2.3 河湖多孔混凝土生态岸线构型设计

多孔混凝土材料适宜的孔隙率使之具有类似天然土质岸坡作为河流生态系统植物、微生物栖息繁衍的生境特征，同时其力学性能也能替代普通混凝土、块石等硬化材料，可作为河湖岸线防护的构筑载体。多孔混凝土应用于河湖岸线坡面生境修复（简称“生态护坡”）时具有耐冲刷、耐侵蚀能力，同时植物根系能够贯穿其中，在具有植物生存所需的营养元素的情况下，能够适合植物生长，从而修复河湖水生生态系统。

通常情况下，多孔混凝土材料应用于河湖岸线生态修复时主要有两种形式：一是现浇式多孔混凝土护坡；二是预制构型生态护坡。现浇式多孔混凝土护坡是将多孔混凝土拌和物在规定的时间内运输至河道堤岸，现场浇筑岸坡，现浇式护岸铺装效率高，但受地形、天气影响，坡面的孔隙率较小，缺乏大型植物生存的空间，坡面多孔混凝土浇筑的防护层也不适应坡面基础的局部变形，容易产生凸起或沉降，削弱坡面的稳定性。另外，多孔混凝土主要由无机材料制作，现浇式护坡的生境条件较为贫瘠，短期内难以形成稳定的植物群落，生态效应较差，同时坡面需预留大量的伸缩缝和变形缝时，施工难度大。多孔混凝土预制构型生态护坡将多孔混凝土制备与现场分离，生产过程受天气、地形的影响较小，同时可根据不同植物类型生长需求，通过构型优化，护坡时产生供大型植物栽植空间，同时也可以向空洞内回填一定的营养土，以促进植物生长，快速形成坡面稳定的植物群落，砌块之间互相牵制，避免产生较大位移，同时坡面多孔混凝土砌块防护层能够适应坡面基础局部变形，稳定性较好。

2.3.1 生态岸线护岸构型设计

多孔混凝土材料本身的渗透系数达到1.5～3.0cm/s，透气透水能力较好，兼具类似土壤性能和一定的力学强度。多孔混凝土应用于河湖岸线生态修复时无需专门设置排水通道，减少了土壤的侧压力和静水压力，船行波、风浪、水流携带能量在圆柱体的界面得以大幅衰减，同时多孔混凝土自身孔隙结构也能吸收部分能量，水浪不会穿越透水性直立墙对堤防的土体产生抽拉和淘刷作用。与此同时，由于多孔混凝土材料的无机性特点，作为河道堤岸生境修复基质时缺乏植物生存的营养元素，必须设计优化构型，预留植物生存空间，通过回填种植土，促进植物生长。根据河道生态功能需求，通过构型优化，设计适用于不同类型河湖岸线生态修复的预制构型，探讨多孔混凝土预制砌块的构型及其组合模式，以实现生态堤岸的稳定性和生态效益的最大化。

多孔混凝土预制构型的设计思想体现于砌块的构型简单、稳定，施工容易，孔隙率高，护砌面适合乔、灌、草等多类型植物生长。采用多孔混凝土的孔隙特征和堤岸的水文生态功能需求，优化预制构型，用于河道堤岸的生态防护和植物生存的基质，其基本思想是在有效维护岸坡安全与稳定的前提下，尽可能扩大孔隙空间，填充种植土，促进初期植物生长，同时多孔混凝土自身孔隙的结构特征，保证了全坡面堤岸的透水透气性，克服了采用硬化材料制作的多孔砖结构的植物生存孤岛状态，即形成的生态坡面为全面透水透气的生态防护层。

通过在江苏省、浙江省、上海市、云南省等不同地区河湖岸线修复的工程案例，结合生态修复的多孔性原理，形成了7种多孔混凝土护坡预制构型并应用于实际，即多孔混凝土预制单球组合、多孔混凝土预制球连体砌块、多孔混凝土凹凸连锁具孔矩形砌块、多孔混凝土预制方形组合自嵌式砌块、多孔混凝土鱼巢式砌块、多孔混凝土直立岸线预制扇形块体、多孔混凝土直立岸线连锁砌块，前4种砌块适用于斜坡式护坡的生态防护，鱼巢式砌块适用于水下挡墙鱼类生境的修复，扇形砌块和直立岸线连锁砌块则适用于直立墙堤岸的生态防护。

2.3.2 预制单球组合

多孔混凝土预制球体为单一球体，球体之间串接互相组合时产生的空间最大，填充的种植土量也较大，护坡初期的植物生长效应较好。图2.3（a）所示是单只多孔混凝土预制球的正面图和平面图，图2.3（b）所示是预制成型的多孔混凝土单球。球体直径可以设计为150mm、200mm、250mm、300mm等系列直径，图中的虚线表示串接单球的连接件预留错位通道，连接件在x、y、z三维方向穿出，使球状构件可以在空间任意方向进行组合，同时还起到配筋作用，一定程度上提高了构件整体的抗折强度。需要注意的是，连接件不应同时穿过球状构件的中心位置，应保留一定的偏心距避免其在构件内部的碰撞。

图2.3 多孔混凝土预制单球

（a）多孔混凝土预制单球示意图；（b）预制成型的多孔混凝土单球

制作多孔混凝土球状单元体构件的关键是如何保证其内部的多孔混凝土被充分密实，这对其强度的构成至关重要，因此需设计特殊的成型模具进行多孔混凝土球状单元体构件的制作，预制球制作模具及成型过程如图2.4所示，该模具由三部分构成，即底座、活动套筒和顶帽。整个制作过程可以分为三个步骤：首先将计算好的定量多孔混凝土拌和料放入底座和活动套筒中；然后将顶帽垂直压下充分压实多孔混凝土，同时轻微振动活动套筒和底座，顶帽保持数秒；最后将活动套筒提起，多孔混凝土球和底座一起送入养护室养护。经过这三个步骤，模具中的多孔混凝土会得到充分的密实，其强度也就有了保证，同时这种模具设计也有利于脱模及生产的自动化和流水化。在成型模具上预留三个方向的通道插入钢筋，压实后拔除即可。由于多孔混凝土球长时间暴露在水环境下，多孔混凝土预制单球的连接件需经过防腐处理，如镀锌处理，同时也可以采用耐腐蚀性好、强度高的聚甲醛 （POM）棒锁定，并互相牵制。

图2.4 预制单球成型模具

（a）多孔混凝土预制模具示意图；（b）多孔混凝土预制模具图

1—托盘；2—z向串孔轴；3—x向串孔轴；4—y向串孔轴；5—模体；6—压台；7—料仓；8—操作台

多孔混凝土预制单球平面二维串接，可应用于河湖岸线的斜坡式护坡；多孔混凝土预制单球立体三维串接，可用于水下的生态鱼礁（图2.5）及河湖岸线的挡土墙和拦沙坝（图2.6）等。

图2.5 多孔混凝土预制单球鱼礁组合模式

图2.6 多孔混凝土预制单球应用于拦沙坝

2.3.3 多球连体砌块组合

多孔混凝土预制多球连体砌块既能继承单球球状的结构优点，同时又能减小连接件单球的串接钢筋。多孔混凝土连球体砌块可形成4球、16球等不同数量球体的连体构型。与单个预制球砌块相比，多孔混凝土多球连体砌块具有以下优势：①它是由半球和圆台组成的，既继承了球形的空间优势，同时底部圆台设计又增加了其稳定性；②它的中间部分预留有空洞，适合一些根系粗大的灌木生长，也为一些小生物营造了栖息空间；③它通过自身混凝土的黏结，大大减少了连接件的数目，有着良好的经济性；④它容易密实，有着更好的自身强度保证。但多孔混凝土多球连体砌块也有其不足的地方，它只能在平面内铺设，没有预制单球的立体构造能力，不如球状构件那样安设灵活。多球连体砌块有序铺装于河湖岸线，联合绿色植物可进行河湖斜坡式坡面的生态防护（图2.7）。

图2.7 多孔混凝土联球连体砌块应用于生态护坡（云南省大理市下关波罗江）

图2.8即为多孔混凝土多球（4球）连体砌块结构示意图。它是由上部4个半球体和下部4个圆台组成的，中间用多孔混凝土自然连接且预留了一个圆台形的空洞，圆台孔洞设计形成特有的斜度使拆模非常方便。为施工时方便和增强构件与构件之间的连接，连接件也是必需的，其在多孔混凝土球状单元体构件中同样也起到加筋的作用。多孔混凝土多球连体砌块的制作模具如图2.9所示（4球连体为例）。在4球连体砌块的基础上，可制作16球连体砌块。这套成型模具由上模和下模组成，成型时底板朝下，分层装入多孔混凝土并充分捣实。拆模时将底板朝上即先拆下模，利用圆台和挡棒的坡度脱去下模和上模。

2.3.4 凹凸连锁具孔矩形砌块

凹凸连锁具孔矩形砌块的外形为矩形，四周为凹凸连锁机构的锯齿构型，生态坡面铺装时，外形凸凹部位相互咬合，不需要连接件及预留连接部件。砌块中间预留3个直径为80mm的圆柱形孔洞，为较大植物的生长预留了空间，砌块之间通过锯齿构型互相咬合，相互制约，平面上不产生相对位移，如图2.10（500mm×330mm的连锁砌块示意图及组合模式）所示，并可由此制作系列尺寸的多孔混凝土凹凸连锁具孔矩形砌块。该砌块上下均为平面构型，可应用砌块机配套模具形成工业化生产。

砌块依靠自身的凸凹部位互相牵制，铺装时，要求砌块结合紧密，砌块之间缝隙宽度不大于5mm。砌块铺装遇到护坡边缘时，由砌块的一半予以填充。该砌块适用于斜坡式河岸的生态防护，坡度不大于1∶1。具孔矩形凹凸自嵌式砌块由于铺装于河湖岸坡，将种植土填充于预留孔洞，选用适宜的植物群落，可进行岸线的生态修复和安全防护 （图2.11）。

图2.8 多孔混凝土四联球板构件设计图（直径250mm球连体）（单位：mm）

（a）多孔混凝土4球连体砌块设计图；（b）多孔混凝土4球连体砌块内部配筋示意图

图2.9 多孔混凝土联球连体砌块模具及预制砌块（4球连体）

图2.10 多孔混凝土凹凸连锁具孔矩形砌块（单位：mm）

（a）凹凸连锁具孔矩形砌块设计图；（b）预制成型的凹凸连锁具孔矩形砌块

图2.11 多孔混凝土凹凸连锁具孔矩形砌块生态护坡（金华市金东区八仙溪）

2.3.5 方形组合自嵌式砌块

方形组合自嵌式砌块外形为近似矩形，砌块间通过突出的键体互相咬合，不需连接件，护砌面结构稳定，同时流线型的外观设计保证了生产时易于脱模。砌块连接时自然形成了圆柱形和矩形孔洞，能够适用于水面、水下任何坡位的生态护砌，可为绿色植物提供生存空间，铺设在水面以下时，矩形的孔洞为较大鱼类等水生动物提供栖息繁衍空间。

方形自嵌式砌块外部构型简约，砌块自身并没有孔洞结构特征，块体外部轮廓为梯形，左右对称，上底边设计为半圆槽，下底边预留矩形孔洞，如图2.12所示。生态护坡时两个砌块构成方形，并产生矩形和圆形的孔洞，孔洞内填充种植土，以促进移栽植物生长。

图2.12 多孔混凝土自嵌式预制砌块及其组合模式

（a）自嵌式多孔混凝土预制砌块设计图；（b）预制成型的自嵌式多孔混凝土预制砌块

2.3.6 鱼巢式砌块

多孔混凝土鱼巢式预制砌块预制块由上、下两部分构成，所述预制块上部的外形轮廓为长方体结构，长方体的一对侧面上分别设置有能与另一预制块相互嵌套的键和凹槽，长方体的纵向上设置有上下贯通的孔洞；所述预制块的下部为4根支撑体，分别设置在长方体下表面的四个角处（图2.13）。鱼礁式多孔混凝土预制块设计充分应用了空间几何原理，砌块组合时自然产生供鱼类洄游的通道，完全适合各类型生物的栖息繁衍，实现了河道生态修复与水质改善的完美统一。

图2.13 多孔混凝土鱼巢式预制砌块及其组合模式

（a）多孔混凝土鱼巢式预制砌块单体设计图；（b）多孔混凝土鱼巢式预制砌块组合示意图

1—凸键；2—凹槽；3—中心孔；4—支撑体

该砌块主要针对水下生态护岸生境而设计，适合于岸坡坡度大于1∶1的陡岸护砌。砌块连接时，依靠砌块间的键体互相咬合，横向和竖向均不会发生错位，有效地维护岸坡的安全与稳定，不需要连接件，块体下部的孔隙结构为鱼类提供了生存空间，如图2.13所示。另外，该砌块也可作为水体中生态鱼礁的堆砌体，砌块中可嵌入微生物富集的人工介质，修复水生生态系统，同时起到水质强化净化作用。图2.14所示为浙江省桐乡市两河山港的岸线生态护坡实景图，治理挡墙下部的砌块即为多孔混凝土鱼巢式砌块。

图2.14 桐乡市两河山港的岸线生态护坡

2.3.7 直立岸线预制扇形块体

对于江南水网地区来说，由于城市化的快速发展，河流空间被严重侵占，为增加其行洪、通航能力，其堤岸一般均筑成直立墙形式，并由浆砌块石等硬化方式维护。硬化岸坡切断了水体与陆地间的物质、能量和信息交流，河流自净能力下降，生态系统破损，寻求适宜河道硬化直立墙的生态修复模式具有重要的现实意义。

多孔混凝土直立岸线预制扇形块体是由半圆柱体前冠和倒圆棱柱体自然连接的实心体，前冠中心设有锥形孔，棱柱体设有2个圆柱形孔洞，采用硬质聚氨酯塑料作为连锁件，如图2.15所示。水体直立式岸线的透水性生态铺装所用的多孔混凝土砌块孔隙率高（15%～30%），抗压强度不小于10MPa，上下层砌块之间具有不小于5.5MPa的抗剪强度，再加上使用的硬质POM棒作为连锁机构具有持久、不腐蚀等金属钢筋无可比拟的优势，直径18mm便具有不小于66MPa的抗剪强度，上下层砌块的整体连接稳定性即可有效保证，如图2.16所示。多孔混凝土水体直立式岸线挡墙本身具有完全的透水性，透水系数达到3.0cm/s，在应用于直立式岸线修复时，外侧土壤水通过透水岸线和较大水力梯度由岸边向下部水体渗流，而岸线不需承担直立岸线外侧的水压力，仅需承担岸线静止土壤的静压力，该压力仅相当于同高度静水压力的一半左右。图2.14中描述的浙江省桐乡市两河山港的岸线生态护坡，直立挡墙上部的砌块即为多孔混凝土直立岸线预制扇形块体。

图2.15 多孔混凝土直立岸线预制扇形块体

（a）扇形块体平视图；（b）扇形块体立面图；（c）成型后的扇形块体

1—半圆柱体前冠；2—锥形孔；3—倒圆棱柱体；4—连锁件

图2.16 多孔混凝土直立岸线预制扇形块体组合

2.3.8 直立岸线连锁砌块

多孔混凝土直立岸线连锁砌块是由扇形前冠和圆弧流线凹凸自嵌周边自然结合而成的柱状实心体，其中左侧凹凸自嵌周边和右侧凹凸自嵌周边尺寸形状相匹配，整体上呈类鱼骨形，左右对称；在自嵌式砌块的尾部左右两侧各设置有一个连锁插孔，在自嵌式砌块的中前部设置有锥形孔，连锁插孔和锥形孔均沿深度方向贯穿自嵌式砌块，如图2.17所示。

将多孔混凝土直立岸线连锁砌块逐层铺装在堤岸基础之上，直至达到设计的堤顶高度；同层自嵌式砌块前后交错放置、通过左右侧的凹凸自嵌周边相互牵制，上下层自嵌式砌块压缝铺装、通过连锁插孔对齐，硬质聚甲醛棒插入上下相邻两块自嵌式砌块的对齐连锁插孔中进行连接，硬质聚甲醛棒的长度大于一个自嵌式砌块厚度、小于两个自嵌式砌块厚度；自嵌式砌块的扇形前冠朝向水体侧，锥形孔用作生态鱼礁或用于种植植物。以此砌块构建的直立挡墙式迎水面错落有致，其削浪效应显著，同时也可以作为落水求生的支撑机构。应用于直立挡墙式河湖岸线生态修复时的组合模式如图2.18所示。多孔混凝土直立岸线连锁砌块构建河湖直立式挡墙，其位于浅水区域及水上区域的锥形孔内填充土壤，移栽或种播植物；水下区域的锥形孔用作生态鱼礁。

图2.17 多孔混凝土直立岸线连锁砌块

1—连锁插孔；2—凹凸自嵌周边；3—锥形孔；4—扇形前冠；5—硬质聚甲醛棒

图2.18 多孔混凝土直立岸线连锁砌块铺装方法

（a）连锁砌块铺装平面示意图；（b）连锁砌块铺装剖面示意图