黃岳文，王立華

(1.廣州市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣州 510640；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；3.廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣州 510635)

0　引　言

傳統(tǒng)水利工程主要關(guān)注防洪安全、生產(chǎn)、生活用水的保障及水力發(fā)電等方面。建國(guó)以來(lái)，我國(guó)的水利建設(shè)事業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在防洪、灌溉、供水、發(fā)電等各方面取得了驚人的成績(jī)。但與此同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)，人類活動(dòng)對(duì)自然水系的干擾嚴(yán)重：水系污染、江河斷流、生態(tài)環(huán)境惡化等等。有識(shí)之士開(kāi)始對(duì)傳統(tǒng)水利工程的單一功能進(jìn)行反思，對(duì)傳統(tǒng)的河道治理模式進(jìn)行批判[1]，開(kāi)始關(guān)注水環(huán)境、水利景觀和水文化[2]，注意到傳統(tǒng)水利工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫[3]，提出生態(tài)水工學(xué)的概念[4,5]。在工程設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)生態(tài)設(shè)計(jì)，即與生態(tài)過(guò)程相協(xié)調(diào)，盡量使其對(duì)環(huán)境的影響達(dá)到最小，這種協(xié)調(diào)意味著設(shè)計(jì)尊重物種多樣性，減少對(duì)資源的剝奪，保持營(yíng)養(yǎng)和水循環(huán)，維持植物生境和動(dòng)物棲息地的質(zhì)量，以有助于改善人居環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的健康[6]。新的水利建設(shè)理念要求水利工作者在進(jìn)行河道整治時(shí)不僅要考慮水利工程的安全要求，還要考慮人們對(duì)河流的景觀性、親水性等方面的要求，更要考慮到生態(tài)性的要求，甚至更進(jìn)一步提出對(duì)河流進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，以使河流恢復(fù)因人類活動(dòng)的干擾而喪失或退化的自然功能[7]。傳統(tǒng)硬質(zhì)型護(hù)岸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材質(zhì)堅(jiān)硬，顏色灰暗，雖然在一定時(shí)期內(nèi)對(duì)穩(wěn)定河道、防洪排澇、防止水土流失等方面發(fā)揮了巨大的作用，但其人工痕跡太過(guò)明顯，與當(dāng)前人類“回歸自然、反璞歸真”的觀念相違背，同時(shí)也給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)許多不利的影響。因此，近年來(lái)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用兼具有生態(tài)保護(hù)、資源可持續(xù)利用、工程安全等需求的生態(tài)護(hù)岸工程技術(shù)，已成為河道整治工程的新模式[8]。生態(tài)護(hù)岸在水陸生態(tài)系統(tǒng)之間架起了一道橋梁，對(duì)兩者間的物流、能流、生物流發(fā)揮著廊道、過(guò)濾器和天然屏障的功能。在治理水土污染、控制水土流失、加固堤岸、增加動(dòng)植物種類、提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、調(diào)節(jié)微氣候和美化環(huán)境等方面都有著巨大的作用[9]。本文介紹的沉管護(hù)腳結(jié)合現(xiàn)澆無(wú)砂混凝土護(hù)坡技術(shù)正是這樣的一種生態(tài)護(hù)岸技術(shù)，具有施工簡(jiǎn)便、縮短工期、降低造價(jià)、生態(tài)性和安全性良好等許多優(yōu)點(diǎn)。

1　技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1　護(hù)岸分區(qū)防護(hù)

根據(jù)水位變化情況，河岸一般可劃分為三個(gè)區(qū)域，即死水區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)和無(wú)水區(qū)。在進(jìn)行生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域的水動(dòng)力學(xué)特征選擇相應(yīng)的護(hù)岸形式。通常只對(duì)死水區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)考慮采用必要的工程措施，而河岸上部無(wú)水區(qū)一般可考慮植物護(hù)坡。

死水區(qū)常年浸泡在水下，護(hù)腳結(jié)構(gòu)型式可根據(jù)地質(zhì)地形條件具體選擇，應(yīng)能適應(yīng)一定的變形，同時(shí)從生態(tài)方面考慮，還應(yīng)充分照顧到水生動(dòng)物的生存要求。對(duì)于軟土地區(qū)河道整治工程，可選用施工方便的沉管護(hù)腳；沉管內(nèi)可以填土種植水生植物以改善河道生態(tài)景觀。水位變動(dòng)區(qū)自然土坡容易受水流沖刷，通船河段還受船行波沖刷，造成水土流失及岸坡崩塌，需要采用護(hù)坡工程措施?，F(xiàn)澆無(wú)砂混凝土護(hù)坡技術(shù)(預(yù)留孔洞)是生態(tài)性比較好、投資比較節(jié)省同時(shí)又能滿足傳統(tǒng)防護(hù)功能的設(shè)計(jì)方案[10]。

1.2　護(hù)岸工程設(shè)計(jì)

圖1是某工程沉管護(hù)腳結(jié)合現(xiàn)澆無(wú)砂混凝土護(hù)坡設(shè)計(jì)斷面圖。當(dāng)岸坡土為黏性土?xí)r，無(wú)砂混凝土護(hù)坡與被保護(hù)的岸坡土之間無(wú)需設(shè)置反濾；當(dāng)岸坡土為砂性土?xí)r，護(hù)坡與被保護(hù)的岸坡土之間建議設(shè)置土工布反濾。圖2為沉管護(hù)腳結(jié)合現(xiàn)澆無(wú)砂混凝土護(hù)坡俯視圖。

圖1　沉管護(hù)腳結(jié)合無(wú)砂混凝土護(hù)坡斷面圖(單位：mm)Fig.1 Design section of ecological revetment

護(hù)腳沉管采用強(qiáng)度等級(jí)不小于C30的預(yù)制鋼筋混凝土管，管徑及長(zhǎng)度可根據(jù)工程實(shí)際需要確定，一般可采用市場(chǎng)上常用的內(nèi)徑80 cm、外徑94 cm、長(zhǎng)2 m的預(yù)制鋼筋混凝土管。可根據(jù)被保護(hù)土的抗沖性及水流流態(tài)確定是否需要在沉管接縫處進(jìn)行反濾處理?，F(xiàn)澆無(wú)砂混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)可根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象具體確定，無(wú)砂混凝土的孔隙率越大強(qiáng)度越低，具體配合比一般根據(jù)工程實(shí)驗(yàn)確定。按一般工程經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)澆無(wú)砂混凝土厚度一般可取15～20 cm，無(wú)砂混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工參考配合比：粒徑為20～40 mm的花崗巖碎石(干燥狀態(tài))：1 620 kg/m3；水泥：240 kg/m3；水：84 kg/m3；要求達(dá)到的設(shè)計(jì)強(qiáng)度：28 d抗壓強(qiáng)度≥5.6 MPa，28 d抗折強(qiáng)度≥1.2 MPa。人工預(yù)留孔孔徑5 cm，與現(xiàn)澆混凝土框格成45°斜向排列布置(如圖2 所示)，行距與列距均為20 cm。為了讓草更快更好地生長(zhǎng)，一般可在無(wú)砂混凝土上鋪一層厚約5 cm的種植土。

圖2　沉管護(hù)腳結(jié)合現(xiàn)澆無(wú)砂混凝土護(hù)坡俯視圖Fig.2 Top view of ecological revetment　　1-預(yù)制的鋼筋混凝土沉管，用于河岸護(hù)腳；2-預(yù)制的鋼筋混凝土插條，結(jié)合土工布用于防止沉管間漏土；3-現(xiàn)澆的普通混凝土框格；4-現(xiàn)澆無(wú)砂混凝土護(hù)坡；5-預(yù)留的較大孔洞，以方便螃蜞等兩棲類小動(dòng)物筑巢。

1.3　護(hù)岸工程施工

如圖3所示，沉管護(hù)腳可以水下施工，利用低水位直接利用挖掘機(jī)(勾機(jī))把預(yù)制鋼筋混凝土管鉛直壓入岸坡下部成為護(hù)腳，施工質(zhì)量容易控制，施工方便。在沉管護(hù)腳施工完畢后進(jìn)行整坡，接著現(xiàn)澆無(wú)砂混凝土，再在無(wú)砂混凝土表面鋪一層厚約5 cm的種植土種草護(hù)坡。為了避免大面積無(wú)砂混凝土護(hù)坡因強(qiáng)度較低出現(xiàn)折斷破壞，可預(yù)先澆注好普通混凝土框格，再在框格內(nèi)澆筑無(wú)砂混凝土?，F(xiàn)澆無(wú)砂混凝土的主要施工過(guò)程如圖4所示。

圖3　護(hù)腳沉管施工Fig.3 Construction of toe protection with immersed tube

圖4　無(wú)砂混凝土護(hù)坡施工Fig.4 Construction of no-fines concrete slope protection

2　技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1　施工簡(jiǎn)單

由前面施工過(guò)程介紹可知，沉管護(hù)腳結(jié)合現(xiàn)澆無(wú)砂混凝土護(hù)坡，施工簡(jiǎn)單方便，施工質(zhì)量一目了然。

2.2　工程造價(jià)較低

根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，一般情況下生態(tài)護(hù)岸造價(jià)比傳統(tǒng)圬工護(hù)岸造價(jià)低，如赤崗涌整治二期工程生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)的造價(jià)比傳統(tǒng)護(hù)岸方案造價(jià)的1/3還低[11]。與傳統(tǒng)C25混凝土護(hù)岸相比，無(wú)砂混凝土節(jié)省水泥80 kg/m3、節(jié)省砂700 kg/m3，可節(jié)省原材料投資92 元/m3，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.3　生態(tài)性好

護(hù)岸工程生態(tài)性的表現(xiàn)不應(yīng)僅是能長(zhǎng)草，還應(yīng)充分考慮到動(dòng)物的生存環(huán)境特別是兩棲類動(dòng)物的生存繁殖。護(hù)腳沉管內(nèi)可填土種植水生植物，沉管內(nèi)及沉管間的空隙可為水生動(dòng)物提供生存空間。無(wú)砂混凝土的大孔隙充填土后適合植物生長(zhǎng)；人工預(yù)留的較大孔洞適合作為螃蜞等兩棲類小動(dòng)物的巢穴。

2.4　安全可靠

沉管護(hù)腳具有好的抗沖刷能力，而且可以根據(jù)估算的沖刷深度進(jìn)行埋深設(shè)計(jì)，保證護(hù)腳結(jié)構(gòu)的抗沖安全性。沉管護(hù)腳通常設(shè)計(jì)入土深度在1/2管長(zhǎng)以上，在沒(méi)有發(fā)生較大沖刷情況下，沉管護(hù)腳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，護(hù)坡結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)破壞，此時(shí)決定護(hù)岸結(jié)構(gòu)安全的是岸坡的整體穩(wěn)定。研究表明，天然狀態(tài)下的淺草護(hù)坡抗沖流速為1 m/s，而無(wú)砂混凝土護(hù)坡的抗沖流速可達(dá)4 m/s[12]。無(wú)砂混凝土護(hù)坡在一定流速范圍內(nèi)，可對(duì)岸坡土體進(jìn)行有效防護(hù)，避免岸坡的沖刷與坍塌。

3　工程案例

3.1　廣州市海珠區(qū)灜洲生態(tài)公園河道整治工程

本工程是首個(gè)采用沉管護(hù)腳結(jié)合現(xiàn)澆無(wú)砂混凝土護(hù)坡技術(shù)的河道整治工程，工程具體設(shè)計(jì)見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。為了進(jìn)行對(duì)比研究，部分河面較寬河段采用散拋石護(hù)腳；小部分河段水位變動(dòng)區(qū)鋪開(kāi)孔式護(hù)土磚。工程于2002年7月開(kāi)工，2003年8月主體工程建成投產(chǎn)。

沉管和拋石護(hù)腳比較：兩者均具有適應(yīng)一定變形、生態(tài)性較好、投資較省的優(yōu)點(diǎn)，其中沉管護(hù)腳的造價(jià)較拋石護(hù)腳稍貴，但沉管護(hù)腳具有如下優(yōu)點(diǎn)：①護(hù)腳穩(wěn)定性好。根據(jù)完工15 a的觀察，沉管護(hù)腳沒(méi)有產(chǎn)生明顯變位，而拋石護(hù)腳則在完工1 a就發(fā)生一處塌腳。②沉管施工質(zhì)量容易控制。而散拋石護(hù)腳施工質(zhì)量較難控制，容易出現(xiàn)少挖少拋的情況。③低水位時(shí)沉管護(hù)腳的視覺(jué)效果明顯好于散拋石護(hù)腳，如圖5所示。

圖5　拋石護(hù)腳與沉管護(hù)腳效果比較Fig.5 Comparison of riprap toe protection and immersed tube toe protection

護(hù)土磚和無(wú)砂混凝土比較：護(hù)土磚強(qiáng)度優(yōu)于無(wú)砂混凝土，但造價(jià)略高于無(wú)砂混凝土；在工程早期和冬季護(hù)坡植被枯萎時(shí)，無(wú)砂混凝土護(hù)坡因面粗糙容易留住回淤泥土而更為自然，近于自然土坡，植物更容易生長(zhǎng)，生態(tài)性更好。

3.2　三西涌整治工程

三西涌整治工程也采用沉管護(hù)腳結(jié)合現(xiàn)澆無(wú)砂混凝土護(hù)坡技術(shù)，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。工程于2003年12月開(kāi)工，2004年8月完成主體工程。2002年進(jìn)行海珠區(qū)灜洲生態(tài)公園河道整治工程時(shí)通過(guò)適生草種篩選試驗(yàn)選用河岸邊坡生態(tài)治理植物，后期的觀察發(fā)現(xiàn)，唯有本土植物才能更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件。因此在三西涌整治工程中水陸交錯(cuò)帶水生植物品種的選擇首選是本土植物：護(hù)腳沉管種植從臨近河灘地移植過(guò)來(lái)的咸水草一直生長(zhǎng)得很茂盛；坡面也不直接種草，而是施工時(shí)先把工程表土挖好放在一邊，等修坡后再在坡面上鋪一層約5 cm厚的表土，一個(gè)月后表土中含有的草籽就開(kāi)始發(fā)芽成長(zhǎng)，兩三個(gè)月后坡面就基本都長(zhǎng)滿本土植物[14]。圖6是在主體工程完工半年后回訪拍攝的相片，河岸坡植被生長(zhǎng)良好，且種類繁多，形成較好的景觀效果；還可見(jiàn)到螞蟻、蜘蛛、蜥蜴等小動(dòng)物活動(dòng)，一片生機(jī)盎然。

圖6　三西涌整治效果Fig.6 Remediation effect of Sanxi canal

3.3　蕉門(mén)河整治工程

蕉門(mén)河是廣州南沙新城區(qū)的中軸線。在蕉門(mén)河中心休閑區(qū)設(shè)計(jì)有游艇碼頭，考慮到該段河寬較窄，為了避免船行波對(duì)河岸的沖刷破壞，同時(shí)又考慮生態(tài)景觀的要求，設(shè)計(jì)在水位變動(dòng)區(qū)采用現(xiàn)澆無(wú)砂混凝土護(hù)坡，而護(hù)腳結(jié)構(gòu)則根據(jù)地質(zhì)條件分別采用沉管護(hù)腳或空心混凝土塊護(hù)腳(土層存在塊石障礙無(wú)法采用沉管護(hù)腳時(shí))。護(hù)岸工程于2003年底施工完畢，不再在無(wú)砂混凝土表面敷土和人工播種，以觀察在此種情況下無(wú)砂混凝土的植物生長(zhǎng)情況。如圖7所示，在無(wú)砂混凝土澆筑后的早期，由于沒(méi)有上覆土，植被生長(zhǎng)情況不理想，但隨著時(shí)間的推移，土壤在無(wú)砂混凝土上自然淤積，隨風(fēng)飄落的種子生長(zhǎng)的植物越來(lái)越多，同時(shí)臨近的植被也開(kāi)始逐漸往無(wú)砂混凝土坡面蔓長(zhǎng)，幾年后整個(gè)坡面都自然長(zhǎng)滿植被。

圖7　無(wú)砂混凝土護(hù)坡隨時(shí)間推移植物生長(zhǎng)情況Fig.7 Plant growth of no-fines concrete slope with time

4　結(jié)　語(yǔ)

通常認(rèn)為水泥等膠凝材料水化時(shí)會(huì)產(chǎn)生Ca(OH)2，其pH值高達(dá)12以上，在這樣的堿性環(huán)境下植物難以生長(zhǎng)，必須采取措施中和這樣的堿性環(huán)境以滿足植物生長(zhǎng)需要[15]。但筆者認(rèn)為，影響植物生長(zhǎng)的是無(wú)砂混凝土大孔隙內(nèi)的土壤環(huán)境條件，而混凝土毛細(xì)孔的堿性環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)影響不大。濕熱的環(huán)境加速無(wú)砂混凝土表層的碳化，同時(shí)隨著水位交替變動(dòng)或雨水沖刷，無(wú)砂混凝土大孔隙內(nèi)的堿性有效降低到適合植物生長(zhǎng)[16]。工程實(shí)踐表明，華南地區(qū)河流無(wú)砂混凝土護(hù)坡不需要專門(mén)采取措施降低堿度也能滿足植物生長(zhǎng)需要。

河道的生態(tài)護(hù)岸建設(shè)是河道生態(tài)治理的一個(gè)重要內(nèi)容，在進(jìn)行生態(tài)護(hù)岸建設(shè)時(shí)應(yīng)充分考慮到生物多樣性的要求，同時(shí)應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域水位變化情況進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)。對(duì)于軟土地區(qū)的河道生態(tài)整治工程，沉管護(hù)腳工藝簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量容易控制；沉管內(nèi)可填土種水生植物，沉管內(nèi)及沉管間的空隙可為水生動(dòng)物提供生存空間?，F(xiàn)澆無(wú)砂混凝土生態(tài)性較好、投資較省同時(shí)又能滿足傳統(tǒng)防護(hù)功能；人工預(yù)留孔方便兩棲類小動(dòng)物修筑巢穴；可在坡面鋪一層約5 cm厚的原有場(chǎng)地的表土，表土中含有各種本土植被的草籽，這樣自然生長(zhǎng)的岸坡生態(tài)性更好，而且可以實(shí)現(xiàn)零維護(hù)。

□

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