莫愷悅
(廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計研究院有限公司,廣州 510640)
直立式生態(tài)框是一種比較好的生態(tài)結(jié)構(gòu)形式,生態(tài)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(jié)構(gòu)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(tài)框堤岸由于其對恢復(fù)河流生態(tài)環(huán)境的良好效果受到人們青睞[1-2]。
目前直立式生態(tài)框的研究仍不成熟,存在基礎(chǔ)理論研究落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展、相關(guān)技術(shù)規(guī)范少的問題。為增強直立式生態(tài)框的實用性,本文探討直立式生態(tài)框的環(huán)境局限、工藝選用及計算思路。
人工魚巢是一種通過在流水河段人為設(shè)置可供魚類繁殖、仔魚棲息生長的設(shè)施,彌補工程建設(shè)導(dǎo)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(tài)修復(fù)措施。魚巢生態(tài)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(tài)框[3]。
首先,魚巢式生態(tài)框保留了傳統(tǒng)硬質(zhì)護砌防止水土流失、抵抗沖刷侵蝕等護岸功能,其本身的結(jié)構(gòu)和后重疊的堆放結(jié)構(gòu)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(chǎn)卵魚類提供產(chǎn)卵和孵化的場所,孵化后的幼魚也可以獲得庇護成長的環(huán)境。其次,魚巢生態(tài)框投放水域會產(chǎn)生多種流態(tài),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(chǎn)生的紊亂水流也利于水體營養(yǎng)鹽的混合,促進餌料生物的生長,為一些魚類性腺發(fā)育及產(chǎn)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(chǎn)卵條件,對河道生態(tài)造成影響。魚巢生態(tài)框內(nèi)填筑塊石,留出孔隙并天然生長出水生植物,可以為產(chǎn)卵場所遭到破壞的魚類提供仿生態(tài)的產(chǎn)卵條件,改善野生魚類種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量,并最終達到修復(fù)和重建生境的目的[7]。
植草式生態(tài)框是一種利用預(yù)制裝配式的框體填充種植土等基質(zhì),人工制造適合植物生長環(huán)境的生態(tài)框。
植草式生態(tài)框種植綠植應(yīng)根據(jù)水陸關(guān)系及水位變化、水質(zhì)情況、生物情況等合理選擇品種。根據(jù)水生植物的生長環(huán)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(fā)達的通氣組織,利于進行氣體交換,適用于大多數(shù)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(qū)域。
華南地區(qū)常見種植的水生景觀植物有梭魚草、水芋、香蒲、菖蒲、風(fēng)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(jù)研究,燈芯草、石芒草、蝎尾蕉和花葉良姜明顯不適應(yīng)污水澆灌的模擬人工濕地環(huán)境。而梭魚草、香蒲、菖蒲、象草、薏苡、風(fēng)車草生長速度快,單位面積生長植株多,適宜在污水環(huán)境中種植。植物的COD去除率由大到小依次為:梭魚草>風(fēng)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(chǎn)黏性卵魚類主要的產(chǎn)卵場地,布置于常水位的植草式生態(tài)框種植適應(yīng)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(tài)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(yǎng)的河道,植草式生態(tài)框也能給當(dāng)?shù)匾吧参锾峁┥L扎根的環(huán)境,保障工程實施后的生態(tài)恢復(fù)效果。
生態(tài)框根據(jù)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(jié)構(gòu)。此時生態(tài)框砌筑為重力式擋墻的結(jié)構(gòu)形式,因此在設(shè)計中按照重力式擋墻方法進行計算[11-13]。
生態(tài)框用作直立擋墻結(jié)構(gòu)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(tài)框自身重力較難保證結(jié)構(gòu)及其支擋土體穩(wěn)定性,因此在墻后土體中增設(shè)筋體,在設(shè)計中通常按照加筋土擋墻形式進行設(shè)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(wěn)定土體,起到擋土墻作用的一類工程措施。直立式生態(tài)框擋墻在工程應(yīng)用中經(jīng)常會采用加筋土擋墻的結(jié)構(gòu)形式。在加筋土擋墻結(jié)構(gòu)中,筋材的選用是關(guān)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(wǎng)、鋼筋網(wǎng)、鋼絲網(wǎng)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(shè)計中需要考慮筋材老化后的養(yǎng)護以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題。
直立式生態(tài)框在組合層數(shù)較少時,可沿用傳統(tǒng)重力式擋墻結(jié)構(gòu)的計算方法,在計算時應(yīng)該增加考慮各層框塊體之間的抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定。而生態(tài)框組合層數(shù)較多時,設(shè)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(tài)框作為模塊式面板起抗沖刷作用,堤身結(jié)構(gòu)可以看作加筋土擋墻。以下就組合層數(shù)較多的情況介紹直立式生態(tài)框設(shè)計的計算方法。
直立式生態(tài)框的結(jié)構(gòu)情況相對復(fù)雜:比起純粹的加筋土擋墻的薄面板,厚度為0.5~1 m且內(nèi)填塊石的生態(tài)框?qū)笸馏w能起到較大的平衡穩(wěn)定作用;比起重力式擋墻,其自身非密實、裝配式的結(jié)構(gòu)構(gòu)造又需要墻后加筋土的協(xié)助。目前的設(shè)計方法均概化為一類結(jié)構(gòu)計算,未詳盡考慮兩種結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)作用,不能準確反映墻身穩(wěn)定情況。
一般認為采用加筋土擋墻的邊坡整體穩(wěn)定性在計算時應(yīng)該將整個加筋土區(qū)域視為實體墻,以傳統(tǒng)重力式擋墻的計算:方法對加筋土區(qū)域進行擋墻結(jié)構(gòu)計算。計算內(nèi)容包括擋墻的抗滑移穩(wěn)定、堤身抗滑穩(wěn)定(岸坡整體穩(wěn)定)、地基承載力。加筋土體可不進行抗傾覆穩(wěn)定校核,但墻底面上合力的作用點應(yīng)在底面中三分段之內(nèi)。
直立式生態(tài)框擋墻由于其墻面模塊較大,框內(nèi)填料重量占比較高,計算時也應(yīng)該將墻面板包含在實體墻區(qū)域內(nèi),與加筋土區(qū)域整體計算。
加筋土內(nèi)部穩(wěn)定性驗算應(yīng)計算筋材強度、筋材的抗拔穩(wěn)定性(筋材與填土的結(jié)合效果)。計算內(nèi)部穩(wěn)定性時,加筋土區(qū)域可劃分為錨固區(qū)與非錨固區(qū),利用筋材在錨固區(qū)的錨固力固定非錨固區(qū)的土體。
4.2.1錨固區(qū)劃分
目前各規(guī)范主流的錨固區(qū)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(cè)分別為錨固區(qū)與非錨固區(qū)(錨固區(qū)劃分示意見圖1所示)。
4.2.2筋材強度及抗拔穩(wěn)定性
1)筋材強度
筋材相關(guān)計算可以參照《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)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(shù)。
② 土壓力系數(shù)
對于柔性筋材:
Ki=Ka
(2)
對于剛性筋材(常用的土工格柵應(yīng)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(shù); K0——靜止土壓力系數(shù)。 ③Ti應(yīng)滿足下式要求: Ta/Ti≥1 (5) 2)筋材抗拔穩(wěn)定性 第i層筋材的抗拔力Tpi應(yīng)根據(jù)填土破裂面以外筋材的有效長度Le與周圍土體產(chǎn)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(shù),應(yīng)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(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)滿足下式要求: Fs=Tpi/Ti (7) Fs≥1.5 (8) 按加筋土擋墻對生態(tài)框堤岸進行計算時,假設(shè)生態(tài)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(dān)橫向擠出的力。根據(jù)三軸應(yīng)力狀態(tài),此時最下層生態(tài)框承擔(dān)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(nèi)摩擦角。 前文的邊坡穩(wěn)定性計算與加筋土內(nèi)部穩(wěn)定性計算均認為是筋材承擔(dān)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(tài)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(dān)一部分土壓力。實際工作中,當(dāng)直立式生態(tài)框在組合層數(shù)較少時可沿用傳統(tǒng)重力式擋墻結(jié)構(gòu)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(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定。 某河涌整治工程,整治長度約為400 m,沿現(xiàn)狀河道走向進行河道整治。現(xiàn)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(tài)框護岸,1∶2三維土工網(wǎng)植草護坡。受兩岸用地限制,生態(tài)框設(shè)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(shè)計水位為15.48~13.96 m(珠基高程,下同),設(shè)計河底高程為12.44~10.60 m。由于兩岸地塊已有開發(fā)規(guī)劃,本工程用地有限,地質(zhì)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(tài)、美化城市景觀。 5.2.1堤線布置 某河上游段為山區(qū)性河流,未有明顯的堤線。整治工程基本沿著現(xiàn)有河道布置,按照設(shè)計河寬劃定岸線,在局部河道不平順處順直,在轉(zhuǎn)彎半徑過小處加大轉(zhuǎn)彎半徑,充分考慮水力條件及水流形態(tài),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(qū)為主,原狀河道及周邊整體比較生態(tài)自然,斜坡式斷面較為生態(tài),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(tài)框,生態(tài)框為預(yù)制定型產(chǎn)品,混凝土強度可達到C40以上,其內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)且四面開孔。施工時直接運送到現(xiàn)場進行安裝,然后往生態(tài)框內(nèi)填充塊石、種植土,框與框之間還可以通過預(yù)留孔采用短鋼筋進行連接。生態(tài)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(wěn)定性較好,養(yǎng)護簡單;⑤ 綠化效果較好;⑥ 造價適中,能沿現(xiàn)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(jīng)濟性和施工便利性,設(shè)計采用生態(tài)框護岸(工程斷面示意見圖2)。 5.2.3特征參數(shù) 根據(jù)計算,堤頂超高不小于0.80 m,根據(jù)規(guī)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(tài)框護腳方案施工完成,建成后護腳外立面規(guī)整,生態(tài)框表面生長植物,達到預(yù)期效果。此次整治工程施工工期較短,與周圍環(huán)境協(xié)調(diào),項目業(yè)主及周邊居民均較為滿意。圖3為該河涌生態(tài)框護岸完工效果示意。 圖3 生態(tài)框護岸完工效果示意 直立式生態(tài)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。現(xiàn)在已有眾多水生植物與水環(huán)境關(guān)系的研究成果,均能支撐水生植物對水質(zhì)改善可起到積極作用。人工魚巢的研究應(yīng)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(tài)框作為水生植物生長土壤和人工魚巢的結(jié)合體,對河道生態(tài)起到的積極作用是比較明確的。 在生態(tài)文明建設(shè)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(xiàn)實條件,直立式生態(tài)框作為具備一定抗沖性能、可保障河道生態(tài)、在用地制約條件下可直立式砌筑的河道護岸結(jié)構(gòu),正逐步得到推廣應(yīng)用。本文探討了生態(tài)框類別、結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計計算等問題,通過案例展示,可為其他采用生態(tài)框的河道整治工程提供參考。4.3 生態(tài)框穩(wěn)定性
5 直立式生態(tài)框應(yīng)用案例
5.1 工程概況
5.2 設(shè)計方案
6 結(jié)語