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內河生態AG娱乐登录網護岸發展及水力特性研究

時間:2016-05-24 20:56 作者:晟江AG娱乐登录網thepeellive.com 點擊:

摘要:生態護岸除了護岸工程的基本功能外,還起到了美化環境,增強水體自凈能力,保護生態系統的完整性的作用。利用生態工程技術進行岸坡防護已為護岸工程發展的新趨勢,含植被生態護岸結構的水力特性的研究對于生態護岸的發展、岸坡的治理及保護具有重要的意義。
內河生態AG娱乐登录網護岸發展及水力特性研究綜述
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    護岸技術是內河整治工程的一項重要措施,對穩固河勢、防洪護堤及維護航道技術標準等方面有著不可或缺的作用。科學、安全以及可持續的發展模式已成為當今社會發展的重要課題,利用生態環保技術進行岸坡防護已經得到越來越廣泛的應用,研究和應用生態環保型護岸結構已經成為當今護岸工程技術發展的新常態。
 
    生態護岸是融合現代水工學、水文水資源學、環境學、水力學及紊流力學等多學科于一體的航道整治技術。除了具有抗沖護坡、穩定河岸的基礎功能以外,生態護岸工程還起到了美化環境、構造都市生態景色,維系水陸兩域之間的物質能量交換,進而增強水體的自凈能力,保護了自然生態環境的系統性,體現了人與自然的和諧發展。因此,做好內河生態航道的護岸工作,以實現青山綠水、坡綠岸蔭、魚蝦徊游的和諧自然的生態景色,有著極其重要的作用。
 
    一、生態護岸技術的發展:
    1.國外生態護岸技術發展特點:
    國外最早從20世紀50年代就著手研究傳統護岸工程對河流自然環境的影響,發現傳統的混凝土護岸結構一定程度上會造成河流生態功能退化和周邊環境破壞。為了能夠有效的守護河岸邊坡和保持生態系統,很多國家都相繼提出了一系列的生態型護岸工程技術,德國首先建立了“近自然河道整治工程”理念,提出河流的整治應滿足生命化和植物化的原理。阿爾卑斯山區國家的德國、法國、瑞士、斯洛文尼亞等國,在河道整治領域有著非常成熟的經驗。這些國家著手制定實施的河道整治方法及原則,注重對河流生態系統效應的完整性;注重河流在三維空間的分布、動物遷徙及生態過程中相互影響的作用;注重河流作為自然生態景觀和生物基因庫的作用。重點考慮了工程對河流生態系統效應的完整性。德國、瑞士等于上世紀80年代提出了“自然型護岸”技術,采用了捆材護岸、木沉排、草格柵、干砌石等新型環保護岸結構型式,在大小河道均有廣泛的實踐,從中發現河道整治不僅應滿足工程原理,更要滿足生態學理念,不能把河流生態系統從自然生態系統中分離出來。
    目前在歐美選擇更廣泛的生態護岸技術是土壤生物工程 ( s oil-bio engineering )。該生物工程的實質是最大效果地利用植被對水體、氣候、土壤的作用,實現河岸邊坡的穩固。這類技術比較常見的一般有以下幾種:
    ①土壤保持技術。大都是采用植物對岸坡進行遮蓋,避免岸坡表面受到水體的直接沖刷及侵蝕。其主要防護方法有遮蓋草皮、種植喬灌樹木、播種草籽等。
    ②地表加固技術。重點是利用植物龐大的根系吸取土體水分來減小土壤中的孔隙水壓力,已獲得穩固土體的效果。其常見的技術方法有根系填塞、灌木叢層、枝條籬墻、活枝柴捆、草卷等。
    ③植被與建筑材料的搭配利用。其常見的技術方法有綠化干砌石墻、植物網箱、植物柵欄、滲透式植被邊坡等。
    日本的河道邊坡治理技術主要師從于歐美國家,并以此基礎提升優化,主要有植物、石籠網、干砌石、生態混凝土等生態護岸技術。日本在上世紀70年代末提出“親水”的理念,90年代初又舉辦了“創造多自然型河川計劃”活動,提出了“多自然型河川建設”工程技術,并在新型護岸結構型式方向上做了大量的科學研究。如日本朝倉川(豐橋市)的河道治理工程,以縱橫排列的圓木作為坡腳附近的護岸,給水域中各類生物營造了優越的生態空間;在靠近河流的岸坡附近堆上適當大小的天然塊石,以抵抗水流不同形式的沖淘刷;鞍流懶川(大府市)的護岸工程,以天然塊石作護岸保證河岸不被洪水沖毀;河岸邊坡種植蘆葦、楊柳等樹木,上游來洪時楊柳會順勢倒下,對河道行洪條件造成較小的影響。蘆葦、首蒲等水生生物和楊柳一起很好地構筑了河流的生態綠色景觀,同時保證昆蟲、魚類等生物有良好的生存空間。
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    2.國內生態護岸技術發展特點:
    從20世紀90年代后期開始,由于城市及農村的生存空間、生態環境開始遭受到不同程度的破壞,嚴重影響了人們的正常生活,人們開始有了強烈的環保意識。同時,受到發達國家先進的環保技術的影響,國內水利工作者也開始注重航道整治中河流生態系統的保護,著手研究在水利工程建設中利用生態護岸技術實現河流生態系統的保護。如胡海泓在桂林市漓江旅游景區生態河道治理工程中選擇應用了籠石擋墻、復合植被護坡、網籠墊塊護坡3種生態型護岸技術;唐山市引灤工程中,陳海波[3]在傳統土渠護坡基礎上,將砌筑工程技術與生物工程技術有機結合,提出了網格反濾生物組合護坡技術;曾子[4]等通過極限平衡法結合有限元數值計算,提出了基于喬灌木根系加固及柔性石籠網擋墻變形自適應的生態護坡技術。目前我國應用較廣泛的生態護岸技術大致分為如下幾類:
    ①網石籠結構生態護岸。在護岸工程中加入制作的鐵絲網與碎石復合種植基,即由抗銹蝕鐵絲網籠碎石、肥料及其培養土料組成。發揮其擾性大,能適應岸坡表面變形的特點用作岸坡護岸以及坡腳護底等,構筑有特定防洪能力并具有高孔隙率、多流速變化帶的護岸。
    ②AG娱乐登录和雷諾護墊護岸。用經過特別加工程序及材料制作的抗銹鋼絲,運用六邊形雙絞合的方式構造成不同大小網狀體,并在網格體里面放滿卵礫石,然后疊加一定數量的籠石體而形成擋土墻式的AG娱乐登录護岸;當然,雷諾護墊則是采用薄片狀的。該結構透水型較好,能使陸地與河流中的水體能較好地互相交換,對自然生物的繁殖活動提供有利的環境,并能在短時間內恢復已被破壞的自然生態環境。
圖1鍍鋅網石籠護岸
圖1鍍鋅網石籠護岸
    ③植被型生態混凝土護坡,也稱為綠色混凝土。其主要部分為:多孔質混凝土塊體、保水材料、表層土及難溶性肥料。常常在城市河流的護岸工程中應用此生態技術構筑成砌體形式的擋土墻,或者也可以直接鋪設作為護坡結構。
    ④自嵌植被式的擋土墻。自嵌植被式的擋土墻主要部分有自嵌植被式土塊、透水材料、加筋材料及土料。這種護岸結構主要是利用土塊塊體的重力來抵抗另一側的動靜荷載,以實現穩固的效果。此結構也不需要添加混凝土材料,主要依靠不規則塊體與塊體之間的嵌固作用和自身的重量來控制滑動及傾覆。
圖3植被型生態混凝土護岸
圖4自嵌植被式的擋土墻
圖4自嵌植被式的擋土墻
    ⑤自然型護岸。自然型護岸工程型式常見的有自然原型護岸、自然型護岸及多自然型護岸。自然原型護岸主要利用植物枝干來保護岸坡,并鋪設能加固岸坡的材料,如土工織物或格柵形硅塊,維持天然岸坡的特點;自然型護岸除了具有原來的植物,還使用了天然塊石護坡與圓木料護底,是其提升河岸邊坡的抗洪作用。多自然型護岸是在自然型護岸的基礎上,再加上混凝土等材料,保證其河岸邊坡有更強的抗洪作用。
    ⑥多孔質護岸。多孔質結構型式重點是用混凝土構件制作成帶有孔狀的適宜動植物生長的一種護岸技術,如形態不一魚巢塊體、箱式結構、鵝卵石連接等結構形式。多孔質護岸結構一般采用預制件,其施工過程簡便且快速,不但為動植物的生存及生長提供了適宜的環境,而且還具有較高的結構強度,抗沖性好,對已遭受污染的水體有一定的自然凈化效果,是目前生態護岸結構中很有獨特性的一種結構型式。
    ⑦網格反濾生物工程。網格反濾生物組合坡,是在坡面上堆砌成方格狀,并在格室內種植固土植物,常見的植物一般有:沙棘林、刺槐林、胡枝子、龍須草、油松、黃花、常青藤、蔓草等,在長江中下游地區還可以選用蘆葦、野菱白等。該護坡結構的優勢在于成本低、見效快、易排水、防沖刷、抗凍漲,為土渠襯砌探索出一門既經濟又實用的新技術。
 
    二、生態護岸結構的水力特性研究:
    1.透水型生態護岸結構:
    透水型生態護岸主要是改變局部水流結構,減小守護區水體流速,以達到護坡促淤的效果,較常見的有四面六邊體透水框架、多孔生態混凝土磚、混凝土網格壩等。目前透水護岸結構水力特性研究主要集中于四面六邊體透水框架群。
    西北水科所在水流模型試驗中分析得出:在不同水流及河床邊界條件下,空』L}四面體結構有很好的減速落淤效果且自身能保持穩定;根據透水框架群的水流特性及落淤特性,得出結構尺寸及其布置密度的設計方法。
    河海大學從透水框架阻力特性的新角度去研究獲得了一些成果:如基于水流試驗和理論分析得出單個框架結構的阻尼系數和雷諾數Re的相互影響規律;四面體透水框架群糙率值的大小與四面體的堆放形態及來流情況有很大關系,其主要受水深、流速的影響;稀疏布置的四面體透水框架群有較強的護岸作用,但其結構穩定性無法保障使其無法應用。
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    2.含植被生態護岸結構:
    水體流經植被時要耗費更多的能量,植被擋水而產生的阻力起主要作用。植被對水流結構的影響,不但與河道形態和水位流量有關系,還跟植被的種類、柔韌性、密度及形狀等因素有關。研究植被生態護岸結構的水力特性,為生態河流治理工程規劃、河流修復技術、河道行洪能力設計等提供重要的依據。
    Velasco D和Bateman A. }5]等用柔軟塑料模擬了天然植物,通過水槽試驗得出不同密度下柔性植物的阻水特性,發現植物頂部區域的水流紊動剪切擴散非常劇烈。該試驗總結得出了以下幾條成果:(1)當植物完全淹沒時,隨著來流流量增大,柔性相對糙率便很快降低,其阻力系數會趨向于一個定值。(2)水體阻力與植物的密度、剛度、運動形態及來流條件有關。(3)植物高度區域以內和以外的水體流速分布明顯不同,植物頂部往上到水面以內的流速呈對數分布,且在植物偏移最大時此處的速度梯度最大。(4)植物頂部區域的紊流非常強烈,雷諾應力達到最大。盡管植物的存在降低了垂直方向上的動量交換,但同時加強了水體紊流的橫向交換。
    時鐘、李艷紅困等通過對完全淹沒的幾種不同株高的大米草冠層內的水流試驗發現,在冠層上部一定區域的流速分布大致符合半對數規律,在冠層內部一定范圍水體流速分布呈“S',形。倪漢根、顧峰峰曰選用株高和分布密集的蘆葦,在部分淹沒條件下計算了蘆葦阻力的底面切應力,并推出其曼寧系數。發現部分淹沒下蘆葦的等效曼寧系數與水深存在線性關系,且與流速大小基本無關。韓璐l81通過矩形水槽研究了柔性植被對水流的影響試驗,結果表明:(1)處在植被區上游的水流流速呈對數分布,當水流通過植被區時其流速發生明顯改變,柔性植物護坡以后,其明渠流速分布曲線圖由原來的對數分布變成類似“S"型分布。(2)當栽種大葉子植物后,明渠流速在個別區域會出現較明顯的滯留或回流現象。(3)植物對水流的阻力與岸坡坡度無關。
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    3.含植被牛杰護岸結構的數佰計算:
    從八十年代開始,國外的科研學者就已利用數值模擬技術去研究含植物岸坡的水力特性問題。Naot D等通過三維代數應力模型,將連續方程、紊動能方程和動量方程聯立,分析了植被在三種分布條件下的水流特性,表明在三種條件下,水體紊動能都隨著植被密度的增大而先增大后減小,且最大值逐漸偏向主槽。
 
    本世紀初,國內一些學者也開始利用數值技術去研究含植物水流的研究課題。程莉yob從不可壓縮水流的Navier-Stokes方程出發,推導寬淺水域沿水深積分平均的二維流動方程,建立了平面二維河道的水流數值模型。并且運用此水流數學模型,采用等效糙率和邊界細部模擬的處理方式,探討了河岸邊灘植被對河道水流的作用。基于珠三角洲地區河道特征和植被情況,概化河道并進行了數值模擬,其模擬計算結果與試驗資料基本一致。
 
    宿曉輝、張建新等構建了淺水問題的大禍模擬SDS-2DH模型。長有植被河道水流的淺水紊流運動大渦模擬的控制方程為濾波后的Navier-Stokes方程,植被對水流的作用分為對水流的附加拉力及阻礙水流運動而做的功。控制方程中的亞網格項利用亞網格脈動動能k和特征長度進行了模型假設,此模型不但計算效果優于水深平均的大禍模擬SDS-2DH模型,而且可以模擬出水流運動沿水深的變化
情況,是一種新的突破,為紊流大尺度渦旋的研究提供了一種新思路。
 
    王瑩瑩yz]分析水流模型試驗數據并發現:(1)時均流速的垂線分布呈單調遞增趨勢,當增加到大于平均流速的某個值后而達到穩定,之后的流速分布呈半對數分布;(2)河道植被的種類應選擇處于完全淹沒狀態下的較低矮品種且植被的密度不能太稠密,這樣既能達到護岸固灘的目的,又能夠降低河道的泄洪能力;(3)植被的種類與密度、斷面平均流速的變化、淹沒狀態以及其他一些未知水動力因子的影響,都能使河道水流結構發生改變,而且會使河道水流的瞬時流場變得更加復雜。
 
    三、結論:
      (1)生態護岸是一種新型的護岸方法,其實質是保持岸坡穩定的前提下實現生物多樣性的生態岸坡,是現在及未來護岸工程發展的趨勢。(2)在工程效果得到保證、條件允許的地方,應注重生態型護岸的推廣與應用,并注重與非生態型護岸工程的聯合運用。(3)通過理論推導,實驗研究等手段研究分析含植被生態護岸的水力特性,對生態護岸的發展具有開創性的意義。(4)對于航道工程和近岸工程,生態護岸結構除了要抵御水流沖刷外還將受到船行波或涌浪的淘刷。波浪作用下的生態護岸結構穩定性及安全性問題是一新的探索方向,對未來生態護岸技術的推廣應用具有重要價值。

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