生态固土在河流驳岸空间中的应用

钟 兴，王 帅

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 概述

国内河道工程治理一般采用结构设计安全、材料质地坚固、性价比高、施工管理便利的传统工程措施，缺乏与工程区域生态环境融合、协调的理念和工艺，以及生态造型规划设计、天然生态材料的选择、绿化美化的运用。因此仅仅达到河道行洪和防洪安全的目的，但对周边生态环境也造成了一定程度的破坏[1]。

水流和堤岸之间的边缘过渡空间称为河道驳岸空间。河道驳岸空间作为城市空间中的边缘空间，其边缘效应是显而易见的，但又作为相对敏锐的地带，对城市的发展具有积极的促进作用。河道驳岸空间不仅需要满足河道防洪和行洪的需求，还承载了城市游憩空间、河滩生物多样性等作用[2]。在工程规划设计时，应特别重视水道驳岸空间这种特殊的空间体，要在充分考虑亲水性、戏水需求方面处理护岸的高度、大小、尺寸等，充分发挥河道驳岸空间积极的边缘效应，使河道驳岸空间的结构合理，生态功能更为完善，更接近自然演化的状态，尽量减少人工痕迹，使人工体系与自然体系相融合，塑造具有吸引力的城市河道驳岸空间，改善河道生态功能，实现生态可持续发展[3]。因此，本文选择生态固土对河道驳岸进行治理。

生态固土工法，又称自然工法，是基于生物多样性、保育物种、生态可持续发展而提出的新思路和新的施工工艺。生态固土工法具有生态性、环保性、良好的抗冲刷性，同时尽可能利用当地的现有生态工程材料，蕴含与周边自然环境完美融合的特质，适用于生态修复各式不同的河滩地[4]。

植物根系固土原理：通过植物根系和土质实现紧密结合的基础上，形成根—土复合体，该复合体能够充分调动土体抗压强度和根系材料抗拉强度，增强土层对根系材料的粘聚力，提高土体实际抗剪强度，有效限制土体侧向膨胀，充分提升土体自身承载能力[5]。

2 生态固土的应用

2.1 项目概况

灵山岛外江生态提升工程位于广州市南沙区横沥镇灵山岛，沿岸现状已建成200年一遇的生态堤岸[6]，其中北岸海堤总长为3.469 km，南岸海堤总长为3.108 km(不含岛尖)。工程亲水步道至堤顶路之间已按城市滨海景观带设计并完工[7]，但亲水步道外江滩地侧，低潮位时外江侧干抛石段裸露(高程为5.0 m，广州高程，下同)，生态景观较差，与灵山岛尖高端商务区定位尚有一定差距(见图1)。高低潮位的切换，导致外江水生态空间的景观效果截然不同，尤其在低潮位时，亲水步道以外的抛石、植生袋裸露，加上泥沙淤积、覆盖，导致外江临水侧水生态空间的景观性、生态性较差，亟需进行生态修复、整治工作。

图1 堤岸现状示意

2.2 生态固土模式分析

针对既有工程设施或原设计阶段对生态性考量的不足，提出一种通过生态自然固土，改善动植物栖息地的补救式生态固土工法。设计阶段应在充分分析工程区域城市规划、防洪规划及可能遭遇的其他内外因素(如地形、地质、水流)的限制条件后，选取适宜该工程的生态固土工法[8]。按照生物栖息地在改善后与初始状态(未受干扰前)之间生态特质相似程度，可将生物栖息地改善模式分为以下4种等级。

① 复育模式：通过人为的工程施作或辅助措施，使生物栖息地的生态机能、组成因子、生态环境等皆能恢复到初始状态；

② 复建模式：通过人为的工程施作或辅助措施，使生物栖息地部分重点生态功能得以恢复至初始状态；

③ 改善模式：在认可现有生态考量的基础上，采用合适的改善措施以强化生物栖息地的生态性，不考虑生态特征是否与初始状态是否一致(台湾现阶段的生态固土工法多属此类模式)；

④ 创造模式：依照城市和景观规划的生态工程特征，重新塑造一个与初始状态完全不一样的生物栖息地，其生态环境特质与周边生态环境具有独一性。

通过统筹分析灵山岛内的规划开发强度与定位，结合岛内岸线的现状条件，灵山岛外江生态提升工程设计选用改善模式进行设计。

2.3 生态固土布置原则

生态固土布置原则主要为以下5个原则：安全性原则、保育性原则、生态性原则、经济性原则、科学性原则[9]。生态固土工法的布置按照可承受的水流冲刷强度，可把生态固土堤岸分为3类。

① 低强度型堤岸：一般采用生物材料(植物)施工法，生态修复效果最佳；

② 中等强度型堤岸：可采用混合材料(植物与木材或石材混用)施工法，可抵抗一定冲刷强度，生态修复效果好；

③ 高强度型堤岸：可选用坚固材料(木材、石材、生态混凝土)施工法，可布置在水流冲刷强度大、波浪淘刷严重的区域。在植物选取方面，应充分考虑植物的适宜生长条件，如植物根系生长方向、纵土深度、适宜水流冲刷强度等，合理选择及布局生态固土工法结构体系[10]。

综合考虑蕉门水道、上横沥水道的流速场分析结合灵山岛外江滨水景观的需求[11]，合理布置两种生态固土工法：土工格室生态固土工法和枝桠沉床生态固土工法。在流速较小的岸线采用枝桠沉床生态固土工法，可使水流携带的泥沙自然沉降，有助于固土护岸，便于植物更好地生长；在流速较大的岸线采用土工格室生态固土工法，可提升滩地的抗冲刷能力，并改善生态环境。

2.4 工程总体布置

通过对灵山岛周边水域的流速分析及其特有的场地特点，结合灵山岛周边水域流场模拟结果(见图2)，统筹考虑河道咸淡水交互作用、抗冲刷等特性，并遵循规模最小化、外型缓坡化、内外透水化、表面粗糙化、材质自然化、成本经济化等原则，得出该项目适宜采用柔性、多孔、低矮的工程设计形态。灵山岛北岸沿线与部分南岸主要采用土工格室生态固土工法，长度约为3 000 m(见图3)。灵山岛南岸码头东侧至岛尖采用枝桠沉床固土工法，长度约为1 000 m；剩余1 500 m为居住区，采取生态化工程措施[12]。

图2 灵山岛周边水域流场模拟结果示意(单位：m)

图3 工程总体布置示意

2.5 抗冲刷分析

河床的一般冲刷深度计算，本工程分别采用集中水流局部冲刷坑Lacey经验公式和《公路桥位勘测设计规范》(JTGC 30—2015)公式进行对比计算[13]，工程处附近床沙取平均粒径为0.06 mm，河床一般计算参数见表1，计算结果见表2(计算工况均为200年一遇)。

表1 工程处河槽一般冲刷计算参数及结果

表2 河床一般冲刷深度计算成果汇总

以上计算表明：《公路桥位勘测设计规范》经验公式计算值大于集中水流局部冲刷坑Lacey公式法的计算值。出于偏安全考虑，本次河槽一般冲刷深度采用《公路桥位勘测设计规范》经验公式的计算成果，即蕉门水道一般冲刷深度为1.78 m、上横沥水道一般冲刷深度为1.58 m。

本工程考虑利用土工格室生态固土工法和枝桠沉床生态固土工法作为技术方案，可保护种植土不受严重侵蚀，满足抗冲刷的要求。

2.6 生态固土工法设计

1) 土工格室生态固土工法

本工程主要布置在灵山岛北岸全线与部分南岸，长度约为3 000 m。

土工格室是一种采用强化的HDPE片材料，经超声波针式焊接而成的三维网状格室结构。土工格室具有以下优点：① 可伸缩、运输可缩叠，联接方便、施工效率快，可张拉成网状，填入泥土、碎石、混凝土等松散物料，构成具有较大侧向限制的大刚度结构体；② 材质轻、耐磨损、耐酸碱、化学性能稳定，适用于不同土壤、水环境等环境条件；③ 具有较高的侧向限制、防滑、防变形能力，可有效增强河床的承载能力和分散荷载作用；④ 可通过改变土工格室高度、焊距等几何尺寸满足不同的工程需要。

在原设计的抛石护脚宽约5 m范围内，采用回填种植土厚为400 mm，面层采用高200 m的三维土工格室碎石填充。为防止种植土被潮汐的淘刷，最外侧采用生态袋固土和块石护脚(见图4)。

图4 土工格室生态固土工法断面示意

2) 枝桠沉床生态工法

本工程主要分布于灵山岛南岸码头东侧至岛尖附近，长度约为1 000 m。

枝桠沉床的优点：① 极具柔韧性，施工过程中能够适应不同地形，完工后可随着河床沉积而变化，使河床得到长久有效的固定和覆盖；② 施工材料生态化且容易收集，同时可根据河床情况决定施工规模(形状和大小)；③ 采用枝桠类等天然材料，可确保对河道环境零污染，并根据其多孔的构造，可为鱼、虾、蟹等动植物创造栖息环境。

在距离原设计的亲水步道岸线约3 m范围内，采用回填厚为200 mm种植土，面层采用高200 m的枝桠沉床。距离岸线3～6 m处采用土工格室生态固土工法，为防止种植土被潮汐的淘刷，最外侧采用生态袋固土和块石护脚(见图5)。

图5 枝桠沉床生态固土工法断面示意

2.7 植物选择

项目区属于海水与淡水的交汇地带，结合水体变化、水面环境、水质环境、太阳辐射等周边的环境条件，应选择耐盐碱及抗冲刷的植物，并应优先选择乡土性原生植物，以免造成人为的生物入侵；尤其在堤前的植物，应具有一定的刚性树干和柔性树冠，并有一定的高度。

场地的现状条件水位变化丰富，地形条件单一。因此，为保证植物的景观功能，在丰富植物搭配的同时，应结合生态固工法，营造适宜植物生长和变化丰富的基底条件。

综合以上条件，本工程植物品种选择见表3。

表3 植物品种选择

2.8 河道行洪分析

工程地处珠江三角洲腹地，工程附近河网纵横交错，其水动力条件既受上游河道下泄的径流的影响，也受下游经出海口门上溯的潮流的影响，本工程采用珠江三角洲网河区一维潮流数学模型和工程附近局部二维潮流数学模型相结合的方法进行[13]。

一维潮流数学模型采用圣维南方程组，研究范围基本上包括了西、北江三角洲、东江三角洲及广州水道等。模型上边界取自马口(西江)、三水(北江)、老鸦岗(流溪河)、麒麟咀(增江)、博罗(东江)、石咀(潭江)水文(位)站，下边界取至八大口门的大虎(虎门)、南沙(蕉门)、冯马庙(洪奇门)、横门(横门)、灯笼山(磨刀门)、黄金(鸡啼门)、西炮台(虎跳门)及官冲(崖门)潮位站。本模型共布设了3 630个断面，模拟河道长度约1 750 km，模型断面距离约12～2 000 m不等。模型计算控制站潮位值与实测值之间的误差均小于0.10 m，洪峰流量误差小于10%，计算潮位、流量过程线与实测过程线吻合程度良好，相位基本一致。

二维计算采用MIKE21平面二维数学模型，以垂线平均的水流因素作为研究对象，模拟计算河道的平面水位、流场及河床细部的变化情况。二维模型有3个上边界，1个下边界：上边界1取至工程所在蕉门水道上游约3.0 km处，上边界2取至工程所在上横沥水道上游2.5 km，上边界3取至下横沥水道汊口上游3.0 km，下边界取至工程下游约5.0 km的蕉门南沙水文站。

在以潮为主各级频率洪水条件下(P=0.5%～5%)，工程段及上游水位最大抬高值分别为0.001 m、0.001 m、0.002 m、0.002 m，壅水大于0.001 m的影响范围基本位于工程段内，工程下游河道水位基本没有变化。

以洪为主各级频率水文条件下(P=0.5%～5%)，工程段及上游水位最大抬高值为0.004 m、0.004 m、0.003 m、0.003 m，壅水大于0.001 m的影响范围约至上游100 m，工程下游河道水位基本没有变化。

在各频率洪、潮水文条件下，工程对河道水位的影响较小且只限于工程附近水域范围内。

各种计算工况在不同水文组合条件下，大部分断面高、低潮位都没有变化，水位变化范围仅在工程段附近。

综上所述，工程的建设对河道防洪(潮)和行洪的影响均不大。

3 工程完工效果

本项目应用生态固土工法，一是解决了因干砌石护脚导致的堤岸亲水景观性差、生态性差的缺点；二是为河道的小动物(如鱼、虾、蟹等)提供了栖息空间，保护了河流生态多样性。

本工程于2021年完工，目前沿岸生态固土范围内植物生长良好(见图6)，与工程未动工前形成了鲜明的对比，有效的提升了城市滨水景观品味，同时满足周边居民日益增长的生态精神文明需求。

图6 工程完工后实景示意

4 结语

生态固土工法将生态恢复的技术手段与城市规划、景观设计相融合，兼顾了河道生态系统和人类生态安全文明的需求，既能够保证河道生态系统的健康，又确保水资源可持续发展，同时又能满足人类社会的需求，促进人类与自然之间相互融合。与传统的施工方法相对比，生态固土工法在水源涵养性、生态保育性、环境美观性、人类亲水性、自然教育性、工程经济性、资源节省性、永续发展性等方面都具有特有的优势，但在施工方便性方面可能较传统工法复杂，并建议该工程与堤岸主体工程同步实施，避免后期加载导致的不均匀沉降。