第１０卷第５期 水利与建筑工程学报 Ｖ０１．１０ Ｎｏ．５ ２ ０１ ２年１ ０月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｏｃｔ．，２０１ ２ 基于生态砖构建的新型河堤结构及位移分析 郝 伟 ，武 雷 ，李清曼２ （１．东南大学土木工程学院，江苏南京２１００９６；２．中国科学院水生生物研究所，湖北武汉４３００７２） 摘要：结合生态治理的要求，在分析国内外生态河堤的发展状况及相关的优缺点的基础上，提出了新 型生态河堤，并通过ＡＮＳＹＳ有限元软件对生态河堤的承载力及刚度进行有限元分析，对局部河堤结构 进行了试验探究，并将有限元结果与试验结果进行对比，吻合情况较好。同时有限元结果也表明结构有 较好的承载力、刚度、稳定性以及生态效果等，真正达到了人与自然的关系的和谐。 关键词：生态河堤；生态砖；承载力；刚度；位移；荷载 中图分类号：Ｔｖ８７１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２一ｌ１４４（２０１２）ｏ５—０ｏ４１—ｏ４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｎｅｗ Ｒｉｖｅｒｂａｎｋ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、 ｔｈ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｂｒｉｃｋｓ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ＨＡ０ Ｗｅｉ ，ＷＵ Ｌｅｉ ，ＬＩ Ｑｉｎｇ．ｍａｌｑ２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＣｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｉｆｎｇ，￣ａｎｇｓｕ ２１００９６，Ｃｈ／ｎａ； ２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨｙｄｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ ４３００－１２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｉｖｅｒｂａｎｋ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｉｖｅｒｂａｎｋ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｉｖｅｒｂａｎｋ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ．ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｖｅｒｂａｎｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ＡＮＳＹＳ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄ ｈｔｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｓｉｍｉｌａｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｌｓｏ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｂｅａｔｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ， ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，ｒｅａｌｌｙ ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍａｎ ａｎｄ ｎａｔｕｒｅ ｉｎ ｈａｒｍｏｎｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｉｖｅｒｂａｎｋ；ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｂｒｉｃｋ；ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ；ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ｌｏａｄ 随着人类文明的不断进步，人们对人与自然关 我国在河流生态修复方面的研究工作起步较 系的认识也不断升华，并首先在西方发达国家提出 晚，尚处于学习引进国外先进经验的阶段。我国在 了生态城市的概念。城市的河流生态系统是整个生 河道治理当中主要存在以下几个问题：（１）河道整治 态城市建设的核心系统＿１ Ｊ。 中硬化渠道，导致生态系统和水体的破坏；（２）裁弯 目前国外河流生态修复技术有很多种，主要包 取直，改变了河道的自然流态ｌ２Ｉ３ｊ。 括：在河流整治中，结合洪水管理，贯彻“给河流以空 本文结合生态治理的要求，开展城市河道的新 间”的理念，建设分洪道和降低河漫滩高程；为了实 型生态河堤的研究，提出了具有防冲刷、透水、水土 现纵向连通及河道与河漫滩区的横向连通的河流连 保护、适宜植被鱼类生长的复合河道系统的建设方 续性恢复，建设低坝并设置鱼道、堤防拆除；恢复河 案，满足河口水质净化与景观提升的要求，达到了人 流蜿蜒性；河道岸坡生态防护等。此外，结合河流生 与自然关系的和谐。 态修复规划和设计，一些规划设计模型和方法也被 提出。在筑坝河流上，针对改善下游河流的生态系 １ 国内外常用的生态河堤的形式 统状况，有关水库优化调度方式的研究和示范在一 １．１椰子纤维捆堤岸［ ］ 些国家也进行了研究，并初步取得一些成果。 将椰子壳纤维用麻线织物捆绑成圆筒状，一般 收稿日期：２０１２—０３．２１ 修稿日期：２０１２—０４．２７ 基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（２００９ＺＸ０７１０２—００３—４） 作者简介：郝伟（１９８６一），男（汉族），江苏人，硕士研究生，研究方向为土木工程。 ４２ 水利与建筑工程学报 第１０卷 直径为３０ ｃｍ，长为６００ ｃｍ，用木桩固定在堤岸坡角， 通常放置在高水位线处、齐岸处，见图１。 加阑木桩 图１椰子纤维捆堤岸 该堤岸能够将沉积物拦下，利于植被生长并保 护堤岸坡角，免受流水侵蚀；椰子壳纤维捆具有弹 性，能够保持堤岸蜿蜒曲折的自然属性；这种技术必 须与其他生态技术结合使用。也可以应用在湖泊、 人工景观水系等水面较为平静的水系岸边，有助于 水生植物的生长。也可以将芦苇等水生植物的种子 放置在椰子纤维捆中，并用木桩将其固定在岸边，待 种子发芽成长以后，形成活植物捆堤岸，为微生物提 供良好的生活栖息环境，过滤沉淀泥沙，保护水系堤 岸。 １．２活桩堤岸【５ Ｊ 将活的树桩（一般用柳树）直接夯入河岸边土壤 当中，树桩生根后将土壤盘结为一个整体，起到稳定 堤岸土壤的作用，见图２。 图２活桩堤岸 该堤岸适用于坡度较小但冲刷较为严重的堤 岸，以及容易发生小块滑坡和坍塌的堤岸，还可作为 不同形式生态堤岸之间的过渡段。奥地利在对多瑙 河的改造中使用了这种方式，取得了很好的效果。 １．３原木和根垫堤岸［６］ 用块石或混凝土砌块将原木和树根固定在岸 边，为野生生物提供理想的生活栖息环境，见图３。 图３原木和根垫堤岸 该堤岸适合于蜿蜒曲折、水流流速平缓、水体没 有漫上堤岸的水系；与其他生态技术结合使用；为鱼 类和昆虫等生物提供生活空间，增加水系走廊的生 物多样性。 ２基于生态砖构建的新型生态河堤 ２．１生态砖的定义以及相关工作原理 所谓生态砖，至少应具备下面两个要素：首先， 它属于砖的范畴，但也不等同于工程中普遍使用的 粘土砖、粉煤灰砖、水泥砖等，而是多采用工业废料 制作而成，不会对环境造成二次污染；其次，它的孔 隙率较一般较大，体现出生态的要求，为水中的鱼类 提供良好的栖息环境，同时也实现了水体的良好循 环。 生态砖内多以砾石、卵石为填充物，Ｅｔ本、韩国 采用了比较成熟先进的生物接触氧化工艺技术。生 物接触氧化法是一种介于活性污泥法与生物滤池之 间的生物膜法工艺，具有处理效率高、占地小、对水 质适应性强、耐冲击性能好、产泥量少、出水水质稳 定等优点。填料作为微生物的载体是生物接触氧化 池的核心。填料的表面栖息着大量的高活性微生 物，它们能够高效快速地吸附合成和氧化分解污水 中的有机物。根据河道不同河段水力学特征，在河 道水质得到改善的基础上，运用不同水生植物生长 习性互补原理，对不同水生植物种群进行组合、优 化，筛选出适合于河流生态系统恢复的种群配置，更 好的吸收空气中以及分解水中的污染物，为水中的 鱼类提供更好的繁殖场所。 ２．２生态河堤的构造 国外生态堤岸更注重生态的保护，利用天然的 第５期 郝伟，等：基于生态砖构建的新型河堤结构及位移分析 ４３ 植物，如椰子纤维、活桩、活枝条、灌木、原木等来构 造堤岸，更能体现河堤的核心生态。国内生态堤岸 的做法多使用刚性堤岸，充分利用了混凝土、块石的 特性，与传统河堤的做法只是稍微做了改进，并未真 正的达到生态的效果。 城市河道的整治当中，河堤一般有两种做法：一 种是采用挡土式河堤，一种是采用护坡式河堤。常 用的挡土结构有水泥土搅拌桩重力式挡墙、挡土灌 注排桩、钻孔灌注桩加水泥土搅拌桩等形式，可以根 据水文地质条件，以及现场的实际情况选择各种挡 土式结构。护坡式主要有浆砌或干砌块石护坡、现 浇混凝土护坡以及预制混凝土块体护坡等做法。块 石护坡对原材料的块石质量有一定的要求，需要块 石有一定的平整度，施工供料上存在较大的困难，且 对砌筑的砂浆强度也有一定的要求。现浇混凝土护 坡实用、美观，施工进度快，质量好，材料供应广泛。 但混凝土护坡在维修时往往因为新旧混凝土不宜结 合牢固，修补不方便，而块石护坡损坏后可以随时更 换、随时修补。预制混凝土板护坡可以先在加工厂 进行预制，再运至现场进行铺设，具有可进行工厂化 施工、节省工期、混凝土质量好等优点。同时也适用 与施工场地狭小，施工工期短的的护坡工程ｌ＿７ 。。。 以上两种做法各有优缺点，缺点都硬化了河道， 随着社会经济的发展，人们也逐渐意识到这些给生 态环境带来了不良的影响，造成了生态的恶化，一些 水生动植物也濒临灭绝。挡土式河堤施工费用高， 且施工复杂，护坡式利用土坡本身的自稳型，在其表 面浆砌块石或浇筑混凝土，割裂了土壤与水体的关 系，加剧了河道的水污染，同时破坏了水生动植物的 生存环境。在总结各方面优缺点的基础上，充分考 虑工程造价的经济性，本文提出了新型生态堤岸的 方案，充分利用土体本身的自稳性，并保留了水体与 土体的相互联系，同时不破坏水生动植物的栖息环 境。 生态河堤坡度的确定是利用了天然土坡的自身 稳定性，必要时进行相应的土坡稳定性分析验算。 天然土坡形成稳定的坡度以后，即可以沿着河流的 方向每隔１０ ｉｎ压入截面尺寸为２５０ １Ｔｌｌｎ×４００ ｎｌＩｎ的 矩形桩，为了防止由于河水常年冲刷及河堤自身的 原因导致的不均匀沉降，在河堤底部做抛石处理。 选择在河流枯水期进行施工，一般水平的分格梁设 置在河流的常水位处，如果河流较深也可以设置几 道水平分格梁，分格柱与水平的分格梁形成框架，在 形成的框架内安装生态砖（见图４、图５）。分格梁采 用预制梁，预制柱与分格梁间采用预留孔插筋灌浆 进行连接。生态砖间、生态砖与柱及分格梁间采用 螺栓连接。河堤的顶部可结合人行道路做现浇钢筋 混凝土顶盖。生态砖采用Ｃ３０的？昆凝土预制而成， 基本尺寸为９００ ｍｉｌｌ×４５０ ｍｌｎ×４００ Ｉｎｒｎ（见图６）Ｅ 。 图４生态河堤三维图 １．抛石基础２．分格梁３．分格柱４．顶部压梁板５．生态砖 图５生态河堤剖面图 图６生态砖三维图 ３生态河堤整体结构性能研究 ３．１整体结构的有限元模拟 为研究生态河堤的整体结构性能，采用ＡＮＳＹＳ 有限元进行生态河堤的模拟分析，钢筋混凝土生态 砖采用ＳＯＬＩＤ６５单元，土体采用ＳＯＬＩＤ４５单元，土体 与生态砖之间的粘结滑移采用ＴＡＲＧＥＴ１７０单元与 ＣＯＮＴＡＣＴ１７３单元进行模拟。水流影响简化为静力 作用，模拟了结构在恒载与活载组合下的工况，活荷 载通过在生态砖上的施加面荷载０．００３３ Ｎ／ ，通 过计算分析，整个生态河堤结构 方向的最大位移 水利与建筑工程学报 第１０卷 ｔ／Ｘ ＝１．３６ Ｂｉｎ，最小位移ｕ ＝一０．０３２ ｍ／ｎ。Ｙ 方向的最大位移 ＝０．６３ ｉｉ３１ｎ，最小位移 ｙｍｉ ＝ 一１．６４ ｉｎＩｎ。最大等效应力ｓ ＝１．７９ ＭＰａ，模拟结 果表明，整体结构的刚度性能良好。 ３．２考虑生态河堤局部不均匀沉降的情况下结构 工作性能 为了确定局部生态河堤结构的承载力及相应的 变形，用ＡＮＳＹＳ有限元进行模拟分析，模拟了三块 砖中间一块的地基出现局部塌陷工况下结构的承载 力，经过有限元模拟分析计算可知，河堤在局部不均 匀的情况下仍能保持良好的结构承载力与稳定性。 对于以上的分析我们进行了相应的试验研究， 试验由三块生态砖连接而成，不同生态砖之间通过 Ｍ１２的螺栓进行连接，形成一个变截面梁，两端的约 束为简支，在每块砖的上部布设百分表，最终形成的 试验模型（见图７）。整个结构的试验破坏荷载为 ３３．３ ｋＮ与ＡＮＳＹＳ有限元分析的３６ ｋＮ非常接近，结 构的竖向最大位移为１３．１ Ｂｉｎ。 图７试验模型 ４基于生态砖构建的新型生态河堤建 造工艺 ４．１工艺流程 边坡修整一定位放线一静压分格柱一基底抛石 一安装生态砖一安装分格梁一安装分格梁上部的生 态砖一堤顶压梁板施工一生态砖充填填充物一砖内 种植生态植物。 ４．２主要工艺要求 施工过程中定位放线要准确，控制基底抛石的 质量，并应严格检查预制生态砖的质量，孔洞的尺 寸，以保证在拼装过程中，砖的上下左右都要连接牢 固，防止使用中松脱。生态砖内填充卵石、砾石以后 种植水草植物时应避免选择高温天气，因为砖本身 加上内部的充填物吸热量较大，要保证水草的水分 供应。 ５结语 本文采用生态砖作为堤岸坡面，辅以分格柱、梁 来加强堤岸结构的整体性，形成了新型生态河堤。 通过ＡＮＳＹＳ有限元分析及局部试验研究，可以得到 以下几点结论： （１）局部生态砖组成的河堤仍具有一定的承载 力，承载力达到了３３ ｋＮ，满足施工以及正常使用中 的相关要求，同时与有限元模拟的３６ ｋＮ非常接近； （２）整个河堤结构体现出较好的生态性，加强 水体净化循环的同时，也为鱼类提供良好的栖息环 境。 （３）在堤岸上种植生态植物净化水体，提升河 堤景观的功能性要求。 新型生态河堤的提出，丰富了河流生态治理的 方法，同时这与建设生态城市的要求是一致的，在国 内外具有较好的可行性。 参考文献： ［１］胡大伟，程吉林．城市生态河堤建设的性因素分析 ［Ｊ］．水利规划与设计，２００９，（２）：１４—１６． ［２］于春延，宋剑，张新红．生态河堤的研究及其在河道 治理工程中的应用［Ｊ］．河南水利与南水北调，２００８， （６）：２３，２６． ［３］赵斌．生态河堤应用问题研究［Ｊ］．科技致富向导，２０１１， 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