一种二阶生态护坡及其构造方法与流程

本发明属于生态岸坡工程建设领域，更具体地说，涉及一种二阶生态护坡及其构造方法。

背景技术：

传统的城镇河道整治工程中，多采用硬化护坡的形式，但硬质驳岸的环境友好性日渐受到人们的质疑。随着居民生态环保意识的增强，逐渐认识到硬化驳岸对景观、环境和生态均产生了不良的影响，造成了水体与陆地环境的恶化，甚至严重威胁着人们赖以生产、生活的生态环境。因为硬化驳岸将河流水体和岸坡上的土壤隔离开，导致整个河道的环境容量减小，在枯水期时，会导致城市河道黑臭问题发生。在丰水期时，硬化驳岸使河道蓄水的功能大大降低，渗流量小，易造成城市内涝等灾害，无法适应我国按季节呈周期性的规律的降水特点。正如“城镇河道生态护坡技术的研究现状与展望”(汪洋,周明耀,赵瑞龙,徐方.城镇河道生态护坡技术的研究现状与展望[j].中国水土保持科学,2005,(01):88-92.)一文中指出，传统的护坡形式虽然可以发挥出城镇河道的行洪、排涝以及水土保持等功效，却会对环境带来不良影响，容易引起生态退化。

生态护坡不仅具有传统护坡的功能，而且还融入了人文生态等多方面内容，目前已受到广泛关注并实施，如文献“河道生态护坡关键技术及其生态功能”(陈小华,李小平.河道生态护坡关键技术及其生态功能[j].生态学报,2007,(03):1168-1176.)中指出，在河段上选择生态护坡土壤生物工程护坡，经过三年的观察，护坡植物生长良好，新生枝叶和根系的护坡作用明显，土壤抗剪强度明显增加，河岸土壤侵蚀得到有效控制，坡岸的结构稳定性增强；同时河岸生态环境得到改善，本地植物快速恢复，生物多样性增加，河岸植物群落结构由单一结构向复杂结构转变，生态稳定性逐渐增强。

中国专利申请号为201610017678.x，申请公布日为2016年6月1日的专利申请文件公开了一种排水式菱形网格的生态护坡及施工方法，其特征在于将多个预制的菱形网格梁，相邻的菱形网格梁之间固定连接，形成菱形网格状的生态护坡。以及利用预制的网格梁对坡面进行护坡的施工方法。可以批量化生产，并且现场护坡施工方便快速，从而大大提高护坡的施工效率。同时，专门设计有特别的排水沟壑，使护坡更为稳定和牢固。但是这个改造工程量巨大，并且无法利用原有的硬化岸坡。中国专利申请号为201610460106.9，申请公布日为2016年6月21日的专利申请文件公开了一种环保水利护坡砖，由两个横向体与两个竖向体构成的井字形主体，两个横向体与两个竖向体的四个交差点上设置有凸起，两个横向体与两个竖向体的两端分别设置有安装部。利用砖块之间的凹凸关系，可以快速铺装，亦易于改造拆除，灵活。但是在改造已硬化岸坡的工程中，应用这种砖块进行改造，需要拆除整个硬化岸坡，造成资源的浪费以及改造费用过多。中国专利申请号为201510462254.x，申请公布日为2015年7月31日的专利申请文件公开了一种河道堤坝生态护坡结构，包括背面护坡、第一护坡、第二护坡，在坡顶设有堤顶公路，在第一护坡与第二护坡之间还设有健身步道，健身步道位于常水位以上，在第二护坡的坡底设有浆砌石脚槽，在浆砌石脚槽靠近河道的一侧还设有抛石护脚，在河道里种植有水生植物。这种河道堤坝生态护坡结构，在治水理念上体现生态自然，避免渠化河道和过度治理河道。在常水位下采用硬化处理(浆砌石护坡)，在洪水淹没区按防冲不防淹的理念进行生态处理。但是其无具体第一阶硬化护坡和第二阶土壤生态护坡的计算过程说明，导致工程项目的具体设计工作难以实施，且导致整个河道的环境容量减小，在枯水期时，会导致城市河道黑臭问题发生。

技术实现要素：

1.要解决的问题

针对现有硬质驳岸环境不友好性、改造困难，缺乏尺寸设计方法的问题，本发明提供一种二阶生态护坡及其构造方法，该种护坡很好的综合了硬化护岸和生态护岸的优点，枯水期、丰水期均适用，且实现了人与自然的结合，并提供了护坡设计的计算说明。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

首先，在工程改造的前期准备工作中，需要对改造部分的尺寸进行计算，因为污染物量是以水为载体来迁移的，所以渗透量可以用来表示相对于硬化河道增加的环境容量，渗透量利用达西定律来计算。

一种二阶生态护坡，包括堤岸、第一阶硬化工程护坡、第二阶土壤生态护坡，所述的第一阶硬化工程护坡和第二土壤生态护坡之间以人造中间过渡平台连接。

更进一步的，所述的第一阶硬化工程护坡其截面形状为梯形，上底和腰的夹角为50°～70°(在本专利中梯形的上底指的是较长的底)，根据当地地形和最佳过水断面的要求选择合适的夹角。

更进一步的，所述的第一阶硬化工程护坡采用特殊纹路的硬化护坡形式，如菱形砖、正多边形砖等。

更进一步的，所述的人造中间过渡平台宽度为2～3米(依据单通道双向通行的原则)，修建出一个居民休闲娱乐的场所，或者种植一些根系发达且耐涝性强的护坡树木，如柳树等。

一种二阶生态护坡的构造方法，包括以下步骤：

(1)计算第二阶土壤生态护坡的尺寸：

a.确定河道流域的首要污染物及河道深度、长度，调研出地区排放首要污染物的总量；

b.参照国家地表水质量标准gb3838-2002环境中污染物浓度限制，用地区排放首要污染物的总量除以国家地表水质量标准的环境中污染物限制浓度，得出地区首要污染物所需的环境容量的水体体积；

c.利用达西定律q＝kai计算河道水流的渗透量，其中k是渗透系数，与河床土壤性质有关，a过水断面面积，i是水力坡度，水力坡度为上下游水头差与硬化岸坡改造的河段长度的相除值；

d.由步骤b中的地区首要污染物所需的环境容量的水体体积减去步骤c中的河道水流的渗透量，得出河道底部中所需的水体体积，即为第二阶土壤生态护坡体积；

e.由步骤d中第二阶土壤生态护坡体积除以河道长度，可以得出第二阶土壤生态护坡的截面面积；

f.将第二阶土壤生态护坡的断面简化为半圆形，由步骤e中第二阶土壤生态护坡的截面面积得出其半径，即第二阶土壤生态护坡的高度；

(2)确定中间过渡平台的宽度；

(3)计算第一阶硬化工程护坡尺寸：

a.将第一阶硬化工程护坡的截面简化为梯形，并确定上底和腰的夹角，河道的深度减去第二阶土壤生态护坡的高度，得出第一阶硬化工程护坡的高度，即梯形的高；

b.梯形的下底为第二阶土壤生态护坡的高度与中间过渡平台的宽度和的2倍；

c.已知上底和腰的夹角、下底和高，根据梯形几何关系得出两腰的长度；

(4)根据(1)中第二阶土壤生态护坡尺寸挖掘出相应的土方量，并且压实河床上的土壤；

(5)根据(3)中第一阶硬化工程护坡尺寸，建造硬化护坡；

(6)修建中间过渡平台，用透水砖进行铺设硬化；

更进一步的，所述的一种二阶生态护坡的构造方法，可以改造河流两岸的硬化驳岸，此时所述的步骤(4)为切割原有硬化岸坡，在开缝口处打桩，挖掘出相应的土方量，压实河床上的土壤，并且不必进行所述的步骤(5)。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明结合硬化护坡和传统的土壤护坡设计出新型的二阶生态护坡，从生态方向衡量，此新型二阶生态护坡的功效：在枯水期时，河道底部与土壤直接交流，渗透量及河道水体环境容量的增加，避免河道黑臭问题发生，减少水体中环境问题的爆发；在丰水期，新型二阶护坡的第一阶护坡部分是硬化岸坡，有防滑坡作用，河道底部的第二阶部分是自然河床的土壤，一直浸在水中，处于潮湿的状态，相对于干燥的土壤，流向于水中的趋势不明显，产生的底泥量有限，能够适应于我国城市降雨量的季节性变化；

(2)本发明在新型二阶生态护坡中间的平台部分，可以将其设计建造成居民的休闲娱乐的场所，同时也可以设计建造为植物护坡带，种植护坡树木，选择一些根系发达且耐涝性强的树种，既可以涵养水源，又可以固坡，居民可以在人工平台上进行钓鱼，健身，散步等活动，可实现人与自然的结合，第一阶硬化工程护坡，采用特殊纹路的硬化护坡形式，兼具透水和固坡的功能；

(3)本发明可以为河流两岸原有的硬化驳岸改造提供借鉴，利用硬化岸坡的上半部分，只对下半部分进行工程施工，能够有效减少工程施工预算；

(4)本发明的护坡构造方法依据达西定律对尺寸进行计算说明，为护坡设计提供了依据；

(5)本发明结构简单，设计合理，易于构造。

附图说明

图1为本发明二阶生态护坡的整体结构示意图；

图2为本发明二阶生态护坡的断面图。

图中：1、堤岸；2、第一阶硬化工程护坡；3、人造中间过渡平台；4、第二阶土壤生态护坡。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1、图2所示，对原有硬化岸坡改造时，首先确定河道流域的首要污染物及需要硬化岸坡改造的河段长度，根据以往调研数据确定地区首要污染物为总氮，每天的排放总量为1000g，地区治理河段长度为1000m。一般城市河道作为景观用水，灌溉用水，确定河道水质应达到ⅳ类水质，参照国家地表水质量标准gb3838-2002，环境中总氮限制浓度为1.5mg/l，用地区排放首要污染物的总量1000g除以国家地表水质量标准的环境中污染物总氮的限制浓度1.5mg/l，得出地区首要污染物所需的环境容量的水体体积为667m³。

利用达西定律q＝kai来计算出河道水流的渗透量，其中k是渗透系数，粉质黏土：1.2×10^-6～6.0×10^-5cm/s，记5×10^-5cm/s，a是过水断面面积，即枯水期时的过水断面面积为π×r²/2(将河道截面简化为半圆形)，i是水力坡度，水力坡度为上下游水头差和硬化岸坡改造的河段长度的相除值，实际测量值的水头差为0.5m，得出水力坡度为0.005，那么渗透量为q＝(3.39×r²)m³。在得出地区首要污染物所需的环境容量的水体体积和河道水流的渗透量后，可以得出硬化岸坡底部的改造体积为(667-3.39×r²)m³，即河道底部中所需的水体体积，也即第二阶土壤生态护坡体积，在已知需要硬化岸坡改造的河段长度的情况下，可以知道河道底部的截面面积为(667-3.39×r²)/1000m²。将第二阶土壤生态护坡断面简化为半圆形，以半圆形进行计算，在知道其截面面积的情况下，可以利用圆面积公式，最后的等式为(667-3.39×r²)/1000＝(π×r²)/2，利用试算法，计算出其半径为0.2m，即为河床的高度值，同时是硬化岸坡改造的高度0.2m。

在工程实施过程中，为防止在切割时，硬化岸坡下滑，造成危险，需要在机械切开开凿后，打桩以稳定上半部分的硬化岸坡。施工后期，岸坡还是硬化的部分，可以选择不改造。减少工程改造成本和工程难度。如果还没有切断的硬化岸坡，离河床半径为0.2m的半圆形过水断面，还有一段距离，可以进行中间平台的改造，修建一个居民休闲娱乐的场所，或者种植护坡树木，选择一些根系发达且耐涝性强的树种，如柳树等，既可以涵养水源，又可以固坡。

实施例2

在需要整个推掉重建的工程方案中，采用符合水力学最大过水断面要求的方案措施，即用最小的过水段面面积来满足最大的过水流量，要求梯形过水断面是半圆的外切多边形，上底和腰的夹角为60°。重新建设的过程中，确定河道流域的首要污染物及河段长度，根据以往调研数据确定地区首要污染物为总磷，每天的排放总量为300g，地区治理河道长度为1000m。一般城市河道作为景观用水，灌溉用水，确定河道水质应达到ⅳ类水质，参照国家地表水质量标准gb3838-2002，环境中总磷限制浓度为0.3mg/l，用地区每天排放首要污染物的总量300g除以国家地表水质量标准的环境中污染物总磷的限制浓度0.3mg/l，得出地区首要污染物所需的环境容量的水体体积为1,000,000m³。

利用达西定律q＝kai来计算出河道水流的渗透量，其中k是渗透系数，粉质黏土：1.2×10^-6～6×10^-5，记6×10^-5，a为过水断面面积，即枯水期时的过水断面面积为π×r²/2(将河道截面简化为半圆形)，i是水力坡度，水力坡度为上下游水头差和硬化岸坡改造的河段长度的相除值，有实际测量值的水头差为1.5m，得出水力坡度为0.015，那么每天的渗透量为q＝(0.13×r²)m³。

在得出地区首要污染物所需的环境容量的水体体积和河道水流的渗透量后，可以得出河道底部中所需的水体体积为(1000,000-0.13×r²)m³，即第二阶土壤生态护坡的体积，在已知河段长度的情况下，可以知道河道底部的截面面积为(1000,000-0.13×r²)/1000m²。将截面简化为半圆形，以半圆形进行计算，在知道其截面面积的情况下，可以利用圆面积公式，最后的等式为(1000,000-0.13×r²)/1000＝(π×r²)/2，利用试算法，计算出其半径为2.52m，即为河床的高度值，也即第二阶土壤生态护坡的高度2.52m。

在河道中部建设如图2中所示人造中间过渡平台，设计宽度为2m，左右两岸各取2m，可以修建出一个居民休闲娱乐的场所，或者种植护坡树木，选择一些根系发达且耐涝性强的树种，既可以涵养水源，又可以固坡。

将第一阶硬化工程护坡截面简化为梯形，根据如图2所示二阶生态护坡的断面图计算出其下底为2.52×2+2×2＝9.04m。根据横截面最大过水量原则，设计最佳过水断面的要求，上底和腰的夹角为60°，根据梯形的几何关系，下底和腰的夹角为120°，且已知河流的河深10m，减去第二阶土壤生态护坡的高度2.52m，得出第一阶硬化工程护坡的高度，即梯形的高度7.48m，根据梯形的几何关系，梯形截面的上底的尺寸为22m，两腰的尺寸为8.64m。

得出设计尺寸后，先建设第二阶土壤生态护坡，利用挖土机在河流中间挖出相应的土方量，其截面为半径2.52m的半圆形，长度即为所需治理的河道长度，压实河床上的土壤。再修建第一阶硬化工程护坡，同样挖掘出相应的土方量，其截面为梯形，上下底、高的尺寸分别为22m、9.04m、8.64m，长度为1000m。挖掘完毕后铺设菱形砖进行硬化改造，且按原先设计，左右已经预留出两个宽度为2m的人造中间过渡平台，对其进行透水砖的铺设以及绿化种植。

实施例3

在需要整个推掉重建的工程方案中，根据当地岸坡的地形情况，选取上底和腰的夹角为70°。重新建设的过程中，确定河道流域的首要污染物及河段长度，根据以往调研数据确定地区首要污染物为总磷，每天的排放总量为300g，地区治理河道长度为1000m。一般城市河道作为景观用水，灌溉用水，确定河道水质应达到ⅳ类水质，参照国家地表水质量标准gb3838-2002，环境中总磷限制浓度为0.3mg/l，用地区每天排放首要污染物的总量300g除以国家地表水质量标准的环境中污染物总磷的限制浓度0.3mg/l，得出地区首要污染物所需的环境容量的水体体积为1,000,000m³。

利用达西定律q＝kai来计算出河道水流的渗透量，其中k是渗透系数，粉质黏土：1.2×10^-6～6×10^-5，记6×10^-5，a过水断面面积，即枯水期时的过水断面面积为π×r²/2(将河道截面简化为半圆形)，i是水力坡度，水力坡度为上下游水头差和硬化岸坡改造的河段长度的相除值，有实际测量值的水头差为1.5m，得出水力坡度为0.015，那么每天的渗透量为q＝(0.13×r²)m³。

在得出地区首要污染物所需的环境容量的水体体积和河道水流的渗透量后，可以得出河道底部中所需的水体体积为(1000,000-0.13×r²)m³，即第二阶土壤生态护坡的体积，在已知河段长度的情况下，可以知道河道底部的截面面积为(1000,000-0.13×r²)/1000m²。将截面简化为半圆形，以半圆形进行计算，在知道其截面面积的情况下，可以利用圆面积公式，最后的等式为(1000,000-0.13×r²)/1000＝(π×r²)/2，利用试算法，计算出其半径为2.52m，即为河床的高度值，第二阶土壤生态护坡的高度2.52m。

在河道中部建设如图2中所示人造中间过渡平台，设计宽度为3m，左右两岸各取3m，可以修建出一个居民休闲娱乐的场所，或者种植护坡树木，选择一些根系发达且耐涝性强的树种，既可以涵养水源，又可以固坡。

将第一阶硬化工程护坡截面简化为梯形，根据如图2所示二阶生态护坡的断面图计算出下底为2.52×2+3×2＝9.04m。上底和腰的夹角为70°，根据梯形的几何关系，下底和腰的夹角为110°，且已知河流的河深11m，减去第二阶土壤生态护坡的高度为2.52m，得出第一阶硬化工程护坡的高度，即梯形的高度8.48m，梯形截面的上底的尺寸为17.22m，两腰的尺寸为9.02m。

得出设计尺寸后，先建设第二阶土壤生态护坡，利用挖土机在河流中间挖出相应的土方量，其截面为半径2.52m的半圆形，长度即为所需治理的河道长度，压实河床上的土壤。再修建第一阶硬化工程护坡，同样挖掘出相应的土方量，其截面为梯形，上下底、高的尺寸分别为17.22m、9.02m、8.48m，长度为1000m。挖掘完毕后铺设正多边形砖进行硬化改造，且按原先设计，左右已经预留出两个宽度为3m的人造中间过渡平台，对其进行透水砖的铺设以及绿化种植。

实施例4

在需要整个推掉重建的工程方案中，根据当地地形情况，确定上底和腰的夹角为50°。重新建设的过程中，确定河道流域的首要污染物及河段长度，根据以往调研数据确定地区首要污染物为总磷，每天的排放总量为300g，地区治理河道长度为1000m。一般城市河道作为景观用水，灌溉用水，确定河道水质应达到ⅳ类水质，参照国家地表水质量标准gb3838-2002，环境中总磷限制浓度为0.3mg/l，用地区每天排放首要污染物的总量300g除以国家地表水质量标准的环境中污染物总磷的限制浓度0.3mg/l，得出地区首要污染物所需的环境容量的水体体积为1,000,000m³。

利用达西定律q＝kai来计算出河道水流的渗透量，其中k是渗透系数，粉质黏土：1.2×10^-6～6×10^-5，记6×10^-5，a过水断面面积，即枯水期时的过水断面面积为π×r²/2(将河道截面简化为半圆形)，i是水力坡度，水力坡度为上下游水头差和硬化岸坡改造的河段长度的相除值，有实际测量值的水头差为1.5m，得出水力坡度为0.015，那么每天的渗透量为q＝(0.13×r²)m³。

在得出地区首要污染物所需的环境容量的水体体积和河道水流的渗透量后，可以得出河道底部中所需的水体体积为(1000,000-0.13×r²)m³，即第二阶土壤生态护坡的体积，在已知河段长度的情况下，可以知道河道底部的截面面积为(1000,000-0.13×r²)/1000m²。将截面简化为半圆形，以半圆形进行计算，在知道其截面面积的情况下，可以利用圆面积公式，最后的等式为(1000,000-0.13×r²)/1000＝(π×r²)/2，利用试算法，计算出其半径为2.52m，即为河床的高度值，第二阶土壤生态护坡的高度2.52m。

在河道中部建设如图2中所示人造中间过渡平台，设计宽度为3m，左右两岸各取3m，可以修建出一个居民休闲娱乐的场所，或者种植护坡树木，选择一些根系发达且耐涝性强的树种，既可以涵养水源，又可以固坡。

将第一阶硬化工程护坡截面简化为梯形，根据如图2所示二阶生态护坡的断面图计算出下底为2.52×2+3×2＝9.04m。上底和腰的夹角为50°，根据梯形的几何关系，下底和腰的夹角为130°，且已知河流的河深9m，减去第二阶土壤生态护坡的高度为2.52m，得出第一阶硬化工程护坡的高度，即梯形的高度6.48m，梯形截面的上底的尺寸为19.92m，两腰的尺寸为8.46m。

得出设计尺寸后，先建设第二阶土壤生态护坡，利用挖土机在河流中间挖出相应的土方量，其截面为半径2.52m的半圆形，长度即为所需治理的河道长度，压实河床上的土壤。再修建第一阶硬化工程护坡，同样挖掘出相应的土方量，其截面为梯形，上下底、高的尺寸分别为19.92m、9.04m、8.46m，长度为1000m。挖掘完毕后进行硬化改造，且按原先设计，左右已经预留出两个宽度为3m的人造中间过渡平台，对其进行透水砖的铺设以及绿化种植。