浅析生物砖护岸结构在河流治理中的适用性

2018-03-29李锋

水利技术监督 2018年2期

李锋

(上饶市水利科学研究所，江西上饶 334000)

随着国家对各行各业环保意识的逐渐渗透，我国原来河流治理一些做法逐渐不符合国家标准[2- 5]。如忽视河道两岸生态环境及景观效果，人为将自然弯曲河流直线化，模式呆板，既失去景观观赏性，又严重破坏河流周围生态环境。近几年来水利工作者在河流治理中逐渐意识到此类问题，逐渐将环保理念与景观效果应用于岸坡恢复工作中。

信江是江西省上饶市域内最重要的河流，因水资源开发不科学，河流生态系统遭到破坏。为了修复其岸坡，选择了复合生物砖结构，复合生物砖具有稳定性好、施工环节少的优势，但考虑到砖孔面积占去将近45%，其抗冲刷能力是否能够适用于河流治理是一个重要问题。

本文以江西省上饶信江护坡生态工程为研究对象，探究复合生物砖护岸结构在河流治理中的应用。经过调查信江河道水流速度，设计试验并建立模型探究复合生物砖抗冲刷能力与其景观效果，以检验复合生物砖护岸结构能否在河流治理中推广应用。

1 试验设计

1.1 河流流域介绍

信江贯穿江西省上饶市境内，最后汇入抚河左岸，河全长约313km，流域面积达到约17600km2，经历年测定其平均流量82m3/s。河床平均比降约1.30%，自然落差达到130m。该地域常年气温较高，平均气温约18.5℃，该地区常年多雨，平均年降水量约2258mm。信江在余干县横断面处2016年遭遇特大暴雨，洪水洪峰流量达到650m3/s，河道流速最大处超过8m/s，平时河道流速维持在6.2～7.2m/s范围内，其水能理论蕴藏量接近12000kW。

1.2 复合生物砖护岸结构试验设计

复合生物砖主要由双孔水泥砖、营养土、植被部分3个重要部分组成。双孔水泥砖，设计单孔规格是长度200mm，宽度200mm，高度390mm，砖壁厚度40mm。其设计为上下左右自然错缝，方便后期施工砌筑，不需要水泥砂浆勾缝。营养土是由自然种植土与泥炭土按照混合比例1∶0.25混合而成，一般可掺入少量NPK复合肥。植被部分则主要是将狗牙根、百喜草种子、山毛豆种子与杜鹃、野牡丹小苗混合培育，养成灌木或稀植类。为了方便运输及保证试验的准确性，复合生物砖试验场地及试验样本构件制作均在信江综合治理工程现场设置完成。复合生物砖干砌完成后，将营养土回填到砖孔内，浇水压实，保证砖孔内营养土填充饱满，不得存在遗漏。生物砖形状及尺寸规格见图1。

图1 护坡复合生物砖形状及尺寸

1.3 生物砖室内试验

含有植被土体抗冲刷能力的物理模拟试验方法大致可以归为两类：缩尺模型方法，选择将刚体或柔体塑料代替植被构造模型，分析植被在水流冲刷时所受力情况；借助压管流代替实际河道水流，在实际真实的植被表面冲刷，此种方法相对比较接近真实情景[1]。综合考虑试验条件与试验模拟效果等情况，本文生物砖室内试验选择压管流的方式进行模拟。搭建的模型设备主要包括：高位水箱、量水堰、钢管、闸阀、方形有机玻璃管、尾水渠、地下水库。复合生物转抗冲刷能力模拟试验设备如图2、3所示，透明有机玻璃制作组成其压流实验部分，有机玻璃管道规格尺寸为长30cm，宽15cm，高度1000cm。有机玻璃板制作的试验部分与有机玻璃方管直接存在一段过渡段，其横截面规格为长20cm，宽15cm，这样维持至少有6.2m/s流速的水流过，达到信江河道流速范围在6.2～7.2m/s。试验部分方管下部安放56cm长的方箱，方箱横截面规格为长40cm，宽30cm，其主要功能是盛装复合生物砖试验样本。生物砖表面必须保持与试样方管底部在同一水平线上。复合生物砖上部留出有机玻璃活动板，利于安装和拆卸复合生物砖试验样本。同时活动板和有机玻璃水槽之间必须安装止水橡胶，避免跑气漏水现象出现。本试验所用样本在信江施工现场制作完成，培育期长达6个月，保证狗眼根草高度达到25cm以上。

图2 试验装置布设立面图示意图

图3 试验装置布设平面图示意图

复合生物转试验样本共设2组，其中标号1组的在未进行抗冲刷能力试验前在水中浸泡8h，用于模拟实际降水后，土壤含水率快速上升的情形。标号2组样本在抗冲刷能力试验前不做任何处理，在自然状态下直接完成冲刷试验。为了排除冲刷时长对试验结果的干扰，所有试验样本均在相同条件下冲刷8h，并采用相同的检测方法测定复合生物砖冲刷坑的深度。

2 护岸效果

2.1 抗冲刷能力分析

长有狗牙根草的土壤遭到破坏主要是因为水流冲刷时，植被根系较少的区域水土流失现象严重，使得根系暴露于空气中，最终植被根系也因水流冲刷而冲走，进一步降低了植被根系的锚固作用。改变水流模拟速度(从6.2m/s以0.2m/s增幅增加到7.2m/s)，记录复合生物砖上游孔与下游孔冲刷深度的最大值，并绘制折线变化图(见图4)。通过记录的数据可以得到，在自然植被情形时(标号2试验组)上游孔植被冲刷坑深度在1.6～6.3cm范围变化，下游孔则在0.25～4.75cm范围波动；经过浸泡8h(标号1试验组，模拟降水土壤含水率上升情况)后冲刷试验上游孔的植被冲刷坑深度在2.1～7.2cm范围波动，下游孔植被冲刷坑深度在1.5～5.6cm范围内变化。分析各种试验条件下各部位的冲刷坑深度，不难得出，复合生物砖冲刷坑深度最高值受管道流速影响，并且两者呈正相关关系。试验时，狗牙根在经过水流冲刷，所有都倾斜在生物砖土层表面，构成植被覆盖层，减少水土流失现象发生几率。植被茂密程度及根系发达程度决定着对土层的保护作用，呈现正相关态势。对比生物砖不同位置的冲刷坑深度，基本上游孔冲刷坑深度略大于下游孔冲刷坑深度，约2cm左右。造成该现象主要是由于上游孔植被覆盖较少，根系稀疏，土壤在水流冲刷下，水土流失较为严重。对比分析标号1与标号2试验样本同样位置的冲刷坑深度，不难看出试验样本经过浸泡8h后，土壤含水率升高，造成土壤松散，冲刷较为严重；同是上游孔位置，标号1与标号2试验样本，标号1冲刷深度大于标号1试验样本冲刷深度约1cm，而同是下游孔位置，则相差约0.9cm。考虑到本文选择的复合型护岸结构的土体装填在水泥孔内，狗牙根草的根系与枝蔓比较多且茂密，并且掺杂零星灌木，同样拥有发达的根系，避免水土大量流失，所以在水泥砖和植被的防护下，本试验样本破坏程度较轻。通过调查江西省内多条河流河道流速，基本都在7.2m/s以下，所以本文介绍的复合型生物砖完全可以应用在江西省内河流治理中。

图4 不同标号试验样本各位置冲坑最大值对比折线

2.2 生态景观作用

借助复合生物砖完成对信江的护坡改造工作，经过实地调查护坡上植被覆盖率高，长势良好。复合生物砖有近45%的面积为砖孔填土，可以有效渗水，并水内微量元素大量被植物吸收，降低水体富营养化程度，将雨水经过渗透截流，使得地下水更加丰富。利用该复合生物砖护岸因不需要泥浆，更利于各种生物生存繁衍，保证了河道两岸生态平衡。除此以外，生物砖结构可以相互交错，可以适应多种地形采取刚性与柔性防护，对河道原有形态不进行改变，利于营造良好的生态环境。

信江护坡和河道垂直护岸结构间铺筑生态透水混凝土道路，周围搭设各类景观工程，美化河道两岸景观，适于居民休憩观赏。复合生物砖为了保证植被发芽率，为其生长创造良好环境，在其护坡铺撒富含各类微量元素的土壤，并保证松软透气，保持水分。经过实地应用观察，植被发芽率高，种植30d后，生物砖结构的植被长势喜人，经过90d后植被茂盛，根系十分发达，完全达到故土保水的作用。

在生物砖孔内种植的狗牙根草能够匍匐生长，加上种植灌木类，保证了植被高密度。经过2400d后，经实地观测，狗牙根草均达到35cm左右，灌木高度在狗牙根草以上。植被茂盛将生物砖覆盖，并能够与周围景观协调相称，达到很好的景观效果。