复合生物砖护岸结构在河流治理中的应用研究

陈卓英，倪培桐， 钟伟强， 李晓刚

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510630；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510630；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510630；4.深圳市水务工程建设管理中心，广东 深圳 518000)

传统的河流治理工程对于生态环境以及资源造成一定的破坏和不利影响，具体表现为蜿蜒曲折的自然河流被渠系化、直线化，水环境污染，水资源有效利用量减少，生态严重失衡。自20世纪以来，国际上对传统治水导致自然环境被破坏的做法进行了反思，并开始有意识着手对遭受破坏的河流自然环境进行修复[1,2]。如德国、瑞士提出了“河流再自然化”的概念，将河流修复到接近自然的程度。英国优先考虑河流生态功能的恢复，要求河流治理时的“近自然化”。荷兰提出了“给河流以空间”的理念，强调河流生态修复与防洪的结合。

我国河道整治理念和措施较为滞后，但自20世纪90年代起在相关研究领域也取得了大量成果[1]。由于河流情况千差万别，在治理过程中虽然采取了很多生态治理技术和措施，但这些技术措施在不同类型河流上适用性差别很大，在一定程度上影响了治理成效。鉴于此中小河流生态护岸的水力学特性和景观特性是人们关注的重要问题。如含植物的水流阻力问题[3-5]、河道流速分布及紊流特性[6-9]、土体的抗冲刷能力等[10-12]。

深圳葵涌河是流经深圳市龙岗区葵涌街道的主要河流，原有河道岸坡为浆砌石护坡，随着城市开发建设的加快，葵涌河污染问题越来越严重，河流生态系统受到一定程度的破坏，影响本地经济社会发展。作为河流综合治理示范工程，葵涌河中岸坡修复中采用了复合生物砖结构，这是介于植被护坡和砌石、混凝土护坡之间的一种护坡结构形式，兼有两种护坡形式的优点。首先是稳定性好，双孔混土结构交错排列互相挤压，加上自重易形成一个整体，与干砌石块或河道卵石相比，难以被水流冲刷掀起，具有整体稳定性特点，并且砖块之间主要靠植物的根系盘根错节的连接和稳固。其次是施工简便，可采用干砌形式，无需水泥砂浆勾缝，仅在生物砖坡面的坡顶位置和生物砖坡面的坡底位置与硬化物交结处采取水泥砂浆固结。然而由于复合生物砖结构中约表面积40%是植被及土壤结构，另外表面积约60%为水泥砖结构，其抗冲性能及景观效果受到质疑。本文采用模型物理模型试验及现场调查分析的方法分析了这种生物砖护坡结构的抗冲刷特性及生态景观效果，为中小河流治理积累数据及经验。

1 数据与方法

1.1 区域概况

葵涌河位于深圳龙岗区，流经葵涌街道；发源于火烧天北，在沙鱼涌汇入大鹏湾海域，上游有罗屋田河与径心河在高源村汇合成葵涌河干流，河道全长10.9 km，流域集雨面积42.84 km2，河床平均比降1.28%。地区多年平均气温为 22.5 ℃，多年平均降雨量为2 135 mm。葵涌河在葵鹏路断面10年一遇洪水洪峰流量为643 m3/s，河道流速可以达到3.2～5.8 m/s。

1.2 复合生物砖护岸结构现场试验

生物砖结构主要包括3部分：①双孔水泥砖，单孔尺寸为20 cm×20 cm×39 cm，壁厚4 cm，由于上下左右错缝，在坡面砌筑时可以干砌施工，无需水泥砂浆勾缝；②营养土，自然种植土按1∶0.2配合泥炭土，并加入适量NPK 复合肥；③植被部分以狗牙根为主，采用狗牙根、百喜草种子，加入适量山毛豆等灌木种子或稀植勒杜鹃、野牡丹小苗培育。生物砖现场试点及试验样品培育现场均在葵涌河综合治理工程现场。在已砌好的砖孔内回填营养土，并浇水压实，使砖孔内营养土填充饱满。图1和图2分别为生物砖尺寸图及施工现场。

图1 护坡生物砖设计图(单位：cm)Fig.1 A design chart of the slop protection biological brick

图2 葵涌河生物砖护岸试点工程照片Fig.2 The biological brick Pilot project at Kuichong river

1.3 生物砖抗冲刷能力室内物理模型试验

含植被土体抗冲物理试验方法可分为两类，其一是缩尺模型，用刚体或者柔体塑料建立植被模型，研究含植被水流的水力学特性；其二是用有压管流模拟原体河道流速，直接冲刷原体植被，该方法近似于原体模型。由于含植被土体的缩尺模型还存在相似性等困难，因此本文采用有压管流模拟原体流速建立生物砖结构抗冲刷能力试验。模型由高位水箱-量水堰-钢管-闸阀-方形有机玻璃管-尾水渠-地下水库组成。生物砖抗冲刷能力物理模型试验装置见图3，有压流试验段采用透明有机玻璃板制作，有机玻璃方管长10.0 m×0.30 m×0.15 m，其中试验段横断面过渡为0.20 m×0.15 m，从而保证可产生超过6.0 m/s流速，满足葵涌河道设计流速要求(3.2～5.8 m/s)。试验段方管底部设置长0.56 m×0.30 m×0.40 m的方箱，用于放置生物砖试验样品，生物砖表面与试验方管底部平齐，上部预留有机玻璃活动板方便安装与拆卸生物砖试验样品，活动板与有机玻璃水槽之间嵌入止水橡胶，以防漏水漏气。试验采用的样品在葵涌现场培育，生长8个月，狗牙根草高度约0.30～0.40 m，试验样品见图4。

图3 试验装置布置图(单位：cm)Fig.3 Arrangement of test equipment

图4 试验样品照片Fig.4 Photos of test sample

生物砖试验样品分为两组，一组在冲刷前水中浸泡12 h，以模拟降雨后，土壤含水增大情况；另外一组按照自然状态直接进行冲刷试验。为便于比较，本文对所有样品进行冲刷12 h试验，然后测量生物砖冲刷坑的深度。

2 护岸效果分析

2.1 抗冲能力

含有狗牙根草的土体破坏首先是在水流作用下植被根系稀疏区域受水流冲刷，产生水土流失，并使植被根系裸露，最终植被根系被冲走，削弱了植被根系的锚固作用。图5是不同流速条件下(3.2～5.8 m/s)生物砖上游孔、下游孔的最大冲刷深度。天然植被条件下上游孔的草皮冲刷坑深度约为1.5～4.8 cm，下游孔约为0.3～4.2 cm；湿润条件(浸泡12 h后冲刷)上游孔的草皮冲刷坑深度约为2.0～6.0 cm，下游孔约为0.4～5.5 cm。试验表明，生物砖最大冲坑深度与管道流速有关，流速越大冲坑深度越大(见图5)。试验过程中，狗牙根在水体的冲击作用下，全部倒伏在生物砖土层表面，形成植被覆盖层，阻止土体被水流迅速带走。由于植被密度大，根系生长好，其对土层的保护作用大。试验使用的生物砖护岸结构为双孔结构，试验组次内，上游孔较下游坑冲刷深度大，约1.5 cm，这主要是上游孔缺少植被覆盖，根部土壤大部分暴露在水流中，其侵蚀破坏相对严重(见图5)。另外试验样品浸泡12 h后，土体含水量大，松散程度高，易于被冲刷；试验组次内，上游孔湿润条件下的冲刷深度要较一般情况大约0.8 cm，而下游孔在约为0.6 cm。对比张春欣、韩雷等的试验[12-14]，本文的复合型护岸结构的土体装填在水泥孔中，狗牙根草具有匍匐枝及发达的根系，由于植被中另外含有部分灌木，灌木根系的抗拉强度大，起到了加筋草皮的作用，有助于防止土层冲刷破坏，受水泥砖和植被的双重保护，本文的试验样品未出现的全部破坏情况。从目前广东中小河流治理实践看，河道流速一般不会超过5.8 m/s，因此这种生物砖结构可以基本适应广东省中小河流治理中所涉及的所有中小河流。

图5 上游孔、下游孔冲坑的最大冲刷深度Fig.5 The maximum scour depth of upstream and downstream holes

2.2 生态景观效果

利用生物砖对葵涌河常水位以上进行了护坡改造，植被生长效果较好。生物砖的砖孔填土部分面积占有37%，具有渗水功能，并且可以利用植物来吸取水中的氮、磷，减轻水体富营养化程度，同时通过对雨水的渗透截流，丰富地下水资源。与原有浆砌石护坡相比，其可以成为多种生物的栖息地，有组于维护河道两岸的生态平衡。由于生物砖结构通过交错及左右挤压固定，不需要水泥勾缝，施工时可以结合河道岸坡地形施工，由于具有刚性和软性防护相结合的特点，可以起到模袋混凝土的作用，维持河道弯曲形态，并保持河道原有的浅滩和深潭的交替结构，有助于增加多种生态环境条件，增加生物多样性。这种植被形态可以为河道附近的水生、陆生、及两栖生物提供栖息地。

葵涌河护坡与河道垂直护岸结构之间修建生态透水混凝土道路，并在道路与河道之间修建仿木栏杆等景观工程，提高周边群众休闲活动。护坡采用复合生物砖结构，植被发芽率及生长情况是评判景观效果的重要因素。生物砖孔为了满足幼苗生长发育而专门配制的含有多种矿质营养，疏松通气，保水保肥能力强，无病虫害的床土。葵涌河现场对比试验表明，与一般土壤相比，填充营养土的植被幼苗发育较好。种植1个月后，生物砖结构植被生长状况比较，营养土内种植的狗牙根草籽发芽率高。植被生长3个月后，从外观上看不出营养土与营养土的草皮密度，但其根系密度也远高于非营养土培植的植被。

由于狗牙根草可以匍伏生长，且混合有灌木，提高了植被密度。植被生长8个月后(见图4)，由于狗牙根草高度在30～40 cm，而灌木高度在30～50 cm。从现场视觉效果看，以狗牙根草为主的植被最终将水泥砖消除于视线内，与周边景观融为一体，实现自然化绿化效果，与河道对面未进行改造的浆砌石护岸形成鲜明的对比。

3 结 语

结合深圳市葵涌河生态修复工程，本文就一种典型的复合生物砖护岸结构的抗冲刷能力及护岸效果进行了总结。从实践看，广东省中小河流流速一般不会超过5.8 m/s，从抗冲性能上，这种生物砖结构可以基本适应该区域所涉及中小河流。

(1)利用有压管道产生高速水流，本文建立了护岸结构物理模型试验，对复合生物砖护岸结构单元的原体冲刷表明，浸泡12 h、流速为5.8 m条件下，冲刷12 h后冲刷坑最大深度不超过5.5 cm，生物砖结构不会被完全破坏，抗冲性能良好。

(2)深圳市葵涌河复合生物砖护岸结构现场试验表明营养土可以增加狗牙根草的成活率，提高植被根系密度。狗牙根草在生长3个月后可以覆盖复合生物砖护岸结构的水泥砖部分并形成良好的景观效果。

(3)复合生物砖护岸结构由于良好的抗冲性能、稳固特点及生态景观效果，兼具植被和混凝土护坡的优点是适用于城镇河道的护岸护坡形式。

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