程昌海

(遼寧省錦州市義縣老龍口水庫管理處，遼寧 錦州 121100)

水力發(fā)電、防洪安全、生產(chǎn)生活用水等為傳統(tǒng)水利重點關注的內容，近年來我國水利事業(yè)取得迅速發(fā)展，在發(fā)電、供水、灌溉和防洪等方面取得顯著成效。同時，自然水系受人類活動的干擾作用日趨增強，例如生態(tài)環(huán)境惡化、江河斷流、河流污染等[1-3]。對此，有學者開始深入反思單一的水利工程功能，從不同角度批判傳統(tǒng)的治水模式，水文化、水利景觀及水環(huán)境等逐漸引起關注，并強調河流生態(tài)系統(tǒng)受傳統(tǒng)水利工程的脅迫，并給出生態(tài)水工學、親近自然河道治理的概念。在工程設計上注重與生態(tài)過程的協(xié)調，通過生態(tài)設計最大程度的降低對環(huán)境的不利影響，這也意味著設計維持水生動植物生境質量，維護水系統(tǒng)良性循環(huán)和營養(yǎng)，減少對資源的剝奪以及尊重物種多樣性，以促進生態(tài)系統(tǒng)健康與改善人居環(huán)境。在河道整治過程中新的水利建設理念，要求水利工作者考慮河流的生態(tài)型要求，滿足人們對親水性、景觀性河道的需求，在此基礎上實施恢復性生態(tài)治理措施，以改善或提升河流的自然功能，降低河流受人類活動的干擾。硬質型傳統(tǒng)護岸的顏色灰暗、材質堅硬、結構簡單，雖在防止水土流失、防洪排澇、穩(wěn)定河道等方面起到重要作用，但存在極其明顯的人工痕跡，其違背了現(xiàn)今人類“返璞歸真、回歸自然”的觀念，并對自然環(huán)境與河流系統(tǒng)產(chǎn)生諸多影響。所以，綜合考慮工程安全、資源可持續(xù)利用和生態(tài)保護等需求，開發(fā)應用生態(tài)護岸工程技術逐漸成為河道整治的新模式。對于水域與陸域之間能量、物質、信息交流，生態(tài)護岸具有過濾器、天然屏障以及廊道的功能，在提升系統(tǒng)生產(chǎn)力、控制水土流失、美化環(huán)境、加固堤岸、調節(jié)微氣候、防治土壤侵蝕和增加動植物種類等方面發(fā)揮著重要作用。另外，盡管人水關系和諧相融、結構材料逐漸環(huán)保、河道擋墻不斷變矮，但這并未從根本上治理與恢復河道的生態(tài)性。本文探究的一種生態(tài)護岸技術—現(xiàn)澆無砂混凝土結合沉管護腳技術，其優(yōu)點有安全性強、生態(tài)性好、成本造價低、施工周期短、操作簡單等[4，5]。

1 生態(tài)防護技術

1.1 分區(qū)防護

一般地，可將河岸按照水位變化情況劃分為無水區(qū)、死水區(qū)和水位變動區(qū)，因此要結合水動力學特征合理選擇不同區(qū)域的護岸形式。針對河岸上部無水區(qū)、水位變動區(qū)與死水位，通常考慮植物護坡以及實行必要的工程措施。

對死水區(qū)護腳型式的選擇，由于常年浸泡水下要考慮具體的地質地形條件，符合變形適應性要求，并從生態(tài)性的角度滿足水生動物的生存要求；沉管護腳因其施工簡便比較適用于軟土地區(qū)河道整治工程，為改善河道生態(tài)景觀可以在沉管內填土種植水生植物。對易受船行波或水流沖刷的水位變動區(qū)，自然土坡崩塌、土壤侵蝕等問題突出，對此要實施切實有效的護坡工程；在實現(xiàn)傳統(tǒng)防護要求的情況下，現(xiàn)澆無砂混凝土護坡還能明顯降低投資成本，并發(fā)揮良好的生態(tài)性功能。

1.2 工程設計

設計現(xiàn)澆無砂混凝土結合沉管護腳方案時，若岸坡為粘性土則無需設置被保護岸坡土與無砂混凝土護坡間的反濾層；若岸坡為砂性土則要把土工布反濾設置于被保護岸坡土與護坡之間。采用預制鋼筋混凝土管(強度等級不低于C30)作為護腳沉管，并結合工程實際情況合理設計其長度及管徑，市場上預制鋼筋混凝土管的常用內徑有94 cm、80 cm，長2 m。沉管接縫處是否需要作反濾處理應結合水流流態(tài)及被保護土的抗沖性確定。結合具體的設計對象合理確定現(xiàn)澆無砂混凝土指標，其強度隨著孔隙率的增大而降低，一般按工程經(jīng)驗設計具體的配合比。一般地，無砂混凝土現(xiàn)澆厚度按工程經(jīng)驗取15～20 cm，其施工參考配合比為：1 620 kg/m3干燥狀態(tài)的花崗巖碎石(粒徑20～40 mm)、水84 kg/m3、水泥240 kg/m3，28 d抗折和抗壓強度不低于1.2 MPa、5.6 MPa。現(xiàn)澆混凝土框格與人工預留孔的排列布置成45°傾向，孔徑5 cm，列距與行距相等均為20 cm。通常將厚5 cm的種植土鋪設于無砂混凝土表面，由此為植草提供更加有利的生長環(huán)境。

1.3 工程施工

沉管護腳具有施工方便、質量易控制、水下施工等優(yōu)勢，通過將預制鋼筋混凝土管直接利用挖掘機(勾機)鉛直壓入岸坡，即可實現(xiàn)低水位坡腳防護。完成沉管護腳施工后現(xiàn)澆無砂混凝土，并把5 cm厚的種植土鋪設于無砂混凝土表面，經(jīng)坡面整治為植草提供良好條件。為防止因強度較低出現(xiàn)無砂混凝土護坡大面積折斷破壞的問題，可將普通混凝土預先澆筑成框格，而后把無砂混凝土澆筑于框格內。

2 優(yōu)勢分析

2.1 生態(tài)性好

實質上，充分考慮兩棲類動物適宜的生存繁殖空間、河岸植草等屬于護岸工程生態(tài)性的主要體現(xiàn)，水生動物可以在護腳沉管間及沉管內的空隙生存，而水生植物能夠種植于沉管內的填土。對此，人工預留的較大孔洞、無砂混凝土的大孔隙填土能夠為兩棲類小動物筑巢以及植物生長提供適宜的環(huán)境條件。

2.2 造價較低

依據(jù)實踐經(jīng)驗，與傳統(tǒng)的硬質護岸相比生態(tài)護岸具有更低的成本造價，如赤崗涌河流治理工程，較傳統(tǒng)護岸方案生態(tài)護岸設計成本可降低1/3。無砂混凝土較傳統(tǒng)的C25混凝土，能夠減少砂用量700 kg/m3、節(jié)約水泥用量80 kg/m3，其經(jīng)濟效益顯著可以降低原材料成本95元/m3。此外，考慮前文所述施工過程，無砂混凝土結合沉管護腳的施工操作簡便，有利于施工質量的合理控制。

2.3 安全可靠

沉管護腳埋深設計應考慮估算的沖刷深度，在充分發(fā)揮其抗沖刷能力的同時保證護腳結構的安全穩(wěn)定。一般以不低于1/2管長作為沉管護腳入土深度，沉管護腳在未出現(xiàn)較大沖刷情況下具有較好的結構穩(wěn)定性，該條件下滑動破壞的發(fā)生概率極低，而岸坡的整體穩(wěn)定性在很大程度上決定了護岸結構安全。實踐表明，1 m/s為淺草護坡在天然狀態(tài)下的抗沖流速，該生態(tài)護坡可以達到4 m/s的抗沖流速。可見，在一定流速范圍內無砂混凝土具有防止岸坡坍塌、沖刷，有效防護岸坡土地等功能。

2.4 實例應用

(1)河道整治工程。大凌河某河段整治工程設計有休閑娛樂碼頭，考慮到該段生態(tài)景觀要求以及河寬較窄的實際情況，為減少河岸受行船波的沖刷作用，擬以無砂混凝土設計水位變動區(qū)護坡，結合地質條件選用空心混凝土或沉管護腳結構。2016年底護岸工程完成施工，為了掌握無砂混凝土的植物生長狀況沒有實施人工播種和表面覆土措施。結果顯示，由于沒有覆土早期澆筑的無砂混凝土的植被生長情況較差，而隨著時間的推移無砂混凝土上自然淤積土壤，岸坡越來越多的生長種植隨風飄落的種子，此時無砂混凝土坡面也逐漸開始蔓延成臨近的植被，經(jīng)過一定時期植被自然長滿于整個坡面。

(2)生態(tài)修復工程。牤牛河某河段生態(tài)修復工程選用了現(xiàn)澆無砂混凝土結合沉管護腳技術，主體工程完工于2015年7月，始建于2014年11月。河岸邊坡生態(tài)修復植物利用適生草種篩選試驗確定，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)適應當?shù)丨h(huán)境條件的唯有本土植物。所以，首選本土植物作為該生態(tài)修復工程水陸交錯帶的水生植物類型；將一直生長很旺盛的臨近河灘地咸水草移植過來，并種植于護腳沉管內；實際上不宜直接在坡面種草，施工前先挖好表土待修坡后，將厚5cm的表土鋪設于工程坡面，表土中攜帶的草籽待一個月后逐漸發(fā)芽，一段時間后本土植物即可長滿于整個坡面。實踐表明，該護坡技術具有顯著的景觀效果，岸坡植被種類繁多、生長良好，可為蜥蜴、植株、螞蟻等小型動物生產(chǎn)創(chuàng)設適宜空間，形成了水清、景美、岸綠、河暢的水文景觀。

(3)濕地建設工程。為了將河道管理范圍的綠化帶歸還本應屬于自然河道的灘地，引入“濕地河道”設計理念建成原河流生物“繁殖、生長、棲息”的環(huán)境，通過綜合治理自然河道的生態(tài)性，逐步形成河流與人的良好關系，并為河道水生態(tài)環(huán)境的治理及維護生態(tài)水利治理成果提供保障。清河某濕地建設工程選用了現(xiàn)澆無砂混凝土結合沉管護腳技術，為更加直觀的對比分析，小部分河段水位變化區(qū)、部分河面腳寬河段實行鋪開孔式護土磚和散拋石護腳措施，主體完成完工于2017年8月，始建于2016年7月。

比較分析拋石與沉管護腳可知：兩者均有降低成本、生態(tài)性和變形性良好的優(yōu)勢，雖然拋石護腳的經(jīng)濟可行性略優(yōu)于沉管護腳，但后者的優(yōu)勢更加突出。例如，護腳穩(wěn)定性好、沉管質量更易控制、低水位時散拋石護腳的視覺效果明顯不如沉管護腳等。

比較分析無砂混凝土與護土磚：無砂混凝土強度低于護土磚，但其成本投資也略低于護土磚；在護坡植被枯萎的冬季和工程早期，因表面粗糙無砂混凝土護坡更加自然，其留住的回淤泥土有利于植物生長，更好的發(fā)揮生態(tài)性和土坡自然性。

3 結語

(1)一般認為植物難以生長于pH值超過12以上的堿性環(huán)境，為達到植物生長要求，在水泥等膠凝材料水化產(chǎn)生Ca(OH)2情況下必須采取措施中和這樣的堿性環(huán)境。然而，本研究提出大孔隙內的土壤環(huán)境條件在很大程度上決定了植物生長，而植物的生長受毛細孔內堿性環(huán)境的影響較小。無砂混凝土表面在濕熱的環(huán)境下加速碳化，加之雨水沖刷、水位交替變動等作用，有效降低了大孔隙內的堿性，為植物生長提供了適宜條件。實踐表明，無需采取專門降低堿度的措施，無砂混凝土護坡即可為植物生長提供良好的生存環(huán)境。

(2)在河道生態(tài)治理中生態(tài)護岸發(fā)揮著重要作用，應充分考慮不同區(qū)域上水位變化情況、生物多樣性需求等內容，合理設計生態(tài)護岸方式及其分區(qū)。由于質量易于控制、施工工藝簡單等優(yōu)勢，沉管護腳技術普遍適用于軟土區(qū)域的河道生態(tài)治理項目。沉管間、沉管內可以為水生動物、水生植物創(chuàng)設適宜的生存空間，在實現(xiàn)傳統(tǒng)防護功能的基礎上，現(xiàn)澆無砂混凝土還能明顯降低工程投資，并且具有較好的生態(tài)性；對于兩棲類動物巢穴的修筑人工預留孔發(fā)揮著積極作用，并且將厚5 cm的原場地表土鋪設于坡面有利于各種本土植被的生長，保證零維護以及生態(tài)性岸坡目標的實現(xiàn)。