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内河生态格宾网护岸发展及水力特性研究

时间:2016-05-24 20:56 作者:晟江格宾网www.gabionchang.com 点击:

摘要:生态护岸除了护岸工程的基本功能外,还起到了美化环境,增强水体自净能力,保护生态系统的完整性的作用。利用生态工程技术进行岸坡防护已为护岸工程发展的新趋势,含植被生态护岸结构的水力特性的研究对于生态护岸的发展、岸坡的治理及保护具有重要的意义。
内河生态格宾网护岸发展及水力特性研究综述
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    护岸技术是内河整治工程的一项重要措施,对稳固河势、防洪护堤及维护航道技术标准等方面有着不可或缺的作用。科学、安全以及可持续的发展模式已成为当今社会发展的重要课题,利用生态环保技术进行岸坡防护已经得到越来越广泛的应用,研究和应用生态环保型护岸结构已经成为当今护岸工程技术发展的新常态。
 
    生态护岸是融合现代水工学、水文水资源学、环境学、水力学及紊流力学等多学科于一体的航道整治技术。除了具有抗冲护坡、稳定河岸的基础功能以外,生态护岸工程还起到了美化环境、构造都市生态景色,维系水陆两域之间的物质能量交换,进而增强水体的自净能力,保护了自然生态环境的系统性,体现了人与自然的和谐发展。因此,做好内河生态航道的护岸工作,以实现青山绿水、坡绿岸荫、鱼虾徊游的和谐自然的生态景色,有着极其重要的作用。
 
    一、生态护岸技术的发展:
    1.国外生态护岸技术发展特点:
    国外最早从20世纪50年代就着手研究传统护岸工程对河流自然环境的影响,发现传统的混凝土护岸结构一定程度上会造成河流生态功能退化和周边环境破坏。为了能够有效的守护河岸边坡和保持生态系统,很多国家都相继提出了一系列的生态型护岸工程技术,德国首先建立了“近自然河道整治工程”理念,提出河流的整治应满足生命化和植物化的原理。阿尔卑斯山区国家的德国、法国、瑞士、斯洛文尼亚等国,在河道整治领域有着非常成熟的经验。这些国家着手制定实施的河道整治方法及原则,注重对河流生态系统效应的完整性;注重河流在三维空间的分布、动物迁徙及生态过程中相互影响的作用;注重河流作为自然生态景观和生物基因库的作用。重点考虑了工程对河流生态系统效应的完整性。德国、瑞士等于上世纪80年代提出了“自然型护岸”技术,采用了捆材护岸、木沉排、草格栅、干砌石等新型环保护岸结构型式,在大小河道均有广泛的实践,从中发现河道整治不仅应满足工程原理,更要满足生态学理念,不能把河流生态系统从自然生态系统中分离出来。
    目前在欧美选择更广泛的生态护岸技术是土壤生物工程 ( s oil-bio engineering )。该生物工程的实质是最大效果地利用植被对水体、气候、土壤的作用,实现河岸边坡的稳固。这类技术比较常见的一般有以下几种:
    ①土壤保持技术。大都是采用植物对岸坡进行遮盖,避免岸坡表面受到水体的直接冲刷及侵蚀。其主要防护方法有遮盖草皮、种植乔灌树木、播种草籽等。
    ②地表加固技术。重点是利用植物庞大的根系吸取土体水分来减小土壤中的孔隙水压力,已获得稳固土体的效果。其常见的技术方法有根系填塞、灌木丛层、枝条篱墙、活枝柴捆、草卷等。
    ③植被与建筑材料的搭配利用。其常见的技术方法有绿化干砌石墙、植物网箱、植物栅栏、渗透式植被边坡等。
    日本的河道边坡治理技术主要师从于欧美国家,并以此基础提升优化,主要有植物、石笼网、干砌石、生态混凝土等生态护岸技术。日本在上世纪70年代末提出“亲水”的理念,90年代初又举办了“创造多自然型河川计划”活动,提出了“多自然型河川建设”工程技术,并在新型护岸结构型式方向上做了大量的科学研究。如日本朝仓川(丰桥市)的河道治理工程,以纵横排列的圆木作为坡脚附近的护岸,给水域中各类生物营造了优越的生态空间;在靠近河流的岸坡附近堆上适当大小的天然块石,以抵抗水流不同形式的冲淘刷;鞍流懒川(大府市)的护岸工程,以天然块石作护岸保证河岸不被洪水冲毁;河岸边坡种植芦苇、杨柳等树木,上游来洪时杨柳会顺势倒下,对河道行洪条件造成较小的影响。芦苇、首蒲等水生生物和杨柳一起很好地构筑了河流的生态绿色景观,同时保证昆虫、鱼类等生物有良好的生存空间。
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    2.国内生态护岸技术发展特点:
    从20世纪90年代后期开始,由于城市及农村的生存空间、生态环境开始遭受到不同程度的破坏,严重影响了人们的正常生活,人们开始有了强烈的环保意识。同时,受到发达国家先进的环保技术的影响,国内水利工作者也开始注重航道整治中河流生态系统的保护,着手研究在水利工程建设中利用生态护岸技术实现河流生态系统的保护。如胡海泓在桂林市漓江旅游景区生态河道治理工程中选择应用了笼石挡墙、复合植被护坡、网笼垫块护坡3种生态型护岸技术;唐山市引滦工程中,陈海波[3]在传统土渠护坡基础上,将砌筑工程技术与生物工程技术有机结合,提出了网格反滤生物组合护坡技术;曾子[4]等通过极限平衡法结合有限元数值计算,提出了基于乔灌木根系加固及柔性石笼网挡墙变形自适应的生态护坡技术。目前我国应用较广泛的生态护岸技术大致分为如下几类:
    ①网石笼结构生态护岸。在护岸工程中加入制作的铁丝网与碎石复合种植基,即由抗锈蚀铁丝网笼碎石、肥料及其培养土料组成。发挥其扰性大,能适应岸坡表面变形的特点用作岸坡护岸以及坡脚护底等,构筑有特定防洪能力并具有高孔隙率、多流速变化带的护岸。
    ②格宾和雷诺护垫护岸。用经过特别加工程序及材料制作的抗锈钢丝,运用六边形双绞合的方式构造成不同大小网状体,并在网格体里面放满卵砾石,然后叠加一定数量的笼石体而形成挡土墙式的格宾护岸;当然,雷诺护垫则是采用薄片状的。该结构透水型较好,能使陆地与河流中的水体能较好地互相交换,对自然生物的繁殖活动提供有利的环境,并能在短时间内恢复已被破坏的自然生态环境。
图1镀锌网石笼护岸
图1镀锌网石笼护岸
    ③植被型生态混凝土护坡,也称为绿色混凝土。其主要部分为:多孔质混凝土块体、保水材料、表层土及难溶性肥料。常常在城市河流的护岸工程中应用此生态技术构筑成砌体形式的挡土墙,或者也可以直接铺设作为护坡结构。
    ④自嵌植被式的挡土墙。自嵌植被式的挡土墙主要部分有自嵌植被式土块、透水材料、加筋材料及土料。这种护岸结构主要是利用土块块体的重力来抵抗另一侧的动静荷载,以实现稳固的效果。此结构也不需要添加混凝土材料,主要依靠不规则块体与块体之间的嵌固作用和自身的重量来控制滑动及倾覆。
图3植被型生态混凝土护岸
图4自嵌植被式的挡土墙
图4自嵌植被式的挡土墙
    ⑤自然型护岸。自然型护岸工程型式常见的有自然原型护岸、自然型护岸及多自然型护岸。自然原型护岸主要利用植物枝干来保护岸坡,并铺设能加固岸坡的材料,如土工织物或格栅形硅块,维持天然岸坡的特点;自然型护岸除了具有原来的植物,还使用了天然块石护坡与圆木料护底,是其提升河岸边坡的抗洪作用。多自然型护岸是在自然型护岸的基础上,再加上混凝土等材料,保证其河岸边坡有更强的抗洪作用。
    ⑥多孔质护岸。多孔质结构型式重点是用混凝土构件制作成带有孔状的适宜动植物生长的一种护岸技术,如形态不一鱼巢块体、箱式结构、鹅卵石连接等结构形式。多孔质护岸结构一般采用预制件,其施工过程简便且快速,不但为动植物的生存及生长提供了适宜的环境,而且还具有较高的结构强度,抗冲性好,对已遭受污染的水体有一定的自然净化效果,是目前生态护岸结构中很有独特性的一种结构型式。
    ⑦网格反滤生物工程。网格反滤生物组合坡,是在坡面上堆砌成方格状,并在格室内种植固土植物,常见的植物一般有:沙棘林、刺槐林、胡枝子、龙须草、油松、黄花、常青藤、蔓草等,在长江中下游地区还可以选用芦苇、野菱白等。该护坡结构的优势在于成本低、见效快、易排水、防冲刷、抗冻涨,为土渠衬砌探索出一门既经济又实用的新技术。
 
    二、生态护岸结构的水力特性研究:
    1.透水型生态护岸结构:
    透水型生态护岸主要是改变局部水流结构,减小守护区水体流速,以达到护坡促淤的效果,较常见的有四面六边体透水框架、多孔生态混凝土砖、混凝土网格坝等。目前透水护岸结构水力特性研究主要集中于四面六边体透水框架群。
    西北水科所在水流模型试验中分析得出:在不同水流及河床边界条件下,空』L}四面体结构有很好的减速落淤效果且自身能保持稳定;根据透水框架群的水流特性及落淤特性,得出结构尺寸及其布置密度的设计方法。
    河海大学从透水框架阻力特性的新角度去研究获得了一些成果:如基于水流试验和理论分析得出单个框架结构的阻尼系数和雷诺数Re的相互影响规律;四面体透水框架群糙率值的大小与四面体的堆放形态及来流情况有很大关系,其主要受水深、流速的影响;稀疏布置的四面体透水框架群有较强的护岸作用,但其结构稳定性无法保障使其无法应用。
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    2.含植被生态护岸结构:
    水体流经植被时要耗费更多的能量,植被挡水而产生的阻力起主要作用。植被对水流结构的影响,不但与河道形态和水位流量有关系,还跟植被的种类、柔韧性、密度及形状等因素有关。研究植被生态护岸结构的水力特性,为生态河流治理工程规划、河流修复技术、河道行洪能力设计等提供重要的依据。
    Velasco D和Bateman A. }5]等用柔软塑料模拟了天然植物,通过水槽试验得出不同密度下柔性植物的阻水特性,发现植物顶部区域的水流紊动剪切扩散非常剧烈。该试验总结得出了以下几条成果:(1)当植物完全淹没时,随着来流流量增大,柔性相对糙率便很快降低,其阻力系数会趋向于一个定值。(2)水体阻力与植物的密度、刚度、运动形态及来流条件有关。(3)植物高度区域以内和以外的水体流速分布明显不同,植物顶部往上到水面以内的流速呈对数分布,且在植物偏移最大时此处的速度梯度最大。(4)植物顶部区域的紊流非常强烈,雷诺应力达到最大。尽管植物的存在降低了垂直方向上的动量交换,但同时加强了水体紊流的横向交换。
    时钟、李艳红困等通过对完全淹没的几种不同株高的大米草冠层内的水流试验发现,在冠层上部一定区域的流速分布大致符合半对数规律,在冠层内部一定范围水体流速分布呈“S',形。倪汉根、顾峰峰曰选用株高和分布密集的芦苇,在部分淹没条件下计算了芦苇阻力的底面切应力,并推出其曼宁系数。发现部分淹没下芦苇的等效曼宁系数与水深存在线性关系,且与流速大小基本无关。韩璐l81通过矩形水槽研究了柔性植被对水流的影响试验,结果表明:(1)处在植被区上游的水流流速呈对数分布,当水流通过植被区时其流速发生明显改变,柔性植物护坡以后,其明渠流速分布曲线图由原来的对数分布变成类似“S"型分布。(2)当栽种大叶子植物后,明渠流速在个别区域会出现较明显的滞留或回流现象。(3)植物对水流的阻力与岸坡坡度无关。
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    3.含植被牛杰护岸结构的数佰计算:
    从八十年代开始,国外的科研学者就已利用数值模拟技术去研究含植物岸坡的水力特性问题。Naot D等通过三维代数应力模型,将连续方程、紊动能方程和动量方程联立,分析了植被在三种分布条件下的水流特性,表明在三种条件下,水体紊动能都随着植被密度的增大而先增大后减小,且最大值逐渐偏向主槽。
 
    本世纪初,国内一些学者也开始利用数值技术去研究含植物水流的研究课题。程莉yob从不可压缩水流的Navier-Stokes方程出发,推导宽浅水域沿水深积分平均的二维流动方程,建立了平面二维河道的水流数值模型。并且运用此水流数学模型,采用等效糙率和边界细部模拟的处理方式,探讨了河岸边滩植被对河道水流的作用。基于珠三角洲地区河道特征和植被情况,概化河道并进行了数值模拟,其模拟计算结果与试验资料基本一致。
 
    宿晓辉、张建新等构建了浅水问题的大祸模拟SDS-2DH模型。长有植被河道水流的浅水紊流运动大涡模拟的控制方程为滤波后的Navier-Stokes方程,植被对水流的作用分为对水流的附加拉力及阻碍水流运动而做的功。控制方程中的亚网格项利用亚网格脉动动能k和特征长度进行了模型假设,此模型不但计算效果优于水深平均的大祸模拟SDS-2DH模型,而且可以模拟出水流运动沿水深的变化
情况,是一种新的突破,为紊流大尺度涡旋的研究提供了一种新思路。
 
    王莹莹yz]分析水流模型试验数据并发现:(1)时均流速的垂线分布呈单调递增趋势,当增加到大于平均流速的某个值后而达到稳定,之后的流速分布呈半对数分布;(2)河道植被的种类应选择处于完全淹没状态下的较低矮品种且植被的密度不能太稠密,这样既能达到护岸固滩的目的,又能够降低河道的泄洪能力;(3)植被的种类与密度、断面平均流速的变化、淹没状态以及其他一些未知水动力因子的影响,都能使河道水流结构发生改变,而且会使河道水流的瞬时流场变得更加复杂。
 
    三、结论:
      (1)生态护岸是一种新型的护岸方法,其实质是保持岸坡稳定的前提下实现生物多样性的生态岸坡,是现在及未来护岸工程发展的趋势。(2)在工程效果得到保证、条件允许的地方,应注重生态型护岸的推广与应用,并注重与非生态型护岸工程的联合运用。(3)通过理论推导,实验研究等手段研究分析含植被生态护岸的水力特性,对生态护岸的发展具有开创性的意义。(4)对于航道工程和近岸工程,生态护岸结构除了要抵御水流冲刷外还将受到船行波或涌浪的淘刷。波浪作用下的生态护岸结构稳定性及安全性问题是一新的探索方向,对未来生态护岸技术的推广应用具有重要价值。

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