间隔木桩+桑条秸秆拱生态护岸结构

花 全，于小娟，王小会

(1.盐城市航道管理处，江苏 盐城 224005；2.盐城工学院土木工程学院，江苏 盐城 224051)

江苏是航道大省，航道护岸主要为混凝土结构，生态效果不佳[1-3]。同时，由于建筑材料价格不断上涨，混凝土结构护岸造价攀升，性价比下降。为提升航道绿色发展能力和水平、控制护岸工程建设费用，近几年来，江苏航道部门在连云港疏港航道等众多航道整治工程中进行了大量的生态护岸工程探索与实践[4]，并取得有益的成果，连续木桩护岸就是典型代表之一。连续木桩护岸在黄河故道整治工程、上海高南河、北京永定河等水利护岸工程中已得到成功应用[5-7]。实践表明，连续木桩护岸支护效果良好，除在抗冲撞和耐久性方面不及混凝土结构外，在生态效应和经济效益方面优势明显[8]。

为进一步降低连续木桩护岸的造价，连申线航道东台段整治工程采用了新的结构形式：一是单排连续木桩结构；二是间隔木桩+竹篱结构。现场应用结果表明，连续木桩支护效果及结构耐久性良好；间隔木桩+竹篱结构初期支护效果良好，但耐久性较差，建成后3年左右竹篱大部分损坏，导致支护功能显著降低，桩后土体流失严重。连申线湾港桥段木桩护岸见图1。

图1 连申线湾港桥段木桩护岸

间隔木桩+竹篱护岸的造价明显低于连续木桩护岸，若能对其结构及材料进行优化，解决其耐久性差的问题，将进一步丰富航道生态护岸的结构形式，对提升木桩护岸的经济性、适用性产生较好的促进作用。关于“间隔木桩+”生态护岸，国内鲜有研究。吴生才等在江苏盐城市通榆河航道上进行了混合型生态修复技术的应用研究，虽然采用了间隔木桩+竹篱结构的护岸，但是其研究的对象是植物，没有对间隔木桩+竹篱结构进行研究[9]。

在分析间隔木桩+竹篱结构支护失败原因的基础上，笔者提出间隔木桩+桑条秸秆拱全新护岸结构形式和秸秆拱制作工艺，形成试验段护岸施工方案，并通过试验段验证间隔木桩+桑条秸秆拱结构的可行性。

1 间隔木桩+桑条秸秆拱结构生态护岸的意义

1.1 经济价值可观

以连申线航道东台段整治工程为例，该工程所用木桩为梢径16 cm、端径20 cm左右、长4～5 m的松木桩。单排连续木桩护岸一般每延米用桩5根，间隔木桩护岸用桩每延米2.5根。从木桩用量上看，间隔木桩方案木桩用量仅为连续木桩方案的50%左右。

1.2 社会效益巨大

1)木材用量显著减少；2)拓展了农作物废弃物资源化综合利用新途径，有利于减少秸秆无序堆放或焚烧引发的环境污染，社会效益良好；3)为其他“间隔木桩+”结构生态护岸形式提供理论依据和工程应用借鉴，对航道生态护岸建设有较好的促进作用。

2 间隔木桩+桑条秸秆拱生态护岸结构方案的优势

2.1 间隔木桩+竹篱护岸的缺陷

图2为间隔木桩+竹篱护岸的受力及变形示意。由图2可见，此结构存在以下缺陷：1)竹篱厚度在3 cm左右，材质单薄，易变形。2)受力不合理，在木桩间直立平面布置，呈简支梁受力状态，易受土压力而向前方拱出变形。竹篱变形后，易脱离木桩的支挡而被水流冲走，后方的防漏土工布易被破坏或接头处出现缝隙，后方土体在水流及波浪的扰动下将逐渐松散、流失，导致护岸支挡功能大大减弱甚至丧失。3)竹篱易腐朽老化破坏且设置的位置偏高，水位变动区及以上部位干湿交替及日晒雨淋的环境，进一步加速了老化破坏进程。

图2 竹篱受力及变形示意

2.2 间隔木桩+秸秆拱结构形式针对间隔木桩+竹篱护岸的改进

1)用桑条或棉花秸秆梱替代竹篱，使桑条秸秆梱厚度和刚度远高于竹篱，抗变形能力大大优于竹篱；2)创新采用桑条秸秆拱的结构方式，把桑条秸秆捆制成拱状形态，使桩间支挡由简支梁结构转变为拱形结构，可实现桑条秸秆捆因受压而挤密，进而更好地发挥其挡土支护的功能。桑条秸秆拱受力如图3所示。此前，笔者提出的“棉花秸秆拱疏排桩航道护岸系统”已得到国家实用新型专利授权[10]。

图3 桑条秸秆拱受力示意

3 秸秆拱的制作工艺与防腐

3.1 制作工艺

为提高秸秆拱的制作效率，进而控制制作成本，笔者设计了一种模具，可较好地实现秸秆拱标准化制作，如图4所示。该模具由钢筋或型钢制作而成，主要部分为弧形的空腔，用以填入秸秆；下部为支座部分。秸秆填入弧形空腔，经挤压和交叉捆扎，即可制成预设的拱形。为使秸秆拱两端能够很好地与木桩贴合，弧形空腔下端边界设计成内凹的形状，上端则可通过系带收紧扎带，以形成内凹的形状。借此模具，农户可在家中、企业可在工厂生产桑条秸秆拱，工程现场可实现装配式作业，施工效率较高。

图4 桑条秸秆拱制作

3.2 防腐处理

为保证护岸的耐久性、避免出现竹篱很快腐烂破坏的情况，使用前须对秸秆进行选材与防腐处理。

1)选材。秸秆必须是材质紧密的成熟桑条秸秆或棉花秸秆，不得选用细嫩或腐朽的秸秆。

2)防腐处理。①经过曝晒或烘干，使秸秆体外围基本失去水分，但里层保持适量水分；②将秸秆浸入桐油或铜唑中，使其渗入秸秆。桐油是一种天然的优质防腐材料[11]，铜唑也是一种良好的木材防腐剂[12]，均具生态友好性。处理后的秸秆，既能保持良好的韧性，又具有优良的防腐性能。

4 工程应用案例

4.1 结构方案

2018—2019年，间隔木桩+桑条秸秆拱新结构护岸形式在连申线航道生态护岸修复工程中进行了探索性应用。现场试验段长度2018年和2019年各100 m，结构断面见图5。

注：如果后方原有木桩缺失，可以活体柳树桩代替。

4.2 施工工艺

1)间隔施打木桩。木桩为该结构护岸的主要受力体，木桩的直径、长度、间距根据后方土压力大小通过计算确定。为减小桩顶向外的位移量，提高护岸整体稳定性，利用原有木桩或者新插活体柳树桩并以镀锌钢丝与前方木桩相连。

2)制作安装秸秆拱。根据木桩桩径和间距设计模具，秸秆拱高度和埋置深度根据土质和坡比情况确定。制作完成的秸秆拱(桑条秸秆拱)如图6所示。

图6 制作完成的秸秆拱

3) 在秸秆拱后方布置土工袋。在拱后形成密实土体，均匀挤压秸秆拱，使之处于良好的受力状态。

4)坡面种植水生植物。在秸秆拱后上方覆土至设计高程，种植芦苇，防护坡面。

4.3 施工注意事项

1)适用范围。该结构护岸为自然型护岸[13]，抵抗土压力的能力不强，故主要适用于航道开阔、边坡较缓的坡脚防护工程。

2)预留拱高。由于土体挤压作用，秸秆拱的拱高将随着秸秆挤密而减小。为保证秸秆拱的受力状态不变，应根据拱体密实程度预留部分拱高，保证秸秆拱不会被压平。

3)护岸工程末端木桩须进行侧面加固。该结构形式的护岸，其木桩不仅承受后方向前的土压力，还承受秸秆拱向两侧的水平推力。故在护岸末端，须以镀锌钢丝连接相邻2根木桩或另加端部护拱木桩，以抵抗秸秆拱的水平推力，保证木桩不发生偏位，保证结构受力状态不变。

4)土工布袋的施工。首先，土工布袋包裹完整、接缝紧密，不得有破损情况发生。因为木桩+秸秆拱的结构本身是无法防止泥土外漏的，保持水土的核心是土工布袋。其次，土工布袋要密贴秸秆拱后方，保证后方土压力均匀传递，保证拱体处于良好的受力状态。

4.4 现场试验

对木桩进行了竖向沉降和水平位移观测，对拱体进行了拱高变形观测。结果表明：1)2018年试验段观测6个月，秸秆拱拱体几乎被压平，拱高减小平均值为15 cm，但拱体整体性保持较好；桩顶前移平均值3.2 cm，没有明显的竖向沉降。2)2019年试验段观测3个月，拱高减小平均值为5.6 cm，拱形保持良好；未见桩体沉降，桩顶前移平均值4.5 cm。

5 结论

1)间隔木桩+桑条秸秆拱新型护岸结构合理稳定，支护效果良好，在缓坡河岸的坡脚防护方面具有良好的适应性，配合芦苇等水生植物，可较好地防止后方岸坡的冲塌。

2)秸秆拱可以实现标准化、工厂化或家庭化生产，施工简单易行；可因地制宜，利用杞柳等其他灌木枝条或竹篱制作秸秆拱，具有推广价值。

3)新型护岸结构可大幅减少木桩用量，资源化利用农作物秸秆，显著提升结构耐久性，经济效应显著，环保效应可观，其工程应用前景广阔。

4)后续还需要对拱形尺寸、桑条秸秆密度以及木桩间距等对支护效果的定量影响进行深入研究，完善该结构护岸的结构设计方案。对秸秆防腐、拱体制作安装、后方土工布布设与土方回填等重点环节细化作业要求，进一步提升施工质量。