一种减碳、消浪、加固复合型海岸防护结构及建造方法

技术领域

本发明涉及海岸护坡结构技术领域，具体涉及一种将土工格构与能量转换相结合的新型海岸防护结构。

背景技术

在众多海岸边坡类型中，土质边坡最容易受到海水侵蚀。海岸边坡的土质通常包括沙子、泥土和岩石等组成部分，这些材料本身对海水的抵抗力较弱。此外，海岸地区常面临着海浪冲击、潮汐变化和海岸流等自然过程的影响，这些因素会增加土壤的脆弱性。为了应对这种破坏，工程上常采用诸如砌石块、混凝土或钢筋混凝土制品等高强度材料对岸坡进行硬化覆盖，以满足一定程度的岸坡承载力需求，但这种施工方式仅满足工程上的要求，忽略了生态上的要求；另一种工程方法是从生态角度出发，在边坡上种植适应海岸环境的植物，形成一层保护层，以减缓波浪和潮汐的冲击，但这种方法往往无法满足对整个土质边坡的加固需求。在海岸边坡的防护工程中，综合考虑加固和绿色生态是一种较为综合的方案，但也存在着不足，即岸坡生态效果难以保证，尽管绿色生态被考虑进工程施工中来，但在海岸边坡的恶劣环境下，植被的生长和生态系统的恢复将面临海水不断冲击的挑战，极端的海浪、盐蚀等问题可能对植被的存活和生态系统的稳定性造成影响，从而可能导致生态效果难以达到预期。

海岸边坡防护工程旨在实现环境保护与岸坡结构加固的效果。通过采用低碳技术、推动生态保护和修复，可以减少碳排放、提高自然环境的恢复能力，以及通过能量转换的方式进行清洁能源的循环利用，同时保障沿海地区的安全和可持续发展。生态保护是海岸边坡防护中的重要一环。通过引入植被、湿地恢复和海岸生态系统保护，可以增加植物的吸碳能力，提高沿海地区的碳储存能力。同时，生物修复技术也可以帮助提高海岸边坡的稳定性，并促进生态系统的恢复。

因此，海岸边坡防护结构的研究者需要不断寻求新的材料和新的工艺以及新的结构形式，以满足对海岸线保护需求日益增长的挑战。在此情况下，本发明提出一种可将土工格构与能量转换器相结合的海岸防护结构，克服了现有技术的不足，并具有更好的美观性和长期稳定性，可以更好地满足人们对于海岸线保护的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种减碳、消浪、加固复合型海岸防护结构及建造方法，提高临海路段多为土层的海岸护坡的承载力，并合理利用海浪冲击岸坡的特性，通过能量转换装置，将海浪冲击岸坡的部分动能转化为电能，满足节能减排的要求，实现资源的有效利用，达到有效加固岸坡、提高其承载力和海岸消浪能力的效果。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种减碳、消浪、加固复合型海岸防护结构，包括迎水侧为梯型迎水面的海岸护坡本体，所述海岸护坡本体位于海平面以下的竖向迎水侧设有重力式挡土墙，用于加固海岸护坡本体，所述海岸护坡本体的梯型迎水倾斜面上设有水流冲击通道，在所述水流冲击通道上方且位于梯型迎水倾斜面上设有弧形挡浪墙，在所述重力式挡土墙上端至弧形挡浪墙处的梯型迎水倾斜面上铺设有双层固定式“X”型土工格构，用于进一步加固海岸护坡本体和消浪，在所述弧形挡浪墙上端至海岸护坡本体的梯型顶坡面之间的梯型迎水倾斜面上铺设有三层“植-土”分隔式“X”型土工格构，用于进一步加固海岸护坡本体和水土植保持。

进一步的，在所述重力式挡土墙上端至弧形挡浪墙处的梯型迎水倾斜面的土层内部、以及弧形挡浪墙上端至海岸护坡本体的梯型顶坡面之间的梯型迎水倾斜面的土层内部分别水平设置有加固型土工格构，所述加固型土工格构分别与对应位置的双层固定式“X”型土工格构和三层“植-土”分隔式“X”型土工格构相固接。

进一步的，在所述重力式挡土墙上端至水流冲击通道处的梯型迎水倾斜面的土体内嵌入有“X”型凹槽，所述“X”型凹槽的上端与水流冲击通道的进/出水口连通，所述双层固定式“X”型土工格构铺设在“X”型凹槽周围的土体内。

进一步的，所述双层固定式“X”型土工格构上下部设有中间隔板，以分隔形成若干格构空间，所述双层固定式“X”型土工格构的上部格构空间填入土壤和碎石块，并进行表层压实，用于增加土工格构整体重量，双层固定式“X”型土工格构下部的中间隔板插入“X”型凹槽周围的土体内。

进一步的，所述三层“植-土”分隔式“X”型土工格构上下部设有中间隔板，以分隔形成若干格构空间，所述三层“植-土”分隔式“X”型土工格构下部的中间隔板插入弧形挡浪墙上端至海岸护坡本体的梯型顶坡面之间的土体内，三层“植-土”分隔式“X”型土工格构的上部及中空部分填入土壤并栽种草本植物，在三层“植-土”分隔式“X”型土工格构的中空部分内设有网格盖板，用于固定草本植物的位置。

进一步的，在所述“X”型凹槽的交叉处、以及水流冲击通道和弧形挡浪墙内嵌入有水流冲击式的能量转换装置，用于海浪的冲击势能转化为电能，所述能量转换装置通过导线电连接位于海岸护坡本体的梯型顶坡面上的海岸道路照明系统，用于为其供电。

进一步的，所述能量转换装置由水流冲击转轮和发电装置组成，所述水流冲击转轮为若干叶片组成的叶片轮，便于在海浪或回流水的冲击下转动，从而驱动发电装置发电。

进一步的，在所述水流冲击通道的后段设有阻水系统，用于隔开水流冲击通道的末端，形成简易蓄水池，用于储存冲击力最强的前浪。

进一步的，所述阻水系统由栅栏门和电动吊绳装置组成，所述栅栏门为活动升降式结构，便于海浪冲击力将其冲开，并在重力作用下回落拦阻蓄水池内的海水回流，所述电动吊绳装置的输出端连接栅栏门，用于驱动栅栏门吊起使存留在蓄水池内的海水流出，并冲击水流冲击通道内以及“X”型凹槽内的水流冲击转轮使其持续发电，所述能量转换装置电连接电动吊绳装置，用于为其供电。

一种减碳、消浪、加固复合型海岸防护结构的建造方法，该方法包括以下步骤：

步骤一）根据当地实际的水文资料确定设计所用的海水冲击顶点，以及确定该海域的多年平均海平面高度，便于进一步划分加固区、消浪区和保持区，将设计海水冲击顶点处作为弧形挡浪墙的布置位置；

步骤二）将预制钢筋网石笼打入海岸护坡本体的坡底土体中，石笼中装入砌石块并用水泥填补砌石块间的缝隙使其成为整体的重力式挡土墙，砌石块便于在施工地附近取材，钢筋石笼的高度为海岸护坡本体的坡底部至海平面或高于海平面；

步骤三）开挖消浪区土体，将加固型土工格构水平放置在土层中并回填土体，之后根据相应设计图开挖岸坡表层土体形成“X”型凹槽，然后在“X”型凹槽下半区交叉处安装能量转换装置，将发电装置嵌入土体并通过导线与道路照明系统连接，将水流冲击转轮与发电装置连接安装，并作进一步的适配，最后在“X”型凹槽表面浇筑混凝土；

步骤四）将双层固定式“X”型土工格构打入岸坡表面“X”型凹槽的周围土体中，打入深度为设计选用的土工格构所能承受最大承载力的深度，并将水平放置的加固型土工格构末端与双层固定式“X”型土工格构底部通过超声波焊接方式进行结构固定，在双层固定式“X”型土工格构上部覆盖表层土体以及碎石块并进行表面压实；

步骤五）在“X”型凹槽上半区开挖土体并埋入提前预制好的水流冲击通道，并安装好阻水系统和导线，形成一个完整的阻水系统，回填土体并进行压实；

步骤六）在预设的水流冲击顶点处开挖土体，将预制好的混凝土弧形挡浪墙安装好后，回填土体，使墙后凹槽与土体颗粒充分接触增大摩擦力，使弧形挡浪墙固定并具有足够的稳定性；

步骤七）在保持区开挖土体，将加固型土工格构水平放置在土层中并回填土体，将三层“植-土”分隔式“X”型土工格构打入土层并与加固型土工格构焊接固定，之后进行草本植物的区域划分与栽种，最后安装并固定好相应的网格盖板。

本发明的有益效果是:

1.在受到海水侵蚀较为明显的沿海地区以及沿海铺设行车路段的地区（主要为土质岸坡），本海岸防护结构加固区可有效加固岸坡，防止海水侵入坡底土体内部。

2.本海岸防护结构所划分“加固-消浪-保持”三个分区，各分区功能具备，作用明显，可以更好的组织结构空间，提高岸坡整体结构的利用率。

3.消浪区结构的消浪效果可减少海水对岸坡的冲击作用，“X”型凹槽在有效防止海水与岸坡土体接触外，还作为海水引流槽，将冲击岸坡以及退浪时的海水导引经过能量转换器，为能量转换装置提供更大的冲击力。

4.消浪区中的水流冲击通道倾斜布置，使冲击岸坡的海水更易涌入和涌出通道，使经过能量转换装置的水流流速更快，进而使得能量转换装置的转换效率更高。

5.阻水系统具有有效留住冲击力最强的前浪的能力，以供退浪后的能量转换装置持续运作。

6.本海岸防护结构消浪区的能量转换系统可将海水冲击动能转换为电能给道路照明装置供电，使资源有效利用，更节能、碳环保。

7.保持区的土工格构被设计用于应对当海水冲击的高度超过设计水流冲击顶点时的情况，格构具有一定的消浪缓冲作用，并能够有效地固定土体，在土工格构内进行草本植物的栽种可以利用植物的根系来进一步固定土壤颗粒，从而发挥水土保持的作用。

附图说明

图1为本发明结构的侧视图；

图2为本发明结构的主视图；

图3为本发明能量转换系统布置图；

图4为本发明双层固定式“X”型土工格构立体图；

图5为本发明三层“植-土”分隔式“X”型土工格构立体图；

图6为本发明的水流冲击转轮结构示意图。

图中标号说明：1、砌石块挡土墙；2、双层固定式“X”型土工格构；3、加固型土工格构；4、水流冲击通道；5、水流冲击转轮；6、栅栏门；7、弧形挡浪墙；8、三层“植-土”分隔式“X”型土工格构；9、“X”型凹槽；10、导线；11、电动吊绳装置；12、道路照明系统；13、碎石块；14、网格盖板；15、草本植物。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

如图1和图2所示，一种减碳、消浪、加固复合型海岸防护结构，包括迎水侧为梯型迎水面的海岸护坡本体，所述海岸护坡本体位于海平面以下的竖向迎水侧设有重力式挡土墙1，用于加固海岸护坡本体，抵挡海水侵蚀，在本实施例中，重力式挡土墙1用砌石块13堆砌形成，所述海岸护坡本体的梯型迎水倾斜面上设有水流冲击通道4，水流冲击通道4为圆弧形冲击管道，通过混凝土浇筑形成，也可进行预制，在海水冲击海岸护坡本体时，引导水流进入水流冲击通道4可减少海水直接对岸坡土壤的侵蚀和冲刷，水流涌入水流冲击通道4内，水流冲击通道4的设计使得水流产生适度的阻力和扩散效果，从而减少了海水对岸坡的冲击力，这有助于保护岸坡免受剧烈的水动力冲击，冲击通道能够缓冲和分散水流的力量，减少对岸坡上部挡土墙的冲击破坏，延长其使用寿命，在本实施例中，水流冲击通道4倾斜布置，使冲击岸坡的海水更易涌入和涌出水流冲击通道4，在所述水流冲击通道4上方且位于梯型迎水倾斜面上设有弧形挡浪墙7，墙身采用半圆弧型结构，在海水冲击下，弧形挡浪墙7能够将冲击力转化为回退浪，减轻对岸坡的冲击效应，其次，还能够主动增加后冲击岸坡的海水冲击阻力，有效提升消浪效果的显著性，能够最大程度地加强边坡的稳定性和安全性保护，在所述重力式挡土墙1上端至弧形挡浪墙7处的梯型迎水倾斜面上铺设有双层固定式“X”型土工格构2，用于进一步加固海岸护坡本体和消浪，在所述弧形挡浪墙7上端至海岸护坡本体的梯型顶坡面之间的梯型迎水倾斜面上铺设有三层“植-土”分隔式“X”型土工格构8，用于进一步加固海岸护坡本体和水土植保持。土工格构是一种土工合成材料，材料是用高聚物（如聚丙烯、聚氯乙烯等）经热塑或模压而成，其特点是强度大、蠕变小并适用于各类环境的土壤，土工格构可增大岸坡的抗剪力和摩擦力，本发明的双层固定式“X”型土工格构2和三层“植-土”分隔式“X”型土工格构8结构更加稳定，进一步起到加固岸坡和消浪的作用。

在所述重力式挡土墙1上端至弧形挡浪墙7处的梯型迎水倾斜面的土层内部、以及弧形挡浪墙7上端至海岸护坡本体的梯型顶坡面之间的梯型迎水倾斜面的土层内部分别水平设置有加固型土工格构3，所述加固型土工格构3分别与对应位置的双层固定式“X”型土工格构2和三层“植-土”分隔式“X”型土工格构8相固接，防止被海水长期冲刷导致结构松动。

在所述重力式挡土墙1上端至水流冲击通道4处的梯型迎水倾斜面的土体内嵌入有“X”型凹槽9，“X”型凹槽9嵌入岸坡土体，由混凝土现场浇筑而成，经济快捷，所述“X”型凹槽9的上端与水流冲击通道4的进/出水口连通，所述双层固定式“X”型土工格构2铺设在“X”型凹槽9周围的土体内。

如图4所示，所述双层固定式“X”型土工格构2上下部设有中间隔板，以分隔形成若干格构空间，消浪区是水流冲击的主要区域，选用中间隔板进行密封的土工格构进行铺设可有效隔绝海水与岸坡内部土体的接触，防止海水侵蚀土体，所述双层固定式“X”型土工格构2的上部格构空间填入土壤和碎石块13，并进行表层压实，用于增加土工格构整体重量，双层固定式“X”型土工格构2下部的中间隔板插入“X”型凹槽9周围的土体内，起到加固土体的作用。

如图5所示，所述三层“植-土”分隔式“X”型土工格构8上下部设有中间隔板，以分隔形成若干格构空间，所述三层“植-土”分隔式“X”型土工格构8下部的中间隔板插入弧形挡浪墙7上端至海岸护坡本体的梯型顶坡面之间的土体内，三层“植-土”分隔式“X”型土工格构8的上部及中空部分填入土壤并栽种草本植物15，草本植物15的选用应符合当地实际的气候条件以及植物的实际生长环境，以生长范围广、耐盐碱性强的植物为主进行栽种，能够进一步加固岸坡土体，又能够通过植物的根系吸收水分，保持水土，防止海水侵蚀土体，在三层“植-土”分隔式“X”型土工格构8的中空部分内设有网格盖板14，用于固定草本植物15的位置，防止其被冲击到保持区的水流带走，这种三层“植-土”分隔式“X”型土工格构8不仅能够加固岸坡，提升其稳定性，还能起到美观的装饰作用，此外，还能够有效划分不同区域，为植物的有序栽种提供便利。

上述各结构可将本复合型海岸防护结构，分为三个功能区：加固区、消浪区、保持区；加固区是位于海岸护坡本体底部至海平面间由重力式挡土墙1组成的区域，消浪区是位于重力式挡土墙1至弧形挡浪墙7间由双层固定式“X”型土工格构2、“X”型凹槽9和水流冲击通道4组成的区域，保持区是位于弧形挡浪墙7上部至海岸护坡本体的梯型顶坡面之间由三层“植-土”分隔式“X”型土工格构8和草本植物15组成的区域。

在所述“X”型凹槽9的交叉处、以及水流冲击通道4和弧形挡浪墙7内嵌入有水流冲击式的能量转换装置，用于海浪的冲击势能转化为电能，所述能量转换装置通过导线10电连接位于海岸护坡本体的梯型顶坡面上的海岸道路照明系统12，用于为其供电，在具体实施时，海岸道路照明系统12还可以加装太阳能电池板，与本申请的能量转换装置在晴天和阴雨风浪天相辅相成，提高海岸道路照明系统12的供电稳定性。

所述能量转换装置由水流冲击转轮5和发电装置组成，如图6所示，所述水流冲击转轮5为若干叶片组成的叶片轮，便于在海浪或回流水的冲击下转动，从而驱动发电装置发电，发电装置可以直接采用发电机，用水流冲击转轮5带动发电机转动发电。

在所述水流冲击通道4的后段设有阻水系统，用于隔开水流冲击通道4的末端，形成简易蓄水池，用于分散冲击强度很大的波浪作用力并储存冲击力最强的前浪。

如图3所示，所述阻水系统由栅栏门6和电动吊绳装置11组成，所述栅栏门6为活动升降式结构，便于海浪冲击力将其冲开，并在重力作用下回落拦阻蓄水池内的海水回流，所述电动吊绳装置11的输出端连接栅栏门6，用于驱动栅栏门6吊起使存留在蓄水池内的海水流出，并冲击水流冲击通道4内以及“X”型凹槽9内的水流冲击转轮5使其持续发电，栅栏门6由电动吊绳装置11吊起可以不用完全升起，升起高度可以设置为垂直通道高度的三分之一，所述能量转换装置电连接电动吊绳装置11，用于为其供电。具体工作时，当海浪冲击和退回时，流过水流冲击转轮5，水流冲击转轮5直接或间接驱动发电装置产生和储存电能，这些储存的电能通过能量转换系统传输至电动吊绳装置11，电动吊绳装置11带动栅栏门6升起，同时储存的海水流出，流出的水通过水流冲击通道4，为通道下方的能量转换装置提供持续的水流冲击动能，用于持续发电。

一种减碳、消浪、加固复合型海岸防护结构的建造方法，该方法包括以下步骤：

步骤一）根据当地实际的水文资料确定设计所用的海水冲击顶点，以及确定该海域的多年平均海平面高度，便于进一步划分加固区、消浪区和保持区，将设计海水冲击顶点处作为弧形挡浪墙7的布置位置，施工前先进行岸坡坡面处理，清理岸坡表面碎石块13等覆盖物以及坡底处的垃圾碎石等堆积物，平整岸坡坡面，以便于之后施工工作的开展；

步骤二）使用打桩机和起吊机将预制钢筋网石笼打入海岸护坡本体的坡底土体中，其中，钢筋石笼中装入砌石块并用水泥填补砌石块间的缝隙使其成为整体的重力式挡土墙1，如果施工现场上有大量碎石块13可供使用，可以就近取材，之后进行水泥注浆，将钢筋石笼牢固地固定在岸坡坡底，防止岸坡土层滑动，并隔绝海水对岸坡底部土层的侵蚀，钢筋石笼的高度为海岸护坡本体的坡底部至海平面或高于海平面；

步骤三）开挖消浪区土体，在重力式挡土墙1上方开挖土层，从底部开始向上进行人工边坡的施工，将加固型土工格构3水平放置在土层中并回填土体，之后根据相应设计图开挖岸坡表层土体形成“X”型凹槽9，然后在“X”型凹槽9下半区交叉处安装能量转换装置，将发电装置嵌入土体并通过导线10与道路照明系统12连接，能量转换装置与道路照明系统12的导线10可提前埋置在土层中，将水流冲击转轮5与发电装置连接安装，并作进一步的适配，最后在“X”型凹槽9表面浇筑混凝土；

步骤四）将提前预装配好的双层固定式“X”型土工格构2打入岸坡表面“X”型凹槽9的周围土体中，打入深度为设计选用的土工格构所能承受最大承载力的深度，并将水平放置的加固型土工格构3末端与双层固定式“X”型土工格构2底部通过超声波焊接方式进行结构固定，在双层固定式“X”型土工格构2上部覆盖表层土体以及碎石块13（也可填充其它建筑垃圾）并进行表面压实，用于增加土工格构整体重量，防止在风力级别较高的情况下，风将土工格构掀起并造成破坏，同时，它也能够抵御长期海水对岸坡的冲击，防止格构上部结构的破坏；

步骤五）在“X”型凹槽9上半区开挖土体并埋入提前预制好的水流冲击通道4，并安装好阻水系统和导线10，形成一个完整的阻水系统，回填土体并进行压实；

步骤六）在预设的水流冲击顶点处开挖土体，将预制好的混凝土弧形挡浪墙7安装好后，回填土体，使墙后凹槽与土体颗粒充分接触增大摩擦力，使弧形挡浪墙7固定并具有足够的稳定性，浇筑形成的弧形角度应根据具体施工场景进行设计，弧度角度应不小于90°，可起到明显的消浪作用；

步骤七）在保持区开挖土体，将加固型土工格构3水平放置在土层中并回填土体，将三层“植-土”分隔式“X”型土工格构8打入土层并与加固型土工格构3超声波焊接固定，确保其打入的深度符合设计选用的土工格构所能承受的最大承载力，之后进行草本植物15的区域划分与栽种，最后安装并固定好相应的网格盖板14，以保护植物并增强整体结构的稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。