生态型水工结构在航道工程中的研究与应用

2022-05-02袁立莎季则舟王翔常雪峰李元音马燕

中国港湾建设 2022年4期

袁立莎，季则舟，王翔，常雪峰，李元音，马燕

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

0 引言

近些年我国倡导绿色发展理念，在内河航道整治及建设工程中，环保生态型材料、结构逐步推广应用。王宏俊[1]分析了生态材料与传统硬质材料的区别。蔡杰龙等[2]总结了中小河流治理工程中生态护坡的优势。李一兵等[3]提出了绿色环保型整治建筑物结构形式及材料。宁武等[4]提出航道护岸建设尽可能采用生态环保技术方案。田鹏等[5]探讨了生态海堤的防护体系，提出人工修复和自然恢复相结合的方法。纵观相关研究及工程实践，我国海堤、内河航道或运河的护岸、护滩采用了部分生态型结构，但对潮汐和径流共同作用的生态型结构研究不多。

从工程项目的建设流程来看，影响环境生态主要存在于以下3个环节[6]：

1）工程材料的获取过程；

2）工程建设的施工过程；

3）工程移交后的运营过程。

工程建设材料主要为砂石料，基本都需进行山体开挖。随着基础建设项目的不断增多，石料的需求已经造成了山体的过度开发，陆生植物环境不断遭到破坏。

工程建设的施工过程，特别是水运工程，粗放型的水力吹填以及疏浚工程，对水生植物环境造成了极大的影响，特别是对于底栖生物的生存环境的侵占，破坏了水生物的生态平衡。

工程移交后的运营过程，仍可能存在着各种污染物的排放，影响水体水质，对于可持续性的生态环境产生负面作用。

基于当前存在于工程项目中的一系列问题，从参与方的角度思考，需要从各个环节引入生态技术理念。生态技术理念就是通过对原材料的选择和考量后，进行充分利用，通过减少实际消耗量，在运行过程中进行生态化控制，达到与生存环境的和谐共生，特别是在统筹与规划、设计、施工、评价、管理、生态维护、修复及补偿、材料选择等方面。

本文以长江南京以下12.5 m深水航道工程为例，就应用生态技术理念[7]，从生态结构着手进行创新设计等方面的阐述。

1 生态型水工结构技术的研究与应用

根据长江黄金水道建设总体推进方案，长江南京以下12.5 m深水航道建设工程按照“整体规划、分期实施、自下而上、先通后畅”的治理思路分期实施。其中，一期工程通过实施太仓至南通河段内洲滩关键部位守护整治工程并结合疏浚措施，实现12.5 m深水航道由太仓上延至南通。二期工程按照建设航道关键控制性工程与疏浚工程相结合治理思路，初步实现南京以下12.5 m深水航道的建设目标（图1）。

图1 长江南京以下12.5 m深水航道建设工程示意图Fig.1 Diagram of 12.5 m deepwater waterway at the lower reach of the Yangtze River from Nanjing

在以往的长江航道整治工程中，整治建筑物基本上采用抛石结构；随着近年来生态环保措施的加强，石料来源受到很大限制，减少河道整治建筑物石料的用量已成为共识。在航道整治一、二期工程中，分别结合整治建筑物堤身结构和护堤结构的特点，以生态技术理念为先导，探索性地开发和应用了多种具有生态效应的新结构。

1.1 齿形及半圆形构件的研发与应用

工程所处的河段条件不同于以往海洋环境，具有潮汐和径流共同作用的特点，结合长江南京以下12.5 m深水航道一期工程整治建筑物的水动力及结构特点，研究开展了有针对性的理论分析及数模计算、物模试验等工作。通过对波浪与齿形构件的相互作用研究，建立了波浪作用于齿形构件的波压力计算方法；修正了波浪作用于半圆形构件的波压力计算方法；通过对开展的众多组物模试验研究与分析，初步建立了水流作用于半圆及齿形构件混合堤的计算公式[8]。

结合一期工程中通州沙整治建筑物工程的水深条件，在狼山沙尾部堤高4～6 m的潜堤堤段建设了高度3.5～4.0 m、单个构件重130～155 t的齿形构件混合堤，在堤高6 m以深潜堤堤段建设了5.0 m高半圆形构件混合堤。工程建设齿形构件混合堤顺坝1 300 m，建设半圆形构件混合堤顺坝1 930 m。

在二期工程中，结合丁坝堤身较高、水动力较强的特点，采用混合堤结构的丁坝将具有更好的整体性和耐久性；同时齿形构件混合堤中的构件为素混凝土结构，将具有更好的耐久性。因此在二期工程中，研发了更经济的高齿形构件，分别在福姜沙河段部分条件适宜的整治建筑物潜堤、丁坝上采用5.0 m和7.0 m高，单个构件重249 t和395 t的两种新型齿形构件混合堤做为设计断面（图2），总计应用长度约为2.5 km。

图2 5.0 m高齿形构件混合堤示意图Fig.2 Schematic diagram of the mixed dike with 5.0 m high tooth-shaped members

混合堤结构在航道建设工程中的应用大大减少了对于石料以及大规格块石的需求，在加快工程进度的同时还能够节省工程投资，突破传统抛石斜坡堤结构形式，间接实现了对于山林环境的保护。

1.2 高强充砂管袋堤结构的研发与应用

近年来随着土工织物的快速发展，高强土工管袋逐步走进了海工建筑物领域[9]。该结构为非硬质结构，有利于植物的生长和动物的栖息，更具生态环保效果。目前我国高强土工管袋的应用较少，无防护的管袋仅作为临时结构。工程中通过建立水流与管袋相互作用的流体和固体模型，研究分析出管袋周边复杂的水流力分布，基于与水流相互作用位置的不同，存在正压力、负压力和零压力3种情况。

在长江南京以下12.5 m深水航道二期工程中，高强土工管袋在丁坝主体结构SR5应用，为该结构在潮汐径流河段航道整治建筑物中的首次应用。土工管袋基本位于-6.0 m水深，且表面不设防护，管袋高2.0 m，宽5.3 m，长度50.5 m；在管袋中利用4个隔仓将充沙单元长度缩短到10 m，以最大限度地减小管袋被人为破坏造成的损失。施工中通过将高强土工管袋与联锁块软体排进行适当的绑扎，并选择适当的水位和流速沉放。定位安放后及时充灌沙保证管袋位置满足要求；施工中通过多次转换充填的方式尽可能地保证了隔仓两侧沙体的平衡。

为充分实现生态效应，高滩段的高强充砂管袋堤在管袋沟槽中采用球形带营养土植物包技术进行生态修复，植物包安装间距为40 cm；管袋顶部采用安装人工促淤材料和带基布的人工培育水生植物草皮的技术进行生态修复（图3）。高强充砂管袋堤上的水生植物无论是香菇草还是植物球中的黄昌蒲，在经历了大、小潮汛，大雨等考验后均生长茂盛，修复效果显著。

图3 高强充砂管袋堤实施现场航拍图Fig.3 Construction image of high-strength sand-filled pipe bag dike

1.3 异型网箱生态护滩结构的研发与应用

在长江南京以下12.5 m深水航道二期工程的福姜沙左缘FL1、FL2、FL3丁坝和口岸直水道落成洲河段头部潜堤、LL3丁坝的高滩区段，研发了异型网箱作为堤坝结构，通过营造植物生长空间，使工程实施过程中被破坏的原生植物环境重新绿化，达到保护生态环境的效果[10]。

根据总体布置，堤身结构高度为1 m，若采用铺设联锁块软体排加块石的传统方案，会带来植物不能生长的生态影响。为实现生态效果最大化，研发了异型网箱结构，即在每个隔仓内采用两片1 100 mm×950 mm的镀锌电焊网片形成V形拼接，V形网片内装入10～30 kg块石（图4）。通过调整V形网片支撑轴与网箱长边的相对位置达到缓流或阻流的效果。

图4 异型网箱生态堤结构图Fig.4 Structure diagram of ecological dike with special-shaped gabion

间隔排列网箱堤的应用在满足整治建筑物阻流、改善流场的功能性要求下，最大化地保留了植物生长空间，由于异型网箱块石并不占用植物的生长空间，几乎保留了全部工程影响范围区的植物。

1.4 生态软体排结构的研发与应用

长江南京以下深水航道一期工程中研发了生态软体排结构，根据工程实际环境特点，分区域研究了2种生态软体排结构[11]。

1）生态保护区的生态软体排结构。即针对原有逐渐被冲刷缩小的生态区，研究保护生态区原有植物的同时又能维持生态区范围的护底结构，采用大网格土工格栅加十字块压护的方案。格栅尺度为10 cm×10 cm，材料为聚酯高分子，该材料可抵御紫外线辐射造成的老化，为植物根系的发育留有充足时间，并可实现促淤效果。

2）生态修复区的生态软体排结构，即针对在低水位时能有露滩时间的高滩段，采用人工干预的工程方式，研究既护滩又能在实施后期栽种植物、修复生态环境的护底结构，采用了生态软体排布和大间距联锁块作为新的护底结构。大间距联锁块的尺度为380 mm×380 mm×120 mm，间距120 mm，以较大的间距及可被植物穿透的排体为基底，为植物的生长创造了有利条件（图5）。

图5 生态软体排布和大间距联锁块护底结构图Fig.5 Bottom protection structure diagram of ecological soft mattress and large-spacing interlocking block

生态保护技术通过对生态保护区开展将工程措施与生态环境相结合的研究，用工程措施保护植物的生存基础、生存条件，取得了被割除的高滩植物当年生长、转年恢复的成果，达到了既保护滩面，又实现生态保护的设计意图，完成生态保护区施工面积约15 000 m2。

生态修复技术已应用于长江南京以下深水航道一期工程通州沙约2 700 m2的试验区，采用铺设高强度、大孔径、高退让性、防老化复合软体排，小型联锁块压护的生态软体排方案，在软体排上栽种植物以实现生态修复。通过3次试种，研究植物物种的选择、栽种季节时间的选择、植物栽种方式的选择和防冲固定方法的选择，使移栽植物成活率不断提高，达到生态修复的要求。

二期工程所处河段的生态特点与一期工程基本类似，将生态软体排结构的技术理念、设计思路和设计手段推广应用到了二期工程的福姜沙和落成洲护滩结构，既满足了工程功能的需求，又实现了生态环境的保护和持续绿色。根据现场跟踪情况可知，生态保护区护底结构实施后，当年植物就恢复了生长，施工1 a后，植物生长茂盛，经过2 a汛期，高滩边缘实施的保护措施完好，滩面上的十字块基本被植物覆盖形成了自然生态与工程措施融为一体的生态保护区。生态修复区护堤结构实施后，水生植物均成活，长势良好。

1.5 新型砂肋护滩结构的研发与应用

传统高滩护底主要采用混凝土联锁块软体排护底加块石压护的结构设计，其设计原理是通过软体排实现保沙固土及结构稳定；通过压护块石实现抗老化的作用。从结构作用机理分析，大量的块石抛填是为解决排布被阳光直射而引起的耐久性问题，因此块石与混凝土联锁块压载的叠加造成了一定程度的浪费。

在结构稳定、排体保沙护滩要求以及方便施工的需求下，设计采用了下部保沙基布加上部新型抗老化绒毛复合土工布，中间充填沙以提供足够的稳定重量的设计方案[12]（图6）。基布采用350 g/m2丙纶长丝机织，与传统砂肋排一致，其作用是阻止水流对河床掏刷，设计为平面更有利于贴合地面，实现保沙护滩的功能；充沙袋布采用新型复合土工布，该类型土工布具有高强度、高耐久性等优点，能够保证设计年限内的结构完整性；大直径半圆形设计提供足够的稳定重量，同时有利于施工单位进行充灌作业。

图6 新型砂肋护滩结构断面图Fig.6 Cross section diagram of new sand-rib beach protection structure

新型砂肋软体排应用于福姜沙FL3高滩带，该结构施工方便快捷。施工完成后的新型砂肋软体排结构稳定，保沙固土，发挥了工程作用，同时绒毛系统表面很快覆着一层泥沙，使结构耐久性也达到了有利地提升。为了有利于恢复生态，砂肋之间设置了提前培育的植物生态包，利用新型砂肋软体排吸附的泥沙作为植物的基土。植物长成后，又可以阻流挡沙促淤，进一步保证新型砂肋软体排的耐久性，形成一个良性的工程与生态的循环。经过汛期和近两年的生长期，浅水区植物全部成活。