直立式生态框堤岸设计探讨

莫恺悦

(广州市水务规划勘测设计研究院有限公司，广州 510640)

1 概述

直立式生态框是一种比较好的生态结构形式，生态框模块化、非封闭的特点使其施工速度快，透水性能好，水位以上框式结构能提供植物生长场所，水下框体可作为人工鱼巢供鱼类繁殖。在多年的河涌整治实践中，生态框堤岸由于其对恢复河流生态环境的良好效果受到人们青睐[1-2]。

目前直立式生态框的研究仍不成熟，存在基础理论研究落后于产业发展、相关技术规范少的问题。为增强直立式生态框的实用性，本文探讨直立式生态框的环境局限、工艺选用及计算思路。

2 直立式生态框类别

2.1 鱼巢生态框

人工鱼巢是一种通过在流水河段人为设置可供鱼类繁殖、仔鱼栖息生长的设施，弥补工程建设导致的流水生境损失，为受影响鱼类提供适宜的摄食、繁殖、生长和庇护空间的生态修复措施。鱼巢生态框是利用中空的框体建筑人工鱼巢，改善野生鱼类生境的一种生态框[3]。

首先，鱼巢式生态框保留了传统硬质护砌防止水土流失、抵抗冲刷侵蚀等护岸功能，其本身的结构和后重叠的堆放结构形成的孔隙和洞穴，可成为底栖鱼类栖息和躲避敌害的场所，同时为产卵鱼类提供产卵和孵化的场所，孵化后的幼鱼也可以获得庇护成长的环境。其次，鱼巢生态框投放水域会产生多种流态，如上升流、线流、涡流等，在鱼巢附近生成紊乱的水流，降低流速、增加水中溶氧量；其产生的紊乱水流也利于水体营养盐的混合，促进饵料生物的生长，为一些鱼类性腺发育及产卵提供了适宜的水文条件，有利于提高生物多样性[4-6]。

由于河道整治工程施工常采用围堰法和河道清淤的方式，因此河道整治工程易改变原河道的鱼类产卵条件，对河道生态造成影响。鱼巢生态框内填筑块石，留出孔隙并天然生长出水生植物，可以为产卵场所遭到破坏的鱼类提供仿生态的产卵条件，改善野生鱼类种群结构和数量，并最终达到修复和重建生境的目的[7]。

2.2 植草式生态框

植草式生态框是一种利用预制装配式的框体填充种植土等基质，人工制造适合植物生长环境的生态框。

植草式生态框种植绿植应根据水陆关系及水位变化、水质情况、生物情况等合理选择品种。根据水生植物的生长环境差异，按其生长特性，一般分为以下几大类：挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物以及湿生植物。挺水、浮叶水生植物植株下部或基部沉于水中，根或地茎扎入泥中生长，上部植株挺出水面或浮于水面，茎叶部分易遭到水冲损伤，因此，挺水及浮叶植物适合用于塘、湿地等水流较缓且能维持水深的水体。沉水植物根茎生于泥中，整个植株沉入水中，具发达的通气组织，利于进行气体交换，适用于大多数河道水位以下种植。湿生植物生长在湿润的土壤里，根部只有长期浸泡在水中才能旺盛生长，湿生植物适合种植在水位变化不大的常水位以上区域。

华南地区常见种植的水生景观植物有梭鱼草、水芋、香蒲、菖蒲、风车草 、薏苡、象草、春芋、红蛋、灯芯草、石芒草、藨草、花叶良姜、黄苞蝎尾蕉等[8-9]。据研究，灯芯草、石芒草、蝎尾蕉和花叶良姜明显不适应污水浇灌的模拟人工湿地环境。而梭鱼草、香蒲、菖蒲、象草、薏苡、风车草生长速度快，单位面积生长植株多，适宜在污水环境中种植。植物的COD去除率由大到小依次为：梭鱼草>风车草>灯芯草>菖蒲>红蛋>春芋>水芋>薏苡>藨草>石芒草>空白对照(未种植物)>香蒲>蝎尾蕉>象草。除藨草、蝎尾蕉、灯芯草和花叶良姜外，梭鱼草等10种植物对TN的去除率均明显高于其空白对照。种植蝎尾蕉、石芒草和花叶良姜的盆栽对TP的去除效果在空白对照之间并无显著变化，红蛋停留时间为8 h的TP去除率较差(68%)，梭鱼草等10种植物能够显著提高TP的去除能力[10]。

在坡脚生长的植物根系是鲤、鲫、团头鲂等产黏性卵鱼类主要的产卵场地，布置于常水位的植草式生态框种植适应湿地的植物可以辅助以上鱼类繁衍。

工程实践中，由于植草式生态框种植空间有限，常常采用草籽等工艺进行播种，选取品种也常是马尼拉草等草本植物。若是工程后期缺少人力管养的河道，植草式生态框也能给当地野生植物提供生长扎根的环境，保障工程实施后的生态恢复效果。

3 直立式生态框的常用结构形式

3.1 重力式挡墙

生态框根据各河道工程的需要，用作护脚时，一般仅需堆砌1～2层，框后填筑反滤层并过渡至堤身结构。此时生态框砌筑为重力式挡墙的结构形式，因此在设计中按照重力式挡墙方法进行计算[11-13]。

3.2 加筋土挡墙

生态框用作直立挡墙结构时，需堆砌3层及以上，常见为4～6层，高约2～3 m，该工况下依靠生态框自身重力较难保证结构及其支挡土体稳定性，因此在墙后土体中增设筋体，在设计中通常按照加筋土挡墙形式进行设计。

加筋土挡墙是使用筋材、面板，利用填土自身重力及筋材与填土之间的摩擦作用，稳定土体，起到挡土墙作用的一类工程措施。直立式生态框挡墙在工程应用中经常会采用加筋土挡墙的结构形式。在加筋土挡墙结构中，筋材的选用是关键。目前最常用的筋材为土工格栅，也常有采用加筋土工布、格宾网、钢筋网、钢丝网等的案例。值得注意的是，由于缺乏保护层，筋材的合理使用年限一般仅有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，因此设计中需要考虑筋材老化后的养护以及结构稳定问题。

4 直立式生态框的结构设计计算

直立式生态框在组合层数较少时，可沿用传统重力式挡墙结构的计算方法，在计算时应该增加考虑各层框块体之间的抗滑稳定和抗倾覆稳定。而生态框组合层数较多时，设计断面时常考虑加入土工格栅等加筋措施，此时直立式生态框作为模块式面板起抗冲刷作用，堤身结构可以看作加筋土挡墙。以下就组合层数较多的情况介绍直立式生态框设计的计算方法。

4.1 边坡整体稳定性

直立式生态框的结构情况相对复杂：比起纯粹的加筋土挡墙的薄面板，厚度为0.5～1 m且内填块石的生态框对墙后土体能起到较大的平衡稳定作用；比起重力式挡墙，其自身非密实、装配式的结构构造又需要墙后加筋土的协助。目前的设计方法均概化为一类结构计算，未详尽考虑两种结构协调作用，不能准确反映墙身稳定情况。

一般认为采用加筋土挡墙的边坡整体稳定性在计算时应该将整个加筋土区域视为实体墙，以传统重力式挡墙的计算：方法对加筋土区域进行挡墙结构计算。计算内容包括挡墙的抗滑移稳定、堤身抗滑稳定(岸坡整体稳定)、地基承载力。加筋土体可不进行抗倾覆稳定校核，但墙底面上合力的作用点应在底面中三分段之内。

直立式生态框挡墙由于其墙面模块较大，框内填料重量占比较高，计算时也应该将墙面板包含在实体墙区域内，与加筋土区域整体计算。

4.2 加筋土内部稳定性

加筋土内部稳定性验算应计算筋材强度、筋材的抗拔稳定性(筋材与填土的结合效果)。计算内部稳定性时，加筋土区域可划分为锚固区与非锚固区，利用筋材在锚固区的锚固力固定非锚固区的土体。

4.2.1锚固区划分

目前各规范主流的锚固区划分方法为拟定0.3H(H为挡墙挡土高度)分界线作为潜在破裂面，破裂面两侧分别为锚固区与非锚固区(锚固区划分示意见图1所示)。

4.2.2筋材强度及抗拔稳定性

1)筋材强度

筋材相关计算可以参照《土工合成材料应用技术规范》(GB/T 50290—2014)进行计算[14]。

① 每层筋材均需要进行强度验算，第i层单位墙长筋材承受的水平拉力按下式计算：

Ti=[(σvi+∑Δσvi)Ki+Δσhi]svi/Ar

(1)

式中：

σvi——验算层筋材所受土的垂直自重压力，kPa；

∑Δσvi——超载引起的垂直附加力，kPa；

Δσhi——水平附加荷载，kPa；

Ar——筋材面积覆盖率，Ar=1/Shi；

shi——筋材水平间距，m；

svi——筋材垂直间距，m；

Ki——土压力系数。

② 土压力系数

对于柔性筋材：

Ki=Ka

(2)

对于刚性筋材(常用的土工格栅应归为刚性筋材)：

Ki=K0-[(K0-Ka)zi]/6 (0

(3)

Ki=Ka(z>6 m)

(4)

式中：

Ka——主动土压力系数；

K0——静止土压力系数。

③Ti应满足下式要求：

Ta/Ti≥1

(5)

2)筋材抗拔稳定性

第i层筋材的抗拔力Tpi应根据填土破裂面以外筋材的有效长度Le与周围土体产生的摩擦力按下式计算：

Tpi=2σviBLeif

(6)

式中：

f——筋材与土的摩擦系数，应由试验测定；

Lei——筋材有效长度，即破裂面以外的筋材长度，该长度最小不得小于1 m；

B——筋材宽度，m；筋材满堂铺时，B=1 m。

筋材抗拔稳定性安全系数应满足下式要求：

Fs=Tpi/Ti

(7)

Fs≥1.5

(8)

4.3 生态框稳定性

按加筋土挡墙对生态框堤岸进行计算时，假设生态框仅用于防止筋材之间土体在竖向力作用下横向挤出，用于承担横向挤出的力。根据三轴应力状态，此时最下层生态框承担的最底部所受的水平剪力可按下式计算：

(9)

式中：

c——土的粘聚力；

φ——土的内摩擦角。

前文的边坡稳定性计算与加筋土内部稳定性计算均认为是筋材承担所有荷载，墙面仅起到每层土体边缘模板的作用。但某些生态框填充块石或填土后本身实际足够厚重，可以作为挡土墙承担一部分土压力。实际工作中，当直立式生态框在组合层数较少时可沿用传统重力式挡墙结构的计算方法，在计算时可增加考虑各层筐块体之间的抗滑稳定和抗倾覆稳定。

5 直立式生态框应用案例

5.1 工程概况

某河涌整治工程，整治长度约为400 m，沿现状河道走向进行河道整治。现状河道为天然河道，主河槽宽为12 m，在主河槽两岸采用生态框护岸，1∶2三维土工网植草护坡。受两岸用地限制，生态框设置5层，高度约为2.4 m。

该工程整治标准为30年一遇，建筑物级别为3级，设计水位为15.48～13.96 m(珠基高程，下同)，设计河底高程为12.44～10.60 m。由于两岸地块已有开发规划，本工程用地有限，地质条件较差，整治后在满足防洪排涝标准、保障水安全的同时，还要兼顾保护河道生态、美化城市景观。

5.2 设计方案

5.2.1堤线布置

某河上游段为山区性河流，未有明显的堤线。整治工程基本沿着现有河道布置，按照设计河宽划定岸线，在局部河道不平顺处顺直，在转弯半径过小处加大转弯半径，充分考虑水力条件及水流形态，以使岸线顺畅。

5.2.2断面形式

常用的河道断面型式有以下几种：斜坡式、直立式、混合式。某河周边以住宅小区为主，原状河道及周边整体比较生态自然，斜坡式断面较为生态，景观性好，同时为减少工程占地，故采用直斜混合式断面。

河道护岸采用生态框，生态框为预制定型产品，混凝土强度可达到C40以上，其内部为中空结构且四面开孔。施工时直接运送到现场进行安装，然后往生态框内填充块石、种植土，框与框之间还可以通过预留孔采用短钢筋进行连接。生态框护脚及护岸的特点及作用如下：① 抗冲刷、透水性强；② 采用机械吊装，施工速度快；③ 空隙大，利于生物栖息；④ 稳定性较好，养护简单；⑤ 绿化效果较好；⑥ 造价适中，能沿现状边坡施工，开挖少，征地面积较小。

本次整治在满足防洪、排涝等需求的同时，充分考虑经济性和施工便利性，设计采用生态框护岸(工程断面示意见图2)。

5.2.3特征参数

根据计算，堤顶超高不小于0.80 m，根据规范及管理需求，堤顶宽度为3.0 m。

5.2.4施工效果

该河涌整治工程已采用生态框护脚方案施工完成，建成后护脚外立面规整，生态框表面生长植物，达到预期效果。此次整治工程施工工期较短，与周围环境协调，项目业主及周边居民均较为满意。图3为该河涌生态框护岸完工效果示意。

图3 生态框护岸完工效果示意

6 结语

直立式生态框可以成为绿植的生长基床，亦可以作为水生动物的庇护所。现在已有众多水生植物与水环境关系的研究成果，均能支撑水生植物对水质改善可起到积极作用。人工鱼巢的研究应用也相对成熟，人工鱼巢改善水族种群的成功案例也比较多[15]。直立式生态框作为水生植物生长土壤和人工鱼巢的结合体，对河道生态起到的积极作用是比较明确的。

在生态文明建设的大背景及防洪安全的原则下，面对城市化进程及用地困难的现实条件，直立式生态框作为具备一定抗冲性能、可保障河道生态、在用地制约条件下可直立式砌筑的河道护岸结构，正逐步得到推广应用。本文探讨了生态框类别、结构形式、设计计算等问题，通过案例展示，可为其他采用生态框的河道整治工程提供参考。