋材相關計算可以參照《土工合成材料應用技術規范》(GB/T 50290—2014)進行計算[14]。

① 每層筋材均需要進行強度驗算，第i層單位墻長筋材承受的水平拉力按下式計算：

Ti=[(σvi+∑Δσvi)Ki+Δσhi]svi/Ar

(1)

式中：

σvi——驗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。

② 土壓力系數

對于柔性筋材：

Ki=Ka

(2)

對于剛性筋材(常用的土工格柵應歸為剛性筋材)：

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

(3)

Ki=Ka(z>6 m)

(4)

式中：

Ka——主動土壓力系數；

K0——靜止土壓力系數。

③Ti應滿足下式要求：

Ta/Ti≥1

(5)

2)筋材抗拔穩定性

第i層筋材的抗拔力Tpi應根據填土破裂面以外筋材的有效長度Le與周圍土體產生的摩擦力按下式計算：

Tpi=2σviBLeif

(6)

式中：

f——筋材與土的摩擦系數，應由試驗測定；

Lei——筋材有效長度，即破裂面以外的筋材長度，該長度最小不得小于1 m；

B——筋材寬度，m；筋材滿堂鋪時，B=1 m。

筋材抗拔穩定性安全系數應滿足下式要求：

Fs=Tpi/Ti

(7)

Fs≥1.5

(8)

4.3 生態框穩定性

按加筋土擋墻對生態框堤岸進行計算時，假設生態框僅用于防止筋材之間土體在豎向力作用下橫向擠出，用于承擔橫向擠出的力。根據三軸應力狀態，此時最下層生態框承擔的最底部所受的水平剪力可按下式計算：

(9)

式中：

c——土的粘聚力；

φ——土的內摩擦角。

前文的邊坡穩定性計算與加筋土內部穩定性計算均認為是筋材承擔所有荷載，墻面僅起到每層土體邊緣模板的作用。但某些生態框填充塊石或填土后本身實際足夠厚重，可以作為擋土墻承擔一部分土壓力。實際工作中，當直立式生態框在組合層數較少時可沿用傳統重力式擋墻結構的計算方法，在計算時可增加考慮各層筐塊體之間的抗滑穩定和抗傾覆穩定。

5 直立式生態框應用案例

5.1 工程概況

某河涌整治工程，整治長度約為400 m，沿現狀河道走向進行河道整治?，F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框護岸，1∶2三維土工網植草護坡。受兩岸用地限制，生態框設置5層，高度約為2.4 m。

該工程整治標準為30年一遇，建筑物級別為3級，設計水位為15.48～13.96 m(珠基高程，下同)，設計河底高程為12.44～10.60 m。由于兩岸地塊已有開發規劃，本工程用地有限，地質條件較差，整治后在滿足防洪排澇標準、保障水安全的同時，還要兼顧保護河道生態、美化城市景觀。

5.2 設計方案

5.2.1堤線布置

某河上游段為山區性河流，未有明顯的堤線。整治工程基本沿著現有河道布置，按照設計河寬劃定岸線，在局部河道不平順處順直，在轉彎半徑過小處加大轉彎半徑，充分考慮水力條件及水流形態，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為主，原狀河道及周邊整體比較生態自然，斜坡式斷面較為生態，景觀性好，同時為減少工程占地，故采用直斜混合式斷面。

河道護岸采用生態框，生態框為預制定型產品，混凝土強度可達到C40以上，其內部為中空結構且四面開孔。施工時直接運送到現場進行安裝，然后往生態框內填充塊石、種植土，框與框之間還可以通過預留孔采用短鋼筋進行連接。生態框護腳及護岸的特點及作用如下：① 抗沖刷、透水性強；② 采用機械吊裝，施工速度快；③ 空隙大，利于生物棲息；④ 穩定性較好，養護簡單；⑤ 綠化效果較好；⑥ 造價適中，能沿現狀邊坡施工，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，充分考慮經濟性和施工便利性，設計采用生態框護岸(工程斷面示意見圖2)。

5.2.3特征參數

根據計算，堤頂超高不小于0.80 m，根據規范及管理需求，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框護腳方案施工完成，建成后護腳外立面規整，生態框表面生長植物，達到預期效果。此次整治工程施工工期較短，與周圍環境協調，項目業主及周邊居民均較為滿意。圖3為該河涌生態框護岸完工效果示意。

圖3 生態框護岸完工效果示意

6 結語

直立式生態框可以成為綠植的生長基床，亦可以作為水生動物的庇護所?，F在已有眾多水生植物與水環境關系的研究成果，均能支撐水生植物對水質改善可起到積極作用。人工魚巢的研究應用也相對成熟，人工魚巢改善水族種群的成功案例也比較多[15]。直立式生態框作為水生植物生長土壤和人工魚巢的結合體，對河道生態起到的積極作用是比較明確的。

在生態文明建設的大背景及防洪安全的原則下，面對城市化進程及用地困難的現實條件，直立式生態框作為具備一定抗沖性能、可保障河道生態、在用地制約條件下可直立式砌筑的河道護岸結構，正逐步得到推廣應用。本文探討了生態框類別、結構形式、設計計算等問題，通過案例展示，可為其他采用生態框的河道整治工程提供參考。