生态砖护岸结构在河流治理中的应用研究

佟艳辉

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，沈阳 110000)

水土资源以及生态环境在一定程度上受到传统河流治理工程的不利影响和破坏，主要体现为生态严重失衡、江河断流、河流污染、自然河道被直线化或渠系化等[1-2]。针对自然环境受传统治水的破坏问题，有学者开始深入反思以往的治水方法，强调河流生态系统受传统水利工程的胁迫，并提出近自然河流治理、环境修复和生态水工学的概念。如1980s末瑞士、德国等生态学者提出“自然型护岸”技术和全新的“亲近自然河流”概念；1990s美国、英国、日本等国家相继提出“土壤生物工程”护岸技术、“近自然”河道设计技术、“创设多自然河力计划”等。目前，国外成功的河道整治措施有池塘修复、深浅滩重塑、人工湿地修建、缓冲带恢复、水边湿均沼泽地森林、河道边坡降低、植被重建等。实践表明，这些技术能够明显改善河流的水生态环境、有效促进水的良性循环以及提升水体自净能力。

近年来，中国借鉴国外先进的河道整治技术及经验，强调城镇景观效应和生态保护在城镇河道整治中的作用。例如，浙江绍兴大规模整治河道水系，以“流畅、景美、岸绿、水清”的现代水系为目标，取得了极其显著的成效；上海浦东区将“环保”理念渗入管理、施工、设计的每个环节，因地制宜地实行“生态治水”工程，通过实施水边栽植物、两岸植树木、生态型护岸、河坡种草木、水流多样化等措施，为重塑江南水乡风光、修复水生态系统、建设水生态文明城市注入新的活力和生机；成都府南河将文化、生态、排水、绿化、交通、防洪等功能集于一体，在经济、社会、环保方面取得了明显成效。考虑到不同地区河流情况的差异性，虽然治理过程中形成了许多整治技术和修复措施，但在河流适用性上这些技术措施具有很大差别，并对治理成效产生一定影响。鉴于此，人们关注的重点问题逐渐转向中小河流生态护岸的景观特性和水力学特性，如土体的抗冲刷能力、河道紊流特性及流速分布、含植物的水流阻力问题等。

在大凌河河流护岸中，浆砌石护坡为河道原有岸坡类型，城市开发建设的加快使得河流水污染问题日趋突出，河流生态系统破坏对当地经济社会发展产生一定的影响。河流水系生态修复工程引入了复合生态砖结构，该护坡结构形式处于混凝土、砌石和植被护坡的中间状态，可以兼具多种护岸的优势：①稳定性好，相互挤压交错排列的双孔混凝土结构，在自重作用下形成抗水流冲刷能力较强的整体，较河道卵石或干砌块石具有整体稳定性特点，其中植物根系的错节盘根为实现块石稳固和连接的主要途径；②施工简便，可以利用干砌形式而不必实行水泥砂浆勾缝，仅在硬化物与生态砖坡面坡地位置、坡顶为主交界处利用水泥砂浆固结。然而，由于水泥砖结构、土壤及植被结构占复合生态砖结构的60%和40%，其景观效果及抗冲性能仍需进一步实践验证。文章利用现场调查分析法及物理模型试验分析生态砖护岸结构的生态景观效果、抗冲刷特性，以期为中小河流水环境保护和生态治理方案设计提供数据支持[3-5]。

1 研究方法

1.1 河流概况

大凌河属辽宁省西部最大的河流，流经火山岩、碎屑岩和黄土地区，流域面积2.35万km2，全长397km。该流域自西向东径流朝阳、北漂、义县、凌海等市县，年均径流量16.67亿m3，含沙量57kg/m3，河床比降0.25%。大凌河有北、西、南3源，主要支流有清河、细河、老虎山河、大定河、牤牛河、瓦子峪河、凉水河等，建设有白石、龙潭、阎王鼻子、瓦房店水库及水泉鸽子洞等水利枢纽工程，对于保障沿途居民生产生活用水、生态环境保护和工农业发展等发挥着重要作用。流域内属温带季风气候，年降水量450-600mm，特殊的地势条件和环境气候使得降水量年内分配极不衡，其中55%以上降水集中于7、8月，大雨时洪水猛急极易泛滥，上、中游植被覆盖率低且多荒山丘陵，汛期洪涝灾害和水土流失问题突出。

1.2 现场试验

将生态砖结构按照不同材料类型划分成双孔水泥砖、营养土、植被3部分，其中双孔水泥砖上下左右错缝，壁厚4cm，单孔尺寸39cm×20cm×20cm，坡面砌筑时不必实行水泥砂浆勾缝，能够用于干砌施工；将泥炭土与自然种植土按1:5配置，加入适量NPK复合肥生成相应的营养土；狗牙根为主要植被类型，选用百喜草、狗牙根种子加入适量野牡丹小苗、稀植勒杜鹃或山毛豆等灌木种子培育。

在生态修复工程现场培育试验样品及设置生态砖现场试点，把营养土回填至砌筑好的砖孔内，浇水压实后保证营养土填充饱满。

1.3 室内物理试验

针对原体河道流速利用有压管流模拟，并对原体植被直接冲刷的方法近似于原体模型；另外，用柔体塑料或刚体创设植被缩尺模型，也可用于水力学特性以及抗冲物理试验研究。

文章考虑到相似性难以实现的含植被土体缩尺模型，为创建生态砖结构抗冲刷能力试验对原体流速利用有压管流加以模拟。模型的主要组成部分包括地下水库、尾水渠、方形有机玻璃管、闸阀、钢管、量水堰、高位水箱，利用0.15m×0.30m×10.0m的有机玻璃方管制作有压流试验段，为保证能够产生6.0m/s流速试验段横断面过渡为0.15m×0.20m，此条件下可以达到3.1-5.6m/s的设计流速要求。为放置生态砖试验样品将0.40m×0.30m×0.56m的方箱设置于试验段方管底部，保持试验方管底部与生态砖表面平齐，为便于生态砖试验样品的安装与拆卸上部预留有机玻璃活动板，为防止漏水漏气将止水橡胶嵌入有机玻璃水槽与活动板之间。在生态修复工程现场培育试验所需的样品，狗牙根草生长8个月后达到0.30-0.40m高。

为模拟降水后土壤含水率增加的情景，将生态砖试验样品划分为冲刷前水中浸泡12h、自然状态下直接冲刷两组，所有样品冲刷12h后测量生态砖冲刷坑深度，在此基础上对比分析生态砖抗冲能力[6]。

2 效果分析

2.1 抗冲能力

受水流冲刷作用植被根系稀疏区域产生水土流失，土体中狗牙根草的根系裸露，在水力冲刷下根系被冲走，由此使得根系的锚固作用在一定程度上有所减弱。结合生态砖下游孔、上游孔在3.1-5.6m/s不同流速条件下的最大冲刷深度，下游孔、上游孔在天然植被条件下的冲刷深度为0.3-4.1cm和1.4-4.8cm；下游孔、上游孔在浸泡12h后湿润条件下的冲刷深度为0.4-5.6cm和2.0-6.0cm。试验表明，管道流速在很大程度上决定了生态砖最大冲坑深度，冲坑深度随流速的增加而增大。最大冲刷深度，见图1。在水体冲击作用下试验过程中的狗牙根全部倒伏于生态砖土层表面，形成的植被覆盖层可发挥阻止水流迅速带走土体的作用。因根系生长好、植被密度大，其保护土层的作用较为明显。采用双孔结构的生态砖护岸参与试验，试验组次内下游坑冲刷深度要<上游孔约1.5cm，其原因为植被覆盖在上游孔比较缺乏，水流中暴露大部分根部土壤，故具有较为严重的侵蚀破坏。此外，浸泡12h后试验样品具有较大的土体含水量，松散程度高易于被冲刷；相对于一般情况，湿润条件下上游孔、下游孔的冲刷深度大约0.8cm、0.6cm。结合韩雷、张春欣等文献资料，装填于水泥孔中的复合生态护岸土体，能够为根系发达、生长匍匐枝的狗牙根草提供适宜的环境，由于根系抗拉强度大的部分灌木也包含于植被内，这在一定程度上发挥着加筋草皮的作用，对降低土层冲刷破坏发挥着积极作用，试验样品受植被与水泥砖的双重保护，因此没有发生全部破坏的现象。结合大凌河水系生态治理实践，一般情况下水流速度<5.6m/s，对于该流域水生态治理生态砖结构均具有较强的适用性[7]。

图1 最大冲刷深度

2.2 生态景观效果

采用生态砖护坡改造水生态修复常水位以上区，结果发现植被生长具有较好的效果。砖孔填土部分占生态砖的36%，不仅发挥着明显的渗水功能，也可为减轻水体富营养化程度、促进植物吸收水中氮磷等创造有利条件，同时在一定程度上渗透拦截雨水，有利于储蓄地下水资源。较原有浆砌石护坡有利于维护河道两岸的生态平衡，为生物栖息创造良好的生长条件。通过左右挤压及交错固定的生态砖结构不必实行水泥勾缝，施工过程中具有一定的地形适应性，因兼具柔性与刚性的双重特点，能够发挥模袋混凝土的功能，可维护蜿蜒曲折的自然河流形态，保持深滩、浅滩交替的河道原有结构，在增加生物多样性、改善生态环境条件等方面发挥着积极作用。另外，这种植被形态也能为鱼类洄游、动物栖息繁衍和植物生长提供适宜的空间环境，发挥着稳定河岸、美化环境、保持水土、调节微气候和维持生物多样性等功能，也是陆地与水域生态系统信息、能量、物资交换的重要过渡带。

将生态透水混凝土道路修建于河道垂直护岸结构与河道护坡之间，并把仿木护栏等景观工程修建于河道与道路之间，由此可提升河流的休闲娱乐功能。工程中评判复合生态砖护岸景观效果的关键因素有植被生长情况、发芽率等指标，为满足幼苗生长发育生态砖孔专门配置了无病虫害、保肥保水能力强、疏松同期、含有多种矿质营养的床土。通过对比试验，充填营养土较一般土壤能够更好的发育植被幼苗。现场比较种植1个月后的生态砖结构植被生长情况，狗牙根草籽种植于营养土内时具有较高的发芽率，植被生长3个月后营养土与一般土壤的草皮密度，从外观上还难以明确区分，但一般土壤栽培的植被根系密度远远低于营养土。

因混合有灌木且可以匍匐生长，种植的狗牙根草能够提升植被密度。狗牙根草、灌木在生长8个月后的高度达到25-46cm和25-50cm。以狗牙根草为主的植被与周边景观融为一体，水泥砖将最终被植被完全覆盖，视觉上视线较好的绿化、自然化效果，较浆砌石护岸其景观效果非常明显。

3 结 论

文章以大凌河水系生态修复工程为例，总结了生态砖护岸的生态效果及其抗冲刷能力。结合大凌河水系生态治理实践，一般情况下水流速度低于5.6m/s，对于该流域水生态治理生态砖结构均具有较强的适用性，主要结论如下：

1)为创建护岸结构物理模型利用有压管道产生高速水流，并冲刷结构原体，结果表明流速为5.6m/s、浸泡12h情况下，下游孔、上游孔冲刷深度≤5.6cm、6.0cm，生态砖结构具有良好的抗冲性能，不会发生完全破坏。

2)现场试验表明，复合生态砖护岸能够提高植被根系密度和狗牙根草成活率，生长3各月后生态砖护岸结构的水泥部分能够被狗牙根草完全覆盖，其景观效果良好。

3)因存在生态景观效果好、稳固性强、抗冲性能好以及兼具混凝土与植被护坡优点，复合生态砖护岸结构比较适用于中小河流护岸工程。