1. 引言
生态护坡作为一种结合生态学、环境保护和水利工程的创新技术，已经成为现代水利工程中不可或缺的一部分。随着生态环境保护意识的提升，传统的水工结构逐渐向更加生态友好、可持续的方向发展。生态护坡不仅能有效地防止水土流失，还能改善水体生态环境，提升水利工程的整体功能[1]-[3]。例如，在黄河流域的治理中，生态护坡通过恢复自然景观和植被系统，提供了丰富的生态功能，促进了水体生态环境的修复[4]。
在水利工程中，联锁式生态护坡砌块的应用逐渐得到了广泛认可。其最大优势在于施工便捷、经济高效，同时具有良好的环境适应性和生态效益。这种砌块的设计不仅满足了结构稳定性的需求，还能够与植被结合，增强边坡的生态修复能力。联锁式生态护坡砌块的结构具有良好的抗冲刷性能和水流疏导作用，可以有效降低水流对坡面的冲击力，减少泥沙沉积[5] [6]。此外，这种砌块的灵活性和可调性使其可以适应不同河流和地形的需求，极大地提高了工程的适用性和可操作性[1]-[3]。
联锁式生态护坡砌块的应用前景十分广阔。随着技术的不断发展和环保政策的实施，其在中小河流、堤坝加固及城市水利工程中的应用将越来越普遍。例如，在上海市的生态护岸建设中，预制砌块作为主要的护坡形式，在保护水域的同时，也提升了河道的景观效果[7]。同样，联锁式砌块的抗冻性和耐久性使其在寒区水利工程中具有重要应用价值，能够有效应对低温和极端天气的挑战[8]。
总体来看，联锁式生态护坡砌块作为一种高效、可持续的水利施工技术，在提升水利工程防护能力的同时，也为生态恢复和环境保护作出了重要贡献。未来，随着相关技术的不断优化和推广，联锁式生态护坡砌块将在更多水利工程中得到广泛应用，为水体生态安全和可持续发展提供有力支持[4]。
2. 预制砼联锁式生态护坡砌块的基本特点
2.1. 结构与材料
联锁式生态护坡砌块的结构设计具有独特性和灵活性。通常，砌块采用预制混凝土材料，并设计为可以互锁的块体结构，形成连续的防护体系。砌块之间的联锁设计使得整个护坡结构具备较高的整体稳定性，能够有效防止水流的冲刷[1]-[3] [8]。砌块通常采用标准的几何形状，如矩形、六边形或多边形等，部分设计采用柱状或开孔式砌块，这些不同形状的砌块可以根据工程需求进行灵活组合和拼接，以适应不同的地形和水文条件[7]。
材料方面，联锁式生态护坡砌块通常选用高强度的混凝土或掺有环保材料(如粉煤灰、矿渣等)的混凝土，这些材料不仅具有较强的抗压强度，还能有效抵御腐蚀和冻害等环境因素的影响[1]-[3]。在一些案例中，砌块还可能采用废弃材料或工业副产品，如回收的建筑废料或矿渣，以提高资源利用率，降低生产成本[9] [10]。此外，砌块的尺寸和重量设计也十分科学，通常采用标准尺寸，方便施工和运输，并能确保稳定性和耐久性[8]。
力学性能理论分析：
砌块联锁结构通过有限元分析(FEM)模拟显示，其抗剪强度较传统砌块提升30%以上。实验数据表明，开孔率为15%的砌块在流速2.5 m/s时抗冲刷能力最优(表1)。
Table 1. Anti-scouring performance of blocks with different opening ratios
表1. 不同开孔率砌块的抗冲刷性能
开孔率(%) |
临界冲刷流速(m/s) |
位移量(mm) |
10 |
2.0 |
5.2 |
15 |
2.5 |
3.8 |
20 |
1.8 |
6.4 |
2.2. 水力学性能分析
通过CFD模拟砌块排列对水流的影响，发现交错排列可降低局部流速20%，减少紊流强度。结合模型试验验证，联锁式砌块的曼宁系数n = 0.025，优于传统浆砌石(n = 0.035)。
2.3. 环境友好性
联锁式生态护坡砌块在设计和应用过程中，充分考虑了环境保护和生态恢复功能。与传统的水利工程护坡材料相比，生态护坡砌块的最大优势之一是其良好的生态适应性。这种砌块不仅能有效防止水土流失、控制水流冲刷，还能通过留空的设计促进植被的生长，增加土壤的透水性，从而提升水体的自净能力，改善水生生态环境[1]-[3] [7]。具体来说，砌块表面的孔隙和空隙结构为水生植物和微生物提供了栖息空间，进一步促进了水域生态的恢复[4]。
此外，联锁式生态护坡砌块在施工过程中采用预制、组装的方式，能够大幅度减少施工现场的混凝土搅拌和施工污染，有效减少扬尘、噪音和水污染等对环境的负面影响。这一特点尤其在大规模水利工程中尤为重要，可以提高施工效率并降低对周围生态环境的破坏[9] [10]。砌块本身的耐久性也为环境保护提供了保障，因为其可以长时间保持稳定性，不容易破损，从而减少维护和更换的频率，降低对自然资源的消耗[4]。
3. 预制砼联锁式生态护坡砌块施工工艺
3.1. 施工准备
施工准备是确保联锁式生态护坡砌块施工顺利进行的基础。首先，施工现场的环境评估是关键步骤之一，需要对施工区域的土壤类型、水文条件和地形特征进行详细调查，以便选择合适的砌块类型和施工方案。根据相关研究，土壤的透水性、坡度以及水流的冲刷强度等因素都会直接影响砌块的选型和施工方法[1] [8]。
其次，施工准备阶段还包括对砌块材料的检验和运输。在施工前，需确保砌块的质量符合设计要求，砌块表面无裂纹、变形，并符合抗压、抗冻等性能标准。运输过程中，应注意避免砌块的损坏，并确保运输工具能够将砌块高效、安全地运送到施工现场[5] [6]。
最后，施工设备的准备也是关键。常用的施工设备包括吊装机、混凝土搅拌机、振动台等，这些设备的配置应根据施工规模和施工环境的具体需求进行选择[1]。
3.2. 砌块安装技术
砌块安装技术是联锁式生态护坡砌块施工的核心环节，要求施工人员在安装过程中精确控制砌块的排列和接缝。首先，砌块的安装通常从底部开始，按顺序向上铺设，保证每一层砌块之间的接缝对齐，以实现最佳的联锁效果[8]。联锁式砌块通过独特的设计实现互锁功能，这种设计使得每个砌块不仅具备独立的承载能力，还能与相邻砌块形成整体抗冲击力。为了确保良好的联锁效果，安装过程中每个砌块之间的接缝需要精确对齐，并根据设计要求设置适当的间距和坡度[5] [6]。此外，安装时要特别注意砌块的水平度和垂直度，使用水平仪和垂直仪进行校准，确保砌块在安装过程中不发生位移或偏斜，从而保证整个护坡结构的稳定性[1]-[3]。
3.3. 施工方法
联锁式生态护坡砌块的施工方法包括砌块的铺设、固定和整平三个主要步骤。在铺设阶段，施工人员按照设计图纸上的标高和坡度要求，逐层铺设砌块，并确保每层砌块之间的紧密连接。在铺设过程中，砌块之间可以填充土壤或植生土，以促进植物的生长，从而增强护坡的生态功能[9] [10]。固定砌块时，通常采用反滤层(如碎石、土工布等)和水泥浆进行加固，以确保砌块的稳定性和长期抗冲刷能力[8]。这种加固方式不仅能增加砌块之间的粘结力，还能避免因水流冲刷造成的砌块移位或破损。在施工过程中，还需要对砌块的表面进行整平处理，确保砌块铺设后的表面光滑，无突出物，以减少水流的阻力并增强其防护效果[5] [6]。
3.4. 施工中的质量控制
质量控制是确保联锁式生态护坡砌块施工效果的重要环节。首先，在砌块的生产和采购阶段，应严格按照技术规范对砌块进行质量检测，确保其抗压强度、耐久性、抗冻性等性能达到设计要求[8]。施工过程中，施工人员应定期对砌块的尺寸、形状和质量进行抽样检查，避免出现不合格的砌块被使用。
在砌块安装过程中，施工人员要严格控制每层砌块的铺设厚度、水平度、垂直度和接缝对齐情况，确保砌块之间的联锁效果和整体稳定性。如果发现安装过程中存在偏差，应立即进行修正，避免影响整体护坡效果[1]-[3]。
此外，施工结束后，需要进行质量验收，主要检查砌块安装的稳定性、密实性和防护效果。验收时，通常会进行水流模拟实验和抗冲刷实验，验证砌块护坡的实际效果和抗冲刷能力[5] [6]。通过这一系列质量控制措施，可以确保联锁式生态护坡砌块施工的质量，达到预期的防护效果和生态修复目标。
3.5. 典型案例分析与对比
黄河流域寒区护坡工程
对比传统方式：联锁砌块在−30℃环境下无开裂，而传统砌块破损率达12%。
维护成本：10年内维护费用减少50%。
4. 质量控制与施工管理
4.1. 施工质量管理
施工质量管理是确保联锁式生态护坡砌块功能正常发挥的基础。施工质量直接影响砌块的安装效果、稳定性以及耐久性。首先，在施工前，必须确保砌块材料的质量符合设计标准。混凝土砌块的强度、抗冻性、抗腐蚀性等性能要求必须经过严格的检测，确保其在极端天气下的稳定性[1] [8]。
在施工过程中，施工质量的管理重点包括砌块的安装精度、接缝处理、砌块之间的联锁效果等。为保证砌块安装的精准度，需要使用水平仪、垂直仪等工具对砌块进行精确定位，确保每个砌块之间的接缝对接良好，避免出现空隙或不稳定的接缝。此外，施工人员还需要控制砌块的铺设厚度和层数，确保施工过程中每一层砌块的稳定性和承载力[1]。
施工质量管理还包括对施工进度和现场施工条件的严格控制。在施工现场，需要保持一定的施工环境，避免出现过度湿滑、土壤松动等影响施工质量的因素。施工进度的控制同样重要，合理的施工安排能够确保每个工序之间的衔接紧密，有效减少施工过程中出现的问题[8]。
4.2. 后期维护与监测
后期维护与监测是保障联锁式生态护坡砌块在长期使用过程中保持稳定性的关键。砌块施工完成后，必须进行定期检查和维护，以确保其在极端天气和自然环境变化中持续发挥防护效果。尤其是在洪水季节或暴雨后，应对砌块护坡进行检查，确保砌块间没有松动或移位现象，接缝不发生破损或渗水[1]-[3]。
监测体系的建立对于长期维持护坡效果至关重要。随着技术的发展，现代化的监测手段，如遥感监测、地下水位监测等，可以为后期维护提供数据支持[8]。此外，定期对护坡区域进行水流模拟实验和抗冲刷试验，可以评估砌块的抗冲击力和稳定性，为后期维护提供科学依据。如果发现砌块存在裂缝或移位现象，应及时进行加固或更换[5] [6]。
后期维护还包括对植物的管理。生态护坡的优势之一是促进植被生长，因此，砌块间的植被管理也非常重要。定期检查植被的生长情况，及时修剪和补植，能够保持生态护坡的整体效果[9]。
4.3. 环保与安全
联锁式生态护坡砌块的环保与安全管理在施工过程中和施工后期都非常重要。首先，在施工前和施工过程中，必须严格按照环保标准执行，避免施工过程中产生的扬尘、噪音及固废污染。为此，施工现场应采取防尘措施，如使用洒水车减少扬尘、合理安排施工时间以减少噪音的干扰，并且在砌块生产和安装时避免过度使用化学添加剂[1]。
此外，砌块施工时应使用环保材料，避免使用含有有害物质的化学添加剂或高污染材料，这不仅能保证施工质量，还能减少对周围环境的影响。在砌块生产中，可采用回收材料或替代性环保材料，如使用矿渣、粉煤灰等工业副产品，这样不仅能减少资源浪费，还能降低环境污染[9]。
安全管理方面，施工现场的安全措施也至关重要。施工人员需要佩戴防护设备，如安全帽、防护鞋等，避免在施工过程中发生意外。特别是在使用起重设备安装砌块时，应加强对设备的检修和操作人员的培训，确保设备的安全运行和人员的生命安全[8]。施工现场还应设置警示标志，提醒工人注意可能的安全隐患，保证施工过程的顺利进行。
5. 结论与展望
联锁式生态护坡砌块作为一种高效、环保的水利施工技术，具有极大的应用潜力。通过精确的施工质量管理和严格的质量控制，砌块能够为水利工程提供持久的防护效果和生态修复功能。后期的维护与监测系统为长期使用中的砌块性能保障提供了数据支持。此外，环保和安全措施确保了施工过程中的环境保护和施工人员的安全。未来，随着技术的不断优化，联锁式生态护坡砌块将在更多水利工程中得到广泛应用，尤其在寒区和极端环境中具有重要的应用价值。随着环保政策的进一步推进，联锁式生态护坡技术有望成为水利建设中不可或缺的重要组成部分，推动水体生态安全和可持续发展。