袁立莎，季則舟，王翔，常雪峰，李元音，馬燕

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

0 引言

近些年我國倡導(dǎo)綠色發(fā)展理念，在內(nèi)河航道整治及建設(shè)工程中，環(huán)保生態(tài)型材料、結(jié)構(gòu)逐步推廣應(yīng)用。王宏俊[1]分析了生態(tài)材料與傳統(tǒng)硬質(zhì)材料的區(qū)別。蔡杰龍等[2]總結(jié)了中小河流治理工程中生態(tài)護坡的優(yōu)勢。李一兵等[3]提出了綠色環(huán)保型整治建筑物結(jié)構(gòu)形式及材料。寧武等[4]提出航道護岸建設(shè)盡可能采用生態(tài)環(huán)保技術(shù)方案。田鵬等[5]探討了生態(tài)海堤的防護體系，提出人工修復(fù)和自然恢復(fù)相結(jié)合的方法。縱觀相關(guān)研究及工程實踐，我國海堤、內(nèi)河航道或運河的護岸、護灘采用了部分生態(tài)型結(jié)構(gòu)，但對潮汐和徑流共同作用的生態(tài)型結(jié)構(gòu)研究不多。

從工程項目的建設(shè)流程來看，影響環(huán)境生態(tài)主要存在于以下3個環(huán)節(jié)[6]：

1）工程材料的獲取過程；

2）工程建設(shè)的施工過程；

3）工程移交后的運營過程。

工程建設(shè)材料主要為砂石料，基本都需進行山體開挖。隨著基礎(chǔ)建設(shè)項目的不斷增多，石料的需求已經(jīng)造成了山體的過度開發(fā)，陸生植物環(huán)境不斷遭到破壞。

工程建設(shè)的施工過程，特別是水運工程，粗放型的水力吹填以及疏浚工程，對水生植物環(huán)境造成了極大的影響，特別是對于底棲生物的生存環(huán)境的侵占，破壞了水生物的生態(tài)平衡。

工程移交后的運營過程，仍可能存在著各種污染物的排放，影響水體水質(zhì)，對于可持續(xù)性的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負面作用。

基于當(dāng)前存在于工程項目中的一系列問題，從參與方的角度思考，需要從各個環(huán)節(jié)引入生態(tài)技術(shù)理念。生態(tài)技術(shù)理念就是通過對原材料的選擇和考量后，進行充分利用，通過減少實際消耗量，在運行過程中進行生態(tài)化控制，達到與生存環(huán)境的和諧共生，特別是在統(tǒng)籌與規(guī)劃、設(shè)計、施工、評價、管理、生態(tài)維護、修復(fù)及補償、材料選擇等方面。

本文以長江南京以下12.5 m深水航道工程為例，就應(yīng)用生態(tài)技術(shù)理念[7]，從生態(tài)結(jié)構(gòu)著手進行創(chuàng)新設(shè)計等方面的闡述。

1 生態(tài)型水工結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究與應(yīng)用

根據(jù)長江黃金水道建設(shè)總體推進方案，長江南京以下12.5 m深水航道建設(shè)工程按照“整體規(guī)劃、分期實施、自下而上、先通后暢”的治理思路分期實施。其中，一期工程通過實施太倉至南通河段內(nèi)洲灘關(guān)鍵部位守護整治工程并結(jié)合疏浚措施，實現(xiàn)12.5 m深水航道由太倉上延至南通。二期工程按照建設(shè)航道關(guān)鍵控制性工程與疏浚工程相結(jié)合治理思路，初步實現(xiàn)南京以下12.5 m深水航道的建設(shè)目標(biāo)（圖1）。

圖1 長江南京以下12.5 m深水航道建設(shè)工程示意圖Fig.1 Diagram of 12.5 m deepwater waterway at the lower reach of the Yangtze River from Nanjing

在以往的長江航道整治工程中，整治建筑物基本上采用拋石結(jié)構(gòu)；隨著近年來生態(tài)環(huán)保措施的加強，石料來源受到很大限制，減少河道整治建筑物石料的用量已成為共識。在航道整治一、二期工程中，分別結(jié)合整治建筑物堤身結(jié)構(gòu)和護堤結(jié)構(gòu)的特點，以生態(tài)技術(shù)理念為先導(dǎo)，探索性地開發(fā)和應(yīng)用了多種具有生態(tài)效應(yīng)的新結(jié)構(gòu)。

1.1 齒形及半圓形構(gòu)件的研發(fā)與應(yīng)用

工程所處的河段條件不同于以往海洋環(huán)境，具有潮汐和徑流共同作用的特點，結(jié)合長江南京以下12.5 m深水航道一期工程整治建筑物的水動力及結(jié)構(gòu)特點，研究開展了有針對性的理論分析及數(shù)模計算、物模試驗等工作。通過對波浪與齒形構(gòu)件的相互作用研究，建立了波浪作用于齒形構(gòu)件的波壓力計算方法；修正了波浪作用于半圓形構(gòu)件的波壓力計算方法；通過對開展的眾多組物模試驗研究與分析，初步建立了水流作用于半圓及齒形構(gòu)件混合堤的計算公式[8]。

結(jié)合一期工程中通州沙整治建筑物工程的水深條件，在狼山沙尾部堤高4～6 m的潛堤堤段建設(shè)了高度3.5～4.0 m、單個構(gòu)件重130～155 t的齒形構(gòu)件混合堤，在堤高6 m以深潛堤堤段建設(shè)了5.0 m高半圓形構(gòu)件混合堤。工程建設(shè)齒形構(gòu)件混合堤順壩1 300 m，建設(shè)半圓形構(gòu)件混合堤順壩1 930 m。

在二期工程中，結(jié)合丁壩堤身較高、水動力較強的特點，采用混合堤結(jié)構(gòu)的丁壩將具有更好的整體性和耐久性；同時齒形構(gòu)件混合堤中的構(gòu)件為素混凝土結(jié)構(gòu)，將具有更好的耐久性。因此在二期工程中，研發(fā)了更經(jīng)濟的高齒形構(gòu)件，分別在福姜沙河段部分條件適宜的整治建筑物潛堤、丁壩上采用5.0 m和7.0 m高，單個構(gòu)件重249 t和395 t的兩種新型齒形構(gòu)件混合堤做為設(shè)計斷面（圖2），總計應(yīng)用長度約為2.5 km。

圖2 5.0 m高齒形構(gòu)件混合堤示意圖Fig.2 Schematic diagram of the mixed dike with 5.0 m high tooth-shaped members

混合堤結(jié)構(gòu)在航道建設(shè)工程中的應(yīng)用大大減少了對于石料以及大規(guī)格塊石的需求，在加快工程進度的同時還能夠節(jié)省工程投資，突破傳統(tǒng)拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)形式，間接實現(xiàn)了對于山林環(huán)境的保護。

1.2 高強充砂管袋堤結(jié)構(gòu)的研發(fā)與應(yīng)用

近年來隨著土工織物的快速發(fā)展，高強土工管袋逐步走進了海工建筑物領(lǐng)域[9]。該結(jié)構(gòu)為非硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，有利于植物的生長和動物的棲息，更具生態(tài)環(huán)保效果。目前我國高強土工管袋的應(yīng)用較少，無防護的管袋僅作為臨時結(jié)構(gòu)。工程中通過建立水流與管袋相互作用的流體和固體模型，研究分析出管袋周邊復(fù)雜的水流力分布，基于與水流相互作用位置的不同，存在正壓力、負壓力和零壓力3種情況。

在長江南京以下12.5 m深水航道二期工程中，高強土工管袋在丁壩主體結(jié)構(gòu)SR5應(yīng)用，為該結(jié)構(gòu)在潮汐徑流河段航道整治建筑物中的首次應(yīng)用。土工管袋基本位于-6.0 m水深，且表面不設(shè)防護，管袋高2.0 m，寬5.3 m，長度50.5 m；在管袋中利用4個隔倉將充沙單元長度縮短到10 m，以最大限度地減小管袋被人為破壞造成的損失。施工中通過將高強土工管袋與聯(lián)鎖塊軟體排進行適當(dāng)?shù)慕壴⑦x擇適當(dāng)?shù)乃缓土魉俪练?。定位安放后及時充灌沙保證管袋位置滿足要求；施工中通過多次轉(zhuǎn)換充填的方式盡可能地保證了隔倉兩側(cè)沙體的平衡。

為充分實現(xiàn)生態(tài)效應(yīng)，高灘段的高強充砂管袋堤在管袋溝槽中采用球形帶營養(yǎng)土植物包技術(shù)進行生態(tài)修復(fù)，植物包安裝間距為40 cm；管袋頂部采用安裝人工促淤材料和帶基布的人工培育水生植物草皮的技術(shù)進行生態(tài)修復(fù)（圖3）。高強充砂管袋堤上的水生植物無論是香菇草還是植物球中的黃昌蒲，在經(jīng)歷了大、小潮汛，大雨等考驗后均生長茂盛，修復(fù)效果顯著。

圖3 高強充砂管袋堤實施現(xiàn)場航拍圖Fig.3 Construction image of high-strength sand-filled pipe bag dike

1.3 異型網(wǎng)箱生態(tài)護灘結(jié)構(gòu)的研發(fā)與應(yīng)用

在長江南京以下12.5 m深水航道二期工程的福姜沙左緣FL1、FL2、FL3丁壩和口岸直水道落成洲河段頭部潛堤、LL3丁壩的高灘區(qū)段，研發(fā)了異型網(wǎng)箱作為堤壩結(jié)構(gòu)，通過營造植物生長空間，使工程實施過程中被破壞的原生植物環(huán)境重新綠化，達到保護生態(tài)環(huán)境的效果[10]。

根據(jù)總體布置，堤身結(jié)構(gòu)高度為1 m，若采用鋪設(shè)聯(lián)鎖塊軟體排加塊石的傳統(tǒng)方案，會帶來植物不能生長的生態(tài)影響。為實現(xiàn)生態(tài)效果最大化，研發(fā)了異型網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，即在每個隔倉內(nèi)采用兩片1 100 mm×950 mm的鍍鋅電焊網(wǎng)片形成V形拼接，V形網(wǎng)片內(nèi)裝入10～30 kg塊石（圖4）。通過調(diào)整V形網(wǎng)片支撐軸與網(wǎng)箱長邊的相對位置達到緩流或阻流的效果。

圖4 異型網(wǎng)箱生態(tài)堤結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of ecological dike with special-shaped gabion

間隔排列網(wǎng)箱堤的應(yīng)用在滿足整治建筑物阻流、改善流場的功能性要求下，最大化地保留了植物生長空間，由于異型網(wǎng)箱塊石并不占用植物的生長空間，幾乎保留了全部工程影響范圍區(qū)的植物。

1.4 生態(tài)軟體排結(jié)構(gòu)的研發(fā)與應(yīng)用

長江南京以下深水航道一期工程中研發(fā)了生態(tài)軟體排結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程實際環(huán)境特點，分區(qū)域研究了2種生態(tài)軟體排結(jié)構(gòu)[11]。

1）生態(tài)保護區(qū)的生態(tài)軟體排結(jié)構(gòu)。即針對原有逐漸被沖刷縮小的生態(tài)區(qū)，研究保護生態(tài)區(qū)原有植物的同時又能維持生態(tài)區(qū)范圍的護底結(jié)構(gòu)，采用大網(wǎng)格土工格柵加十字塊壓護的方案。格柵尺度為10 cm×10 cm，材料為聚酯高分子，該材料可抵御紫外線輻射造成的老化，為植物根系的發(fā)育留有充足時間，并可實現(xiàn)促淤效果。

2）生態(tài)修復(fù)區(qū)的生態(tài)軟體排結(jié)構(gòu)，即針對在低水位時能有露灘時間的高灘段，采用人工干預(yù)的工程方式，研究既護灘又能在實施后期栽種植物、修復(fù)生態(tài)環(huán)境的護底結(jié)構(gòu)，采用了生態(tài)軟體排布和大間距聯(lián)鎖塊作為新的護底結(jié)構(gòu)。大間距聯(lián)鎖塊的尺度為380 mm×380 mm×120 mm，間距120 mm，以較大的間距及可被植物穿透的排體為基底，為植物的生長創(chuàng)造了有利條件（圖5）。

圖5 生態(tài)軟體排布和大間距聯(lián)鎖塊護底結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Bottom protection structure diagram of ecological soft mattress and large-spacing interlocking block

生態(tài)保護技術(shù)通過對生態(tài)保護區(qū)開展將工程措施與生態(tài)環(huán)境相結(jié)合的研究，用工程措施保護植物的生存基礎(chǔ)、生存條件，取得了被割除的高灘植物當(dāng)年生長、轉(zhuǎn)年恢復(fù)的成果，達到了既保護灘面，又實現(xiàn)生態(tài)保護的設(shè)計意圖，完成生態(tài)保護區(qū)施工面積約15 000 m2。

生態(tài)修復(fù)技術(shù)已應(yīng)用于長江南京以下深水航道一期工程通州沙約2 700 m2的試驗區(qū)，采用鋪設(shè)高強度、大孔徑、高退讓性、防老化復(fù)合軟體排，小型聯(lián)鎖塊壓護的生態(tài)軟體排方案，在軟體排上栽種植物以實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)。通過3次試種，研究植物物種的選擇、栽種季節(jié)時間的選擇、植物栽種方式的選擇和防沖固定方法的選擇，使移栽植物成活率不斷提高，達到生態(tài)修復(fù)的要求。

二期工程所處河段的生態(tài)特點與一期工程基本類似，將生態(tài)軟體排結(jié)構(gòu)的技術(shù)理念、設(shè)計思路和設(shè)計手段推廣應(yīng)用到了二期工程的福姜沙和落成洲護灘結(jié)構(gòu)，既滿足了工程功能的需求，又實現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境的保護和持續(xù)綠色。根據(jù)現(xiàn)場跟蹤情況可知，生態(tài)保護區(qū)護底結(jié)構(gòu)實施后，當(dāng)年植物就恢復(fù)了生長，施工1 a后，植物生長茂盛，經(jīng)過2 a汛期，高灘邊緣實施的保護措施完好，灘面上的十字塊基本被植物覆蓋形成了自然生態(tài)與工程措施融為一體的生態(tài)保護區(qū)。生態(tài)修復(fù)區(qū)護堤結(jié)構(gòu)實施后，水生植物均成活，長勢良好。

1.5 新型砂肋護灘結(jié)構(gòu)的研發(fā)與應(yīng)用

傳統(tǒng)高灘護底主要采用混凝土聯(lián)鎖塊軟體排護底加塊石壓護的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其設(shè)計原理是通過軟體排實現(xiàn)保沙固土及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；通過壓護塊石實現(xiàn)抗老化的作用。從結(jié)構(gòu)作用機理分析，大量的塊石拋填是為解決排布被陽光直射而引起的耐久性問題，因此塊石與混凝土聯(lián)鎖塊壓載的疊加造成了一定程度的浪費。

在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、排體保沙護灘要求以及方便施工的需求下，設(shè)計采用了下部保沙基布加上部新型抗老化絨毛復(fù)合土工布，中間充填沙以提供足夠的穩(wěn)定重量的設(shè)計方案[12]（圖6）?；疾捎?50 g/m2丙綸長絲機織，與傳統(tǒng)砂肋排一致，其作用是阻止水流對河床掏刷，設(shè)計為平面更有利于貼合地面，實現(xiàn)保沙護灘的功能；充沙袋布采用新型復(fù)合土工布，該類型土工布具有高強度、高耐久性等優(yōu)點，能夠保證設(shè)計年限內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性；大直徑半圓形設(shè)計提供足夠的穩(wěn)定重量，同時有利于施工單位進行充灌作業(yè)。

圖6 新型砂肋護灘結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.6 Cross section diagram of new sand-rib beach protection structure

新型砂肋軟體排應(yīng)用于福姜沙FL3高灘帶，該結(jié)構(gòu)施工方便快捷。施工完成后的新型砂肋軟體排結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保沙固土，發(fā)揮了工程作用，同時絨毛系統(tǒng)表面很快覆著一層泥沙，使結(jié)構(gòu)耐久性也達到了有利地提升。為了有利于恢復(fù)生態(tài)，砂肋之間設(shè)置了提前培育的植物生態(tài)包，利用新型砂肋軟體排吸附的泥沙作為植物的基土。植物長成后，又可以阻流擋沙促淤，進一步保證新型砂肋軟體排的耐久性，形成一個良性的工程與生態(tài)的循環(huán)。經(jīng)過汛期和近兩年的生長期，淺水區(qū)植物全部成活。

2 結(jié)語

長江南京以下深水航道建設(shè)工程中對于生態(tài)型水工結(jié)構(gòu)技術(shù)的探索與應(yīng)用，通過從上游來料、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)、可替代結(jié)構(gòu)/材料、生態(tài)維護、生態(tài)修復(fù)及補償?shù)雀鱾€方面加以研究，經(jīng)過不斷地總結(jié)與實踐，在保證航道工程整治效果的條件下，整治工程發(fā)揮出了綠色生態(tài)效應(yīng)，使工程與生態(tài)相互融合，環(huán)境生態(tài)效益與經(jīng)濟社會效益顯著。

航道整治工程除了整治通航水深，更要考慮工程與環(huán)境的協(xié)調(diào)融合，以及生態(tài)的恢復(fù)甚至改善。建設(shè)綠色航道，實現(xiàn)節(jié)約資源、滿足環(huán)境和生態(tài)要求，促進良性可持續(xù)發(fā)展是航道工程建設(shè)的發(fā)展方向。