新型聚氨酯碎石空心块体生态堤结构构建*

李 亚 ， 陈海峰， 黄明毅， 杨立文， 姜立志， 王宪业

(1. 中交第三航务工程勘察设计院有限公司， 上海200032； 2. 中交第三航务工程局有限公司， 上海200032；3. 中交第一航务工程局有限公司， 天津300461； 4. 华东师范大学， 上海200062)

1 研究背景

长江口南槽航道治理一期工程整治建筑物工程是沿江亚南沙南缘向下游建设的1 条护滩堤，上游顺接长江口12.5 m 深水航道分流鱼嘴南线堤， 总长16 km。 上游段约10 km 长区段主体高程2.0 m(上海城建吴淞零点)， 中部约5 km 长区段主体高程1.5 m， 下游段约0.7 km 长为2.0 m 厚护滩堤(图1)。 本工程距离九段沙生物多样性维护生态红线较近， 环境影响敏感。 护滩堤建设将直接占用滩地， 造成生物量损失[1]， 应力求采用有利于生境恢复的整治构筑物结构， 提高工程结构与生态环境的契合度， 贯彻落实生态优先、 绿色发展理念。 为此， 选择在本工程护滩堤尾部局部区段开展新型生态结构研究， 相关成果将服务于南槽航道治理后续工程， 并为国内类似生态航道工程建设提供借鉴。

图1 工程平面图

2 研究现状

1)传统抛石斜坡堤结构具备一定的孔隙率，但结构内部难以提供空间连通、 沉积适度、 水流动态稳定、 物质交换流通的生物生存空间， 且砂石料用量大， 材料供给受制约； 混凝土半圆体、梯形体等大型薄壁结构具备内部栖息空间， 但该类型结构不适宜在矮堤身条件应用。

2)长江航道相关整治工程中， 研究应用了一系列透水型、 生态型结构[2]。 在长江下游东流水道航道治理二期工程应用了四面六边透水框架， 况宏伟[3]通过模型试验对四面六边透水框架坝孔隙率进行研究， 但着重于其减速落淤作用及固滩效果， 对于生态效应仅有定性评价。长江中游荆江河段、 下游黑沙洲水道航道整治工程应用鱼巢砖护岸进行生态防护[4]， 并未用作堤身结构， 且缺少生境量化因子研究。 长江南京以下12. 5 m 深水航道工程仪征水道应用了生态梯形块丁坝结构， 常留红[5]通过水流数学模型和水槽试验， 对影响鱼类生境指标的坝体透水率进行相关研究。 长江口已实施的航道治理工程中所采用具有一定生态效应的堤身结构主要为透空半圆体构件[6]， 但其应用主要从减小波浪力、 增强地基适应性、 稳定性等工程功能角度考虑， 尚未进行生态功能聚焦研究。 其余珠江口、 海河口、 辽河口等国内河口治理工程[7]， 主要通过建设导堤、 丁坝等并结合疏浚手段实现工程功能。 总体而言， 目前生境需求量化指标研究较少， 生态学和工程学结合不足，且对于河口环境的生态结构研究较少。

3)目前生态梯形体、 勾连式透水框架、 鱼巢砖等人工生态块体， 基本采用混凝土材料，混凝土成型容易、 强度高， 但是由于其密实性好， 透水透气性欠佳， 影响水、 气、 温度、 物质等生态要素交换， 无法形成微生境， 不利于附着生物生存， 所以有必要进行新型材料的探索和应用。

3 生物生境需求

3.1 目标生物研究对象

长江口处于陆河海三者交互界面， 生态系统特殊， 分布有植物、 底栖动物、 鱼类、 鸟类等生物类群。 工程建设对生物的影响主要是改变其生存环境条件。 本工程护滩堤位于潮下带， 将侵占原有水体空间， 改变河底边界及局部水流泥沙条件， 进而影响生物的生态过程。 根据主要生物类群的生存特性和分布格局， 大型底栖动物由于生活在底质环境中， 运动和逃脱能力差， 对环境变化较为敏感， 将受到工程建设直接影响[8]； 另外， 大型底栖动物处于河口食物链中间次级生产者环节， 是能量物质交换流动的重要参与者， 具有承上启下的作用， 生态环境系统健康指示作用显著[9]。 综上， 选择大型底栖动物作为目标生物研究对象。

3.2 目标生物生境需求指标

根据调查研究， 长江口地区潮下带水域大型底栖动物主要包括双壳类、 甲壳类和多毛类， 代表性优势物种生境需求指标[10-12]见表1。 综合分析， 为满足大型底栖动物栖息， 底质厚度宜大于30 cm； 水体应保持低流速， 同时含沙量宜低， 避免水沙动力扰动； 应避免生存空间淤堵闭塞， 影响生物能量物质交换生态过程。 应构建形成缓流不浊、 微淤不堵、 内外连通、 动态平衡稳定的栖息环境。

表1 目标生物生境需求指标

4 生态结构方案

4.1 基于生境需求的生态结构形式构建

从生境需求、 工程结构尺度等因素进行生态结构构建， 总体思路见表2。

表2 生态结构构建思路

考虑到以上结构生态需求特性， 研究筛选出生态孔隙型材料， 并结合国内外人工鱼礁等生态块体结构的相关实践， 提出新型生态聚氨酯碎石空心块体结构。 该结构主体采用聚氨酯碎石混合料(PPM)， 结构骨架采用玄武岩纤维复合筋(BFRP筋)， 结构上下通透， 周边开孔(图2)。 PPM 是由聚氨酯与碎石混合而成的一种新型材料， 碎石通过聚氨酯的粘合力接触固定形成强度， PPM 具有开放性孔隙， 生态效果好； BFRP 筋由天然玄武岩高温拉丝复合而成， 具有强度高、 绿色环保、 耐腐蚀等优点， 特别适合海洋环境下的结构工程。

图2 聚氨酯生态碎石预制空心块体结构

该新型结构生态效应体现在以下几方面:

1)结构具有良好的遮蔽性和透空性。 遮蔽性有利于形成缓流微淤环境， 为生物提供了有利的生存空间； 采用多孔洞形式， 有利于水体循环，避免堵塞， 增大生物活动空间。

2)生态聚氨酯碎石化学性质稳定， 耐海水腐蚀能力强， 对水体无污染， 生态环保性好。

3)与混凝土构件相比， 聚氨酯碎石构件表面粗糙度大， 具有较大的附着面积， 有利于藻类等生物附着。 另外， 材料本身具有透水性， 可形成结构内外的水体和营养交换， 有利于附着生物的养料供给和代谢稳定， 附着生物繁殖可为其余生物提供饵料， 提高生态效应。

4)以一定规模安放的生态空心块体形成群组，由于块体顶部为非密封平滑边界， 而是一系列孔洞组， 流体经过扰动会生成一定的局部上升流态，有利于形成水体上下物质交换机制， 促进饵料生物繁殖生长， 起到生态聚集效应。

4.2 生态空心块体堤身结构

4.2.1 结构断面形式

生态结构研究以15+600 ～15+700 区段为对象， 原设计为2 m 厚抛石堤。 生态堤结构高度保持2 m 不变， 堤顶宽度约13 m， 采用聚氨酯碎石空心块体组合形成， 单个块体尺度1.6 m×1.6 m×1.6 m， 壁厚0.3 m， 各个面开有圆孔。 沿堤轴线外侧两排空心块体连续布置， 中间3 排采用间隔留空挡布置方式。 块体底部设置10 ～100 kg 抛石基床， 两侧设置100～300 kg 抛石护脚。 两侧空心块体平放， 可以形成纵向生存廊道， 中间3 排空心块体均采用竖放(上下贯通)， 有利于块体内部泥沙沉淀， 形成微淤缓流环境。 堤身护底采用砂肋软体排+混凝土联锁块软体余排(图3、 4)。 另外， 为了进行不同材料生态效应对比研究， 在相邻15+700～15+800 区段采用钢筋混凝土材料、 相同结构形式的空心块体结构。

图3 15+600～15+700 区段生态堤结构(高程: m； 尺寸: mm)

图4 空心块体间隔留空挡布置(布置方式1)

4.2.2 基于CFD 数值流场计算的平面组合布置方式对比研究

生态空心块体结构可以采用间隔留空挡布置或者连续布置方式， 考虑到整体结构的安全稳定性， 沿堤轴线两侧块体宜连续布置， 中间区域块体可以间隔留空档布置(组合布置方式1， 图4)或连续布置(组合布置方式2， 图5)。

图5 空心块体连续布置(布置方式2)

采用三维流体动力学(CFD)数值手段对两种平面组合方式进行分析， 求解基于有限体积法。本工程位于南槽中上段， 该区段往复流性质明显，落潮流速基本大于涨潮流速， 主流向一般为顺堤流， 为使计算具有典型性， 按顺堤流计算， 计算流速取平均流速。 计算域采用0.1 m 尺度单元划分， 入口边界为波流耦合入流边界(沿堤轴线方向): 流速1.0 m∕s， 波高1.0 m， 波周期7.5 s；出口边界设定为自由出流条件。 计算结果见图6、 7。 可见， 2 种组合布置方式都起到很好的缓流作用， 内部流速基本小于0.3 m∕s， 形成了较为稳定的内部流场环境； 2 种布置方式效果差异较小， 但布置方式1 相比方式2 内部空间更大， 有助于水体交换， 对生物的栖息更有利， 并节约了工程造价， 故优选布置方式1。

图6 布置方式1 流速云图

图7 布置方式2 流速云图

5 施工工艺分析

5.1 施工工艺

聚氨酯碎石混合料应用于预制构件尚无先例，拟通过实际施工试验对其预制工艺及吊运安全进行研究验证。 构件预制应避开雨天进行， 主要施工工艺如下:

1)模板安装。 使用预制场内门机进行钢模板安装； 先将内模板安装在底胎上固定后再安装外模板。

2)BFRP 筋加工。 BFRP 筋在钢筋加工区统一加工。 BFRP 筋表面容易损伤， 不宜直接放在地上， 避免拖动， 应使用高速切割机锯进行BFRP筋切割， 不能通过剪切方式。

3)选料。 聚氨酯碎石混合料必须选用干燥、坚硬的碎石， 碎石不宜含有较多针片状颗粒， 形状宜接近于立方体， 以保证碎石间有足够的接触面积。 聚氨酯胶黏剂应采用正规厂家产品， A、 B组分进场时应有产品合格证及化验单， 并随时进行抽验， 确保质量合格。

4)上料及搅拌。 碎石定量运送至料斗内； 将聚氨酯A、 B 料按设计要求自动混合搅拌， 输送至搅拌机内； 每次搅拌时长150 s， 搅拌完成后放料至模板内； 聚氨酯碎石料入模后可自密实， 辅以人工压实。

5)拆模。 构件浇筑完成后， 24 h 左右可达到拆模强度， 模板分块拆除。

6)存放及出运。 生态空心块体可多层存放；块体出运时利用专用吊具进行翻转， 吊具由主横梁、 两侧自动夹取马腿、 翻转销轴3 部分组成。

根据巴斯夫公司提供的产品资料以及本工程实际预制成品材料强度试验结果， 聚氨酯碎石混合料力学性能控制指标[13]见表3。

表3 聚氨酯碎石混合料力学参数

5.2 空心块体吊运内力分析

空心块体结构采用竖向预制方式(0°)， 翻转后为平放状态(90°)， 翻转轴为两侧中心圆孔连线， 采用三维实体有限元进行结构吊运内力分析，结构应力、 变形计算结果见图8、 9 和表4， 经验算材料强度满足要求。

图8 空心块体0°姿态吊运应力

图9 空心块体90°姿态吊运应力

表4 构件吊运应力峰值及位移计算结果

6 结论

1)根据长江口生态系统、 生物种群特性及工程影响分析， 确定大型底栖动物作为目标生物研究对象， 给出生境需求特性和关键指标: 栖息底质厚度宜大于30 cm； 水流应保持低流速， 同时含沙量宜低， 避免水沙动力扰动； 同时应避免生存空间淤堵闭塞， 影响生物能量物质交换生态过程。

2)根据生境需求要素， 提出新型生态聚氨酯碎石空心块体结构， 给出空心块体组合堤身结构形式， 并通过流体动力学数值方法对比分析不同平面组合布置方式， 论证流场指标生态适宜性。

3)提出新型生态空心块体结构施工工艺， 通过三维实体有限元进行结构吊运安全验算， 并通过实际预制施工、 吊运试验进行可行性验证。