一种具有三维特性的生态结构及施工方法
技术领域
本发明涉及河道治理和航道整治技术，更具体地说它是一种具有三维特性的生态结构。本发明还涉及具有三维特性的生态结构的施工方法。更具体地说本发明是一种用于河道治理和航道整治工程中的生态护坡、生态护滩(底)等工程，更具体的说是河道治理和航道整治中一种生态结构及其设计与施工方法。
背景技术
从二十世纪五十年代开始，很多西方国家对破坏河流自然环境的做法进行了反思，都在逐渐将河流进行回归自然的改造。90年代以来，德国、美国、曰本、法国、瑞士、奥地利等国纷纷大规模拆除了以前人工在河床上铺设的硬质材料。其实，拆衬砌的资金投入要比铺衬砌昂贵得多，但这些国家普遍认为，保持河道的自然环境对保护动植物资源、保护水质、防止水资源流失都有极为重要的作用。修建生态河堤，恢复河岸水边植物群落与河畔林，已成为河堤建设在国际上发展的总趋势。
改革开放以来，我国经济发展极其迅猛，但这种发展有很多是以大量消耗不可再生资源为代价取得的。在20世纪90年代之前，我国对河流的使用理念集中在利用和开发，缺乏保护意识，因此河流污染，水环境恶化、水生物死亡及航道堵塞现象时有发生。而近年来，因为未经处理的生活、工业排污和船舶污染再加上工程建设的影响，河流生物多样性受到破坏，珍稀水生动物濒临灭绝。
建设生态文明关乎国人未来的生存环境和质量，生态航道建设关乎流域经济社会的可持续发展，而长江作为中国民族的母亲河，作为发展“长江经济带”的源头，对其进行生态保护是尤为重要的。因此，面对资源约束趋紧，生态系统退化的严峻形势，长江生态航道建设十分必要，生态航道关键技术的研究十分迫切。利用生态航道的相关技术，解决长江水运生态的诸多问题，是本次研究的重要目的之一。
现有河道治理和航道整治工程中所采用的生态结构其垂向尺度和平面尺度相比可以忽略，即可称为二维平面结构，其主要功能表现为单一的守护作用。二维平面结构存在的主要问题就是在水流与河床之间不能形成良好的物质、能量交换通道，边界层空间水环境物质结构单一，因此二维平面结构生态效益差。
因此，现亟需开发一种既能起到传统护坡、护滩(底)结构功能生态效益又好的结构。
发明内容
本发明的第一目的是为了提供一种具有三维特性的生态结构，该结构不仅增加河床糙率减缓了近结构区水流流速及消减波浪波能，起到保沙促淤的作用，同时，较大的透空率为水流与河床之间的物质交换提供了更广的通道，在结构内部及近结构区形成的局部涡流结构为水流与河床之间的物质交换提供了动力，从为底栖生物、植被等提供良好的生活环境，生态效益好，满足河道治理和航道整治工程护坡、护滩(底)功能的需求。
本发明的第二目的是为了提供述的具有三维特性的生态结构的施工方法，操作简便，通过各个水体的交换来达到增加河床、岸坡的抗冲性和保沙(土)性，以及增加近结构附近区域微生物的多样性，生态效益好。
为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：一种具有三维特性的生态结构，其特征在于：多个组成一个单元后使用；包括顶面和侧面；所述顶面设置在所述侧面上端、构成一个开口朝下的中空方体结构；
所述顶面四个方向高低错落；
有通孔结构设置在所述顶面；
有凹槽结构设置在所述侧面的下端面；
所述通孔结构与所述凹槽结构相连通。
在上述技术方案中，所述顶面为一斜面，斜率值为15％～25％；
所述通孔结构设置在顶面中心；所述通孔结构的开口尺度小于所述中空方体结构的中空尺度。
在上述技术方案中，所述侧面包括第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面；所述第一侧面分别与所述第二侧面和第四侧面连接；所述第三侧面分别与所述第二侧面和第四侧面连接。
在上述技术方案中，所述第一侧面与第四侧面的连接处高于所述第一侧面与第二侧面的连接处、且与所述第三侧面与第二侧面的连接处等高；
所述第三侧面与第四侧面的连接处高于所述第三侧面与第二侧面的连接处、且高于所述第一侧面与第四侧面的连接处。
在上述技术方案中，所述凹槽结构包括第一凹槽结构、第二凹槽结构、第三凹槽结构和第四凹槽结构；
所述第一凹槽结构设置在所述第一侧面下端面上；
所述第二凹槽结构设置在所述第二侧面下端面上；
所述第三凹槽结构设置在所述第三侧面下端面上；
所述第四凹槽结构设置在所述第四侧面下端面上。
在上述技术方案中，所述第一凹槽结构与所述第三凹槽结构尺寸相等、且呈对向设置；
所述第二凹槽结构与所述第四凹槽结构尺寸相等、且呈对向设置。
在上述技术方案中，所述通孔结构呈圆形；
所述通孔结构分别与第一凹槽结构、第二凹槽结构、第三凹槽结构和第四凹槽结构相连通。
为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的具有三维特性的生态结构的施工方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：根据具有三维特性的生态结构的特征、采用预制模具整体预制单个具有三维特性的生态结构；
步骤二：将步骤一制得的多个所述具有三维特性的生态结构运至施工现场组合拼接摆放，每四个所述具有三维特性的生态结构组成一个单元；
步骤三：施工现场采用土工材料筋带网按照数个单元连接组成一个施工单元进行吊安。
在上述技术方案中，在步骤一中，预制模具分内模和外模，内模面板开设小孔。
在上述技术方案中，在步骤二中，单元内拼接方式如下：第一侧面与第三侧面对应、第二侧面与第四侧面对应；单元内四个所述中空相通、且每个所述顶面法向方向不同。
本发明具有如下优点：
(1)本发明所述的生态结构能够增加河床或岸坡的糙率减缓水流，起到了很好地保沙(土)的作用，满足了传统护坡、护滩(底)结构功能需求；
(2)本发明在结构内部形成较小的涡流结构、近结构区稍较大的涡流结构，远结构水体、近结构水体和结构内水体三者间通过两个涡流结构可以形成良好的物质、能量交换环境，体现出很好的生态效应；
(3)本发明的三维空间生态结构能够增加河床、岸坡的抗冲性和保沙(土)性，在结构设计上就可以弱化反滤结构设计而增大水体与河床直接接触度，进而不影响水体与河床之间的物质交换，也能够较好地保持工程区域原有的生态环境。
本发明主要利用在结构顶部附近水域形成的紊流来加强结构内部与结构外部之间的水体交换：①通过组合后不同法向方向的顶面构建顶部加糙结构，在结构顶部附近水域形成较大尺度的涡流结构，从而加强结构顶部附近水域与远结构之间的水体交换；②设计的三维透空结构(即顶面1设置在所述侧面2上端、构成一个开口朝下的中空方体结构与通孔结构3和凹槽结构4构成的空间)可以在结构内部形成较小尺度的涡流结构，进而加强结构内部与结构顶部附近水域之间的水体交换；通过各个水体的交换来达到增加河床、岸坡的抗冲性和保沙(土)性，以及增加近结构附近区域微生物的多样性。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明组合使用的结构示意图。
图3为本发明俯视结构示意图。
图4为本发明立面结构示意图。
图中1-顶面,2-侧面,2.1-第一侧面，2.2-第二侧面，2.3-第三侧面，2.4-第四侧面，3-通孔结构,4-凹槽结构，4.1-第一凹槽结构，4.2-第二凹槽结构，4.3-第三凹槽结构，4.4-第四凹槽结构，5-具有三维特性的生态结构，6-单元，7-中空。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：一种具有三维特性的生态结构，多个具有三维特性的生态结构5组成一个单元6后使用；包括顶面1和侧面2；所述顶面1设置在所述侧面2上端，所述顶面1和侧面2构成一个开口朝下的中空方体结构；
所述顶面1四个方向高低错落；
有通孔结构3设置在所述顶面1；
有凹槽结构4设置在所述侧面2的下端面；
所述通孔结构3与所述凹槽结构4相连通(如图1、图3、图4所示)；根据湍流理论设计，通过结构顶面四个方向高低错落来增加结构上部附近区域湍动能从而促进各水体间物质交换；在结构顶部开孔可以起到吸流作用，而水流通过结构侧壁孔形成上升流与结构顶孔吸入的水流交汇产生涡流结构，进而产生物质交换。
进一步地，所述顶面1为一斜面，斜率值为15％～25％；
所述通孔结构3设置在顶面1中心、且开口朝下；所述通孔结构3向下开口的开口尺度小于所述中空方体结构的中空7尺度(如图1、图2、图4所示)。
进一步地，所述侧面2包括第一侧面2.1、第二侧面2.2、第三侧面2.3和第四侧面2.4；所述第一侧面2.1分别与所述第二侧面2.2和第四侧面2.4连接；所述第三侧面2.3分别与所述第二侧面2.2和第四侧面2.4连接；第一侧面2.1与第三侧面2.3呈平行对向设置；所述第二侧面与第四侧面2.4呈平行对向设置(如图1、图3所示)。
进一步地，所述第一侧面2.1与第四侧面2.4的连接处高于所述第一侧面2.1与第二侧面2.2的连接处、且与所述第三侧面2.3与第二侧面2.2的连接处等高；
所述第三侧面2.3与第四侧面2.4的连接处高于所述第三侧面2.3与第二侧面2.2的连接处、且高于所述第一侧面2.1与第四侧面2.4的连接处结构顶面四个方向高低错落来增加结构上部附近区域湍动能从而促进各水体间物质交换(如图1、图4所示)。
进一步地，所述凹槽结构4包括第一凹槽结构4.1、第二凹槽结构4.2、第三凹槽结构4.3和第四凹槽结构4.4；
所述第一凹槽结构4.1设置在所述第一侧面2.1下端面上；
所述第二凹槽结构4.2设置在所述第二侧面2.2下端面上；
所述第三凹槽结构4.3设置在所述第三侧面2.3下端面上；
所述第四凹槽结构4.4设置在所述第四侧面2.4下端面上(如图1、图2、图3、图4所示)。
更进一步地，所述第一凹槽结构4.1与所述第三凹槽结构4.3尺寸相等、且呈对向设置；
所述第二凹槽结构4.2与所述第四凹槽结构4.4尺寸相等、且呈对向设置(如图1、图2、图3、图4所示)。
更进一步地，所述通孔结构3呈圆形；所述通孔结构3分别与第一凹槽结构4.1、第二凹槽结构4.2、第三凹槽结构4.3和第四凹槽结构4.4相连通；在结构顶部开孔可以起到吸流作用，在侧面2开设凹槽结构4，水流通过结构侧壁孔(即凹槽结构4)形成上升流与结构顶孔吸入的水流交汇产生涡流结构，进而产生物质交换(如图1、图2、图3、图4所示)。
参阅附图可知：所述的具有三维特性的生态结构的施工方法，包括如下步骤，
步骤一：根据具有三维特性的生态结构5的特征、采用预制模具整体预制单个具有三维特性的生态结构5；
步骤二：将步骤一制得的多个所述具有三维特性的生态结构5运至施工现场组合拼接摆放，每四个所述具有三维特性的生态结构5组成一个单元6(如图2所示)；
步骤三：施工现场采用土工材料筋带网按照数个单元6连接组成一个施工单元进行吊安。
进一步地，在步骤一中，预制模具分内模和外模，内模面板开设一定数量的小孔，保证中空壁面有一定的粗糙度；其中，小孔的尺寸及个数不限，只需在预制单个所述具有三维特性的生态结构5时，保证所述具有三维特性的生态结构5的中空7壁面有一定的粗糙度，使水流通过中空7壁面时形成不规则的涡流结构，进而产生物质交换。
更进一步地，在步骤二中，单元内拼接方式按照第一侧面2.1与第三侧面2.3对应、第二侧面2.2与第四侧面2.4对应的原则；单元6内四个所述中空方体结构的中空7相通、且每个所述具有三维特性的生态结构5的顶面1法向方向不同，这样在结构上部水域能够很好形成涡流结构消减上部水能(如图2所示)，增加结构的多样性，满足各种河床结构，增加生态效益。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的具有三维特性的生态结构及施工方法与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：
由上表可知，本发明所述的具有三维特性的生态结构及施工方法与现有技术相比，能在水流与河床之间形成良好的物质、能量交换通道，边界层空间水环境物质结构丰富，生态效益好，起到了很好地保沙(土)的作用，满足了传统护坡、护滩(底)结构功能需求。
其它未说明的部分均属于现有技术。
