裝配式生態(tài)護(hù)岸工程的設(shè)計與施工

陳錫林，金忠良，陳 于，葛明明

（1.江蘇省水利廳，江蘇 南京 210000；2.建華建材（中國）有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，江蘇 南京 210029）

在河道岸坡用塊石或混凝土鋪砌以保護(hù)河岸的構(gòu)筑物稱為護(hù)岸。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對護(hù)岸的需求也逐漸從以往的防洪功能向生態(tài)功能轉(zhuǎn)變。在河道治理工程中，兼顧結(jié)構(gòu)性的同時，也不得不考慮景觀、生態(tài)、環(huán)保等其他要求。

傳統(tǒng)的護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式包括砌石擋墻、鋼筋混凝土擋墻、木樁和石籠擋墻等，其主要目的是防止河道沖刷，維持岸坡穩(wěn)定，發(fā)揮河道灌溉、防洪、航運等功能。砌石擋墻和鋼筋混凝土擋墻護(hù)岸屬于硬化護(hù)岸結(jié)構(gòu)，建成后阻隔了護(hù)岸前后水體交換，會使河道的生態(tài)系統(tǒng)遭受一定破壞；木樁與石籠擋墻雖能維持一定的生態(tài)交換功能，但其原材料為不可再生資源，對自然資源消耗巨大，且耐久性不佳。傳統(tǒng)的護(hù)岸結(jié)構(gòu)已不再能滿足國家現(xiàn)行的生態(tài)治理環(huán)境要求。

同時，隨著我國整體工業(yè)化水平的不斷提升，以結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)配件生產(chǎn)工廠化、施工機械化和組織管理科學(xué)化［1］為基礎(chǔ)的裝配式設(shè)計理念不斷創(chuàng)新和推出，以現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)為主的傳統(tǒng)施工作業(yè)占比越來越少，裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計已經(jīng)成為建筑工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要標(biāo)志和因素。

因此，為解決傳統(tǒng)護(hù)岸建設(shè)弊端，以保護(hù)生態(tài)及自然景觀為前提，以文明綠色施工為支撐［2］，在護(hù)岸結(jié)構(gòu)中引入裝配式設(shè)計理念是現(xiàn)代河流岸坡生態(tài)治理的必然趨勢，而裝配式生態(tài)護(hù)岸工程就是其中一項重要成果。

1 生態(tài)護(hù)岸的發(fā)展

1956年，蘇聯(lián)科學(xué)院布德尼柯夫院士提出了一種新型多孔混凝土，并系統(tǒng)地介紹了這一類新型建筑材料的制造方法及性能［3］。1995 年，日本混凝土工學(xué)協(xié)會首先提出了生態(tài)混凝土（environmentally friendly concrete/eco-concrete）的概念。在國內(nèi)，中國工程院院士吳中偉最早提出綠色混凝土概念，并指出綠色高性能混凝土是今后混凝土的發(fā)展研究方向。

21 世紀(jì)以來，生態(tài)文明建設(shè)持續(xù)強力推進(jìn)，生態(tài)工程理念深入人心，各型生態(tài)護(hù)岸技術(shù)和產(chǎn)品不斷發(fā)展，迎來了日益廣闊的科技推廣空間［4］。

2 裝配式生態(tài)護(hù)岸概念

裝配式生態(tài)混凝土護(hù)岸是指能適應(yīng)生物生長，并具有多孔透水性的一種預(yù)制混凝土護(hù)岸，它具有環(huán)境友好型和資源節(jié)約型兩個重要特征。環(huán)境友好型是指護(hù)岸能夠尊重物種多樣性，維持植物生境和動物棲息地的質(zhì)量，有助于改善人居環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)的健康；資源節(jié)約型是指護(hù)岸結(jié)構(gòu)生產(chǎn)可降低自然資源消耗，減少碳排放以及能盡量減少施工對環(huán)境的破壞。

3 裝配式生態(tài)護(hù)岸分類及結(jié)構(gòu)選型

裝配式生態(tài)護(hù)岸按結(jié)構(gòu)形式可分為墻式護(hù)岸和坡式護(hù)岸。

3.1 墻式護(hù)岸

墻式護(hù)岸斷面小、占地少，按斷面布置形式可采用直立式、階梯式和陡坡式等，如圖1所示。

圖1 不同種類的墻式護(hù)岸示意

3.2 坡式護(hù)岸

坡式護(hù)岸是將建筑材料直接鋪護(hù)在堤防或灘岸臨水坡面，形成連續(xù)覆蓋層，從而防止水流侵蝕和沖刷的結(jié)構(gòu)，這種護(hù)岸宜采用斜鋪式和階梯式等，如圖2所示，其中坡比不宜陡于1∶1.5。

圖2 不同種類的坡式護(hù)岸示意

3.3 護(hù)岸結(jié)構(gòu)選型

影響護(hù)岸結(jié)構(gòu)選型的主要因素包括護(hù)岸自身因素（如工程特性、經(jīng)濟(jì)特性、施工特性、生態(tài)環(huán)境特性等）及外部因素（如地質(zhì)、水文等外部條件）兩大類［3］，實際應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)自然條件、場地條件、使用要求、施工條件、生態(tài)與景觀要求等因素，按照表1進(jìn)行護(hù)岸結(jié)構(gòu)選型。

表1 裝配式生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)選型

表1 裝配式生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)選型

3.4 護(hù)岸構(gòu)件

裝配式生態(tài)護(hù)岸常用的護(hù)岸構(gòu)件為生態(tài)框，其主要結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土鏤空構(gòu)件，在立面設(shè)置有鏤空或裝飾紋路，并具備一定的透水性及裝飾性。生態(tài)框具有階梯式、箱式、植草式、魚巢式及平鋪式等多種構(gòu)件類型，如表2所示。

4 裝配式生態(tài)護(hù)岸的設(shè)計要點

裝配式生態(tài)護(hù)岸的設(shè)計計算大體上可沿用傳統(tǒng)護(hù)岸結(jié)構(gòu)，但由于其特有的裝配式構(gòu)造、鏤空的結(jié)構(gòu)形式以及生態(tài)功能需求，導(dǎo)致裝配式生態(tài)護(hù)岸在進(jìn)行抗傾覆、抗滑及生態(tài)設(shè)計時有所不同，主要體現(xiàn)在如下3 方面：①生態(tài)護(hù)岸一般為塊狀層疊結(jié)構(gòu)，除考慮基底面抗滑以外，還需考慮塊體之間的抗滑穩(wěn)定；②在進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定計算時，同樣也需考慮自下而上各層的傾覆穩(wěn)定；③在進(jìn)行生態(tài)景觀設(shè)計時，應(yīng)重點考慮構(gòu)件選型、布置及綠植搭配等，以滿足生態(tài)功能需求。

4.1 抗滑穩(wěn)定驗算

以裝配式墻式護(hù)岸為例，生態(tài)護(hù)岸各層之間（含基底面）的最小抗滑安全系數(shù)應(yīng)滿足規(guī)范要求，各層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下列公式計算確定：

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；Kc，i為第i層構(gòu)件底面（含基底面）的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為基底面及各層構(gòu)件之間的摩擦系數(shù)，取混凝土面之間的摩擦系數(shù)，也可由試驗或工程經(jīng)驗確定；∑Gi為作用在第i層構(gòu)件底面、基底面上垂直于滑動面的荷載之和，kN；∑Hi為作用在第i層構(gòu)件底面、基底面上平行于滑動面的荷載之和，kN。

各層構(gòu)件間除通過混凝土界面的摩擦保證抗滑力外，還可在界面設(shè)置鋼銷或在構(gòu)件之間設(shè)置錯臺等輔助措施來增加抗滑穩(wěn)定性，如圖3所示，其中鋼銷在使用前需要進(jìn)行防腐處理?；炷粱A(chǔ)底板處一般需采取構(gòu)造措施如設(shè)置抗剪鍵，以增強最下層生態(tài)框的抗滑穩(wěn)定，如圖4所示。

圖3 各層構(gòu)件間的輔助抗滑措施

圖4 基礎(chǔ)底板設(shè)置抗剪鍵

此外，為增加裝配式生態(tài)護(hù)岸的穩(wěn)定性，還可將其基底面向填土方向傾斜，如圖5所示，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式計算：

圖5 生態(tài)護(hù)岸傾斜布置

式中：α為基底面或生態(tài)構(gòu)件底面與水平面的夾角，（°），土質(zhì)地基中不宜大于7°，巖石地基中不宜大于12°。

4.2 抗傾覆穩(wěn)定驗算

預(yù)制裝配式墻式護(hù)岸應(yīng)按下式計算對于基底前趾點和各構(gòu)件底面前趾點的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)：

式中：K0為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；K0，i為第i層預(yù)制構(gòu)件底面、基底面的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MV,i為作用在第i層預(yù)制構(gòu)件底面、基底面前趾點的抗傾覆力矩，kN·m；∑MH,i為作用在第i層預(yù)制構(gòu)件底面、基底面前趾點的傾覆力矩，kN·m。

對于坡式護(hù)岸，一般放坡坡比較大，生態(tài)護(hù)岸構(gòu)件直接鋪設(shè)在表面形成生態(tài)綠化面層，可不作為受力結(jié)構(gòu)，只進(jìn)行護(hù)岸邊坡整體穩(wěn)定和邊坡內(nèi)部穩(wěn)定驗算［6］。

4.3 生態(tài)設(shè)計

裝配式生態(tài)護(hù)岸應(yīng)根據(jù)生態(tài)性原則進(jìn)行護(hù)岸設(shè)計。在保證水體兩側(cè)建構(gòu)筑物基礎(chǔ)無浸沒危害的前提下，護(hù)岸設(shè)計宜選取生態(tài)型或透水型護(hù)岸，它可作為護(hù)岸前后水體交換的通道，也為水生物的生存和繁衍提供了條件，從而增強水體的自凈能力。生態(tài)護(hù)岸構(gòu)件的墻背一般需設(shè)置土工布來防止水土流失，構(gòu)件在水面以下的內(nèi)部回填料采用碎石或塊石等，水面以上的內(nèi)部回填料采用種植土。

護(hù)岸型式宜根據(jù)河道（湖泊）所處環(huán)境風(fēng)貌及河道（湖泊）的尺度進(jìn)行合適選擇。小尺度城市河流（湖泊）護(hù)岸宜選用卵石型生態(tài)框、植草型生態(tài)框；大尺度城市河流（湖泊）護(hù)岸宜選用階梯型生態(tài)框、箱型生態(tài)框；小尺度郊野河流（湖泊）護(hù)岸宜選用植草型生態(tài)框；大尺度郊野河流（湖泊）護(hù)岸宜選用平鋪型生態(tài)框。在常水位以下宜合理配置魚巢型生態(tài)框，為魚類提供產(chǎn)卵、棲息的場所。

在裝配式生態(tài)護(hù)岸植物的選擇上，應(yīng)考慮當(dāng)?shù)睾拥赖沫h(huán)境條件，并結(jié)合生態(tài)混凝土溫度變化的特點，選用適合當(dāng)?shù)厣L的植物。對于需增加綠化覆蓋率的護(hù)岸，宜選用匍匐型品種，以減少對混凝土框架的影響。常水位以下植物應(yīng)選擇耐水濕品種，常水位以上宜根據(jù)河道（湖泊）風(fēng)貌情況，不同河段選擇葉形和色彩不同的植物，以提升河道整體觀感。階梯型護(hù)岸可根據(jù)河段景觀需要，選擇色葉類植物，形成具有一定規(guī)模的色塊效果。

5 裝配式生態(tài)護(hù)岸的施工要點

裝配式生態(tài)護(hù)岸的施工包括基坑（槽）開挖、排水設(shè)施、地基處理、基礎(chǔ)澆筑、坡面處理、生態(tài)護(hù)岸制品安裝、填料鋪攤和綠化種植等步驟。與傳統(tǒng)護(hù)岸施工的不同點主要在于護(hù)岸制品的安裝和回填綠化等方面。

生態(tài)護(hù)岸制品應(yīng)按吊裝設(shè)計要求采取3點吊或4點吊，吊裝過程中應(yīng)慢起慢落，并按設(shè)計坡比要求進(jìn)行錯臺或堆疊，吊裝就位后及時安裝構(gòu)件之間的連接螺栓。每層護(hù)岸構(gòu)件安裝完畢后及時回填框體內(nèi)填料，在最高水位線以下，框體內(nèi)回填塊石或卵石，塊石或卵石的尺寸不應(yīng)小于框體表面開孔處的最小尺寸，防止水流沖刷流失。在水位線以上，鏤空的框體內(nèi)按設(shè)計墊好土工布后再回填種植土。墻背反濾層回填及土工布鋪貼應(yīng)和框體回填同步進(jìn)行，濾料的規(guī)格和質(zhì)量應(yīng)滿足設(shè)計要求。

裝配式生態(tài)護(hù)岸制品上播種植物時，可選用撒播、噴播、栽種等方式，在草根穿透砌塊扎入坡體土壤后，視草種特點及氣候條件確定是否養(yǎng)護(hù)。

6 結(jié) 語

本文從水生態(tài)功能和資源可再生等方面，簡要介紹了裝配式生態(tài)護(hù)岸相比于傳統(tǒng)護(hù)岸所具有的優(yōu)勢，給出了墻式和坡式兩種裝配式生態(tài)護(hù)岸形式的特點以及適用范圍，并總結(jié)了基本生態(tài)構(gòu)件即生態(tài)框的不同類型，最后從設(shè)計理念和施工工法上對裝配式生態(tài)護(hù)岸和傳統(tǒng)護(hù)岸的差異性進(jìn)行了說明。

近年來，由于裝配式生態(tài)護(hù)岸施工速度快、造價合理、生態(tài)環(huán)保、質(zhì)量可靠等優(yōu)點，在工程中的運用越來越廣泛。相比傳統(tǒng)護(hù)岸其空箱式的結(jié)構(gòu)既節(jié)約了材料，又實現(xiàn)了生態(tài)和景觀功能，還符合工廠化、裝配化的發(fā)展趨勢，其推廣前景廣闊。