中小河道鱼礁护坡结构优化与质量控制

张金河 上海市水利工程集团有限公司

人工鱼礁护坡结构因其兼具结构稳定和水生态环境提升的功能在中小河道建设中应用越来越广泛。本文结合重庆两江新区跳墩河流域水环境综合整治项目，在考虑河道岸坡稳定性安全性的基础上，借鉴海洋鱼礁工程应用经验，在跳墩河下游设计了200m鱼礁护坡，优化水生生物的繁殖和生长环境，提升河道水环境综合治理效果。

1.工程概况

位于重庆两江新区的跳墩河流域水环境综合整治工程以清水绿岸综合提升为方向，以水质达标、岸坡稳定、景观优化、管控智慧为目标，制定了包括截污纳管、底泥污染治理、岸坡护砌、智慧河道建设等在内的八大项工程措施。本文探讨的河段位于跳墩河下游，整治前河道岸坡在水流冲刷下存在坍塌隐患，沿岸多为凌乱的杂草，河道沿水流方向坡降较大，河水流速快不利于鱼虾等水生生物的生长繁殖，河道内鱼类品种、数量均较少。本次治理时综合考虑优化水环境的目的，护岸结构在保证岸坡稳定性的前提下，增加调整水流、水势等的功能。

2.原设计鱼礁护坡结构

跳墩河护岸设计采用中空矩形块体并加设支脚形式的鱼礁护块，块体底部留空以利于与基础土壤接触，其余五面根据功能需要和水力学计算，分别设置大小、规格不同的过鱼孔、植生孔、透水孔。鱼礁块整体尺寸为1400mm＊900mm＊1000mm。护岸鱼礁块总体按5m间距非连续布置，如图1。

图1 设计鱼礁护岸结构示意图

3.现场问题分析

跳墩河属于典型的山区城市小河道，河道断面窄、河岸陡峭，拟构建鱼礁护岸段河道底宽在8m-10m之间，河道岸坡自然坡比约1：0.75，要形成1：1.5以上的斜坡，土方开挖运输量大、成本高。削坡开挖对原状河岸改变过大，也容易对周边自然边坡稳定性造成不利影响。另一方面，该段河道岸坡面层为多年沉积的厚度0.5m～2m的粉质砂土，砂土层下为分布不均的粘土层和中风化岩层，鱼礁护块支脚插入施工靠自重或挖掘机等便利设备静压无法实现，若采用额外的击打施工工艺，施工控制难度大且容易造成预制件损坏。同时，因河势蜿蜒、岸坡陡峭，现场施工道路构建难度大，交通条件较差，大型预制构件运输车辆无法进入，频繁转运既容易造成预制构件损伤，也将大幅增加施工成本。

4.鱼礁护坡结构调整

4.1 鱼礁护坡布置方式调整

施工河段现状岸坡较陡，更宜采用直立式护岸，根据鱼礁护块本身结构特点和现状河岸边坡、水深、流速等条件，将鱼礁护坡布置方式由沿坡面安插调整为在坡脚处品字形码砌，在底层鱼礁块体中适当充填基槽开挖需弃置的土石，既增加鱼礁结构整体的稳定性，又可形成栽种水生植物的基质，进一步丰富和完善水生生物生长环境。为了鱼礁护岸整体的结构稳定、连续，同时形成更大范围和更稳定的供鱼类停留、繁殖、生长的缓流区，鱼礁块体沿河岸方向改为连续布置。

4.2 鱼礁护块结构优化

鱼礁护块除了护坡的结构性、稳定性、安全性要求，本身的块体结构还需考虑水力作用以形成利于鱼类栖息繁殖生长的水流环境。在对鱼礁块体的结构优化时考虑保持其基本形式、规格之外，需结合现状考虑护坡结构、布置方式的适当优化，同时考虑便于制作、运输、安装。按照上述目标，首先考虑去除原设计鱼礁块体的支脚，减小其外观尺寸，便于预制、运输，提升码砌施工可行性和效率。护坡和块体布置形式改变后，去除支脚也不会对护坡的整体稳定性造成影响。其次考虑施工交通制约因素。而鱼礁块体在去除支脚后，整体尺寸依然较大，能满足现场交通条件的运输车辆单车最多仅可装运4个预制块。加上鱼礁块体中空的结构形式，预制加工较繁琐，制作效率较低。所以将整个鱼礁块体分拆为多块面板，面板间采用预埋的螺栓进行连接，在预制厂进行预制后运送到现场进行拼接、安装、码砌。综合考虑过流能力、流场效应、设计功能、装配式制作拼装的需要，在保持中空矩形块体的外观的基础上，去掉支脚和顶面面板，对鱼礁块整体尺寸、规格和各面板上分布的过流孔、穿鱼孔等进行了优化调整。针对性优化调整后的鱼礁块体外观尺寸为1995mm＊1250mm＊1000mm，各面板上依旧设置大小不同的过鱼孔供鱼类穿梭。

图2 优化后的鱼礁护岸结构及断面图

5.设计目标可达性复核

5.1 护坡功能校核

护坡功能在本项目中是要保证边坡稳定性，对边坡稳定性校核普遍采用瑞典圆弧滑动法进行计算。本项目中按土质地基3级建筑物指标，安全系数要求不低于1.10。根据现场实测参数，采用理正岩土工程计算分析软件计算，该河段岸坡下滑力矩为552.24K Nm/m，按优化后结构和布置形式形成的鱼礁护坡结构抗滑力矩为706.32KNm/m。706.32/552.24=1.28＞1.10，优化调整后的鱼礁护坡满足稳定性要求。

5.2 生态功能复核

鱼礁护块因其空腔、多孔的结构特点，具有良好的集鱼效果，同时在高流速河道段，鱼礁护坡结构通过其对水流的流速、流向的影响，可在中空的腔体内部和背流区形成较为稳定的可供鱼类栖息、繁殖的低流速区。跳墩河下游河段常年大部分时间段流域在2.4m/s～3.0m/s，通过查阅《水工设计手册（第2版）》，大部分中小河道鱼类喜爱流速在0.3m/s～0.8m/s之间，极限流速为0.8m/s。将优化调整后的鱼礁护块结构和相关参数导入FLUENT软件进行数值模拟，见图3，在3m/S流速下单个鱼礁块体后方形成的0.8m/s以下的低流速范围约1.4m，连续布置后在护坡腔体内部和周边可形成较大面积的低流速区，能够满足护坡生态功能目标。

图3 单个鱼礁流场流速效应模拟图

6.鱼礁护坡施工

6.1 工艺流程

本项目鱼礁护块委托专门的混凝土预制构件厂加工，装运至现场采用小型吊车配合人工拼装后进行码砌。该段河道设计需进行清淤疏浚，鱼礁护坡施工安排在清淤完成后实施。同时根据地勘资料和样槽开挖显示，拟建鱼礁护坡结构基础面层为厚度分布不均匀的砂质粉土。安放鱼礁块体前先采用粒径30cm以内的块石采对基槽进行换填，换填深度1.5m。

整体施工工艺流程如下：鱼礁块体预制→运输、场内拼装→基础换填、平整→测量放线并复核→下层鱼礁块吊装码砌→下层鱼礁空腔填充→上层鱼礁块吊装码砌→水生植物栽种→完工验收。

6.2 控制要点

要保证鱼礁护坡设计目标和意图的实现，必须保证预制件加工、拼装、码砌质量。质量控制要点主要包括以下方面：

1)鱼礁块体预制加工时必须严格控制钢筋等原材质量和混凝土配比、养护时间与养护措施，保证混凝土构件强度。

2)鱼礁块体采用装配式设计，预埋螺栓及预留孔洞必须定位精准并在浇筑混凝土时做好保护避免混凝土洒落在螺杆上影响安装。

3)现场拼装时在保证安全的前提下，做好对接定位，防止磕破损伤护块面板或预埋螺杆等。

4)拼装完成的构件吊运码砌时根据块体重心、构件形状合理设置吊点，减小螺栓连接处的应力，防止破坏护块整体性。

5)上层鱼礁块码砌前应完成下层块体空腔的充填，以增强其稳定性。

6)在后续的坡后回填等工序施工时，应控制加载速度和施工控制，防止破坏成品护坡结构。

6.3 主要措施

针对本项目中最终采用的鱼礁护坡结构本身的特点，为保障工程质量和流域综合治理成效。我们通过预先的现场踏勘、问题分析、方案探讨和复核、样板试验，在实施过程中从预制加工、拼装工艺、吊装码砌等方面落实了一系列针对性措施。

1）预制加工：安排驻厂工程师监督，每班复查各类原材料质量，保障材料合格。预埋螺栓和预留对接孔的位置，预先根据设计图纸进行放样、复核；钢筋绑扎和支模完成后，重新对预埋件进行定位校正；浇筑混凝土前再次对预埋件位置进行复核。

2）拼装工艺：预制面板单块重量均在300Kg以上，采用10吨随车吊运输并配合组装。在施工现场临时浇筑2m＊8m混凝土平台作为拼装工作面，并预设两条宽11cm，深10cm，间距124cm的平行滑槽。先将挡土面板掉放至滑槽顶端处后人工固定，再先后将迎流面板、背流面板分别掉放至滑槽内，推送与挡土面板拼接、螺栓固定，最后再将主流面板掉放至滑槽另一端拼接、固定。采用此方式定位准确、拼装快速，最大程度减少了各面板之间的磕碰。

3）吊装码砌：根据预制块的结构特点和拼装码砌要求，鱼礁护块上设置专门的吊环一方面可能影响后续码砌，同时如果各面板上的吊环定位不准确、不统一，起吊时容易出现翻转、扭动，影响码砌。实施中采用两条扁平吊装穿过迎流、背流面板上部过鱼孔进行起吊，预制块体在吊送过程中姿态平稳。

7.结语

目前跳墩河的鱼礁护坡已施工完成超过半年，经过对现场岸坡位移和河道水生物群落的持续监测，岸坡结构在经历汛期和枯水期不同水文条件后依然稳定，河道的鱼、虾等水生生物种类、数量已增加两倍以上，河岸边坡景观大幅提升。

本文以跳墩河流域水环境整治项目中的鱼礁护坡工程为例，探讨了在实际实施过程中根据现场的条件对鱼礁护块外观形式、装配式加工、护坡布置形式进行落地性优化的思路和方式，并同时简单阐述了鱼礁护坡施工中的质量控制要点和措施。为类似项目提供了可供参考的经验：

（1）根据河道岸坡地质条件、原始地形等特点，合理优化调整护岸结构可以在保证质量的前提下，大幅降低成本、提高功效。

（2）鱼礁护坡结构因其集鱼、调整水流的综合特性，对山区中小河道的水环境水生态改善有较明显的效果。

（3）在保证鱼礁护块功能性的前提下，对其外观尺寸、形式因地制宜地进行调整和优化，能形成更佳的综合效果。

（4）中大型预制构件采用装配式加工、拼装可以提升效率、降低成本并有更强的适应性。

（5）装配式预制件的拼装过程中，灵活地设置支架、导轨等辅助设施和措施，能简化定位、减少磕碰、提升效率。

预制件的起吊吊点设置应综合考虑其几何特性、使用功能等。