一种水利生态护坡结构及其运行方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，特别是一种水利工程生态护坡及其运行方法。

背景技术

护坡指的是防止边坡受冲刷，在坡面上所做的各种铺砌和栽植的统称。目前，水土流失作为影响生态环境的一大主要因素，为了防治边坡的水土流失、加强边坡稳固，常采用的方式是建造水利护坡。常采用的水利护坡方式有混凝土、浆砌块石全护坡或者在护坡表面种植草皮。但是这些传统护坡方式存在破坏河道原有生态系统、固土效果不明显，同时不能对雨水等水资源充分利用等缺点。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种水利生态护坡结构及其运行方法，可以改善传统水利护坡现存的问题。该生态护坡结构具有设计合理、供排水系统完整、稳定性高、环境友好、有效避免水土流失，同时兼顾了废旧物再利用的优点。

为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种水利生态护坡结构，包括从下到上依次设置的扶臂式挡土墙、护坡结构、蓄排水设施。

所述扶臂式挡土墙设置于该生态护坡坡脚，由踵板、立壁与若干扶壁构成，相邻所述扶壁间隙堆满有碎石。

所述护坡结构包括在斜坡基层以上由内到外依次设置反滤层、砂砾层、泥土层和绿植层。所述绿植层由若干护坡单元呈矩阵铺设构成，每个护坡单元由混凝土预制块与废旧轮胎组合构成。所述混凝土预制块分为下部四面体结构和外突的上部正四边形结构，所述混凝土预制块中间设有方形大通孔作为方形植生孔。所述混凝土预制块上部正四边形结构在四个角处设有锚固孔。所述混凝土预制块下部四面体结构四周每个面上都开设有四个小通孔，选取左右面上其中一个所述小通孔作为供水孔，其余的孔洞作为排水孔。所述废旧轮胎包裹在上部正四边形结构上，护坡单元进行铺设时，通过锚固杆穿过所述锚固孔与所述废旧轮胎的下侧面固定在坡面上，所述混凝土预制块的下部四面体结构埋在所述泥土层中，所述废旧轮胎包裹的上部四面体结构裸露在斜坡表面。

所述蓄排水设施为位于所述绿植层内设置的坡面埋管、位于斜坡基层内设置的坡内排水主管以及坡顶蓄排水设施，坡面埋管分为供水主管和坡面排水管。

该生态护坡坡顶高程沿河道水流方向逐渐降低，坡度为3％。坡顶蓄排水设施由坡顶集水渠和由所述坡顶集水渠连通的若干个均匀布置的坡顶集水池构成。所述坡顶集水渠断面形状为梯形，所述坡顶集水池的断面形状为矩形。所述坡顶集水渠渠道进水口处设有挡水板b。在靠近所述坡顶集水渠进水口处的斜坡上设有排水渠，所述排水渠出水口处设有所述碎石。在护坡和所述排水渠之间设有一台水泵，在所述水泵上设有引水管，所述引水管的进水口连通河道并设有所述拦污网，出水口设在所述坡顶集水渠进水口处。所述坡顶集水渠与所述排水渠进水口两侧设有导流坎。

所述坡内排水主管设置于斜坡基层内，所述坡内排水主管的排水口穿过所述立壁，设在斜坡靠近河道一侧。所述供水主管上设有供水支管，所述供水支管的管道直径是所述小通孔孔口直径的

所述供水主管与坡顶集水渠、坡顶集水池靠近斜坡一侧的边壁底部相连通，在靠近所述供水主管管道进水口处设有阀门b，在靠近所述供水主管出水口a处设有阀门a。所述坡顶集水渠远离斜坡一侧的边壁底部与坡内排水主管相连通。所述供水主管与所述坡内排水主管的管道进水口处设有拦污网。在靠近所述坡内排水主管进水口处设有阀门c。

优选的，所述坡面排水管与所述供水主管沿坡面从上到下布置在相邻所述护坡单元之间，所述坡面排水管与所述供水主管间隔布置，所述坡面排水管的坡面填埋深度比所述供水主管深。

优选的，所述供水主管的出水口a、所述坡面排水管的出水口b和所述坡内排水主管的排水口顶部和两侧设有圆顶直墙形的保护装置，以防破坏各排水口。

优选的，所述坡内排水主管上设有坡内排水支管，所述坡内排水支管竖直布置，所述坡内排水支管的顶端布置在所述反滤层之下，靠近所述反滤层的位置，所述坡内排水支管管身上均匀布置有若干个所述集水孔，所述坡内排水支管被一层透水土工布包裹，所述坡内排水支管外侧还设有一层砂石滤层。

优选的，所述坡顶集水渠中的水流能够实现自流，自动蓄集到所述坡顶集水池与所述坡顶集水渠中。

优选的，护坡的供排水系统完整，能够应对无论雨水丰富、稀少时的供排水的需求。

一种水利生态护坡结构的运行方法，其特征是，包括：

1)当雨水比较丰富时

(1)首先，坡顶集水池与坡顶集水渠进行蓄水

关闭排水渠进水口处的挡水板a，关闭坡内排水主管进水口处的阀门c，关闭供水主管进水口处的阀门b，打开坡顶集水渠进水口处的挡水板b，水流被导流坎引导至坡顶集水渠中；

坡顶集水渠渠底底面高程顺着河道水流方向逐渐降低，雨水进入到坡顶集水渠中实现水流的自流，顺着坡顶集水渠自流至沿坡顶均匀布置的坡顶集水池中，直至蓄满每个坡顶集水池与坡顶集水渠；

(2)然后，当雨水蓄满坡顶集水池与坡顶集水渠后，坡顶多余的水量需要排出至河道中

关闭坡顶集水渠进水口处的挡水板b，打开排水渠进水口处的挡水板a，引导积聚在坡顶集水渠、排水渠进水口处的雨水通过排水渠排出至河道中；关闭坡顶集水渠进水口处的挡水板b，关闭供水主管进水处的阀门b，打开坡内排水主管进水口处的阀门c，将直接降落在坡顶集水渠的雨水排出至河道中；

必要时，坡面的供水主管也可以分担坡顶一部分的排水压力；降落在坡面多余的雨水，利用埋设在斜坡表面的坡面排水管将其收集起来排出至河道中；渗入到坡内的渗水，利用竖直布置的坡内排水支管将其收集起来排出至河道中；

2)当雨水比较稀少时

坡面护坡植被供水需要利用蓄集在坡顶集水渠和坡顶集水池中的水，当坡顶蓄集的水量满足坡面供水需求时，打开供水主管进水口处的阀门b，关闭供水主管出水口处的阀门a，水流通过供水支管进入到各个方形植生孔中进行供水；

当坡顶蓄集的水量不足时，利用设置在护坡旁的水泵抽取河道中的水流通过引水管输送至坡顶集水渠中，进行坡顶水量的补充。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明坡脚采用扶壁式挡土墙结构，扶壁间隙堆满有碎石，对坡脚起到稳固的作用，提高坡体的抗滑稳定性。当水流从坡上坡内排出时布置的碎石起到抗冲刷的作用，同时保护河道两岸免受河道水流的冲刷。碎石间的空隙也为河道中的动物提供藏身、栖息的场所。

2.本发明采用混凝土预制块，能够使废旧轮胎发挥出利用价值，减少废旧轮胎对环境的破坏。新型混凝土预制块通过在方形植生孔四壁设有若干个孔洞达到植生孔排水的效果，也保证了植生孔内外物质的交换。

混凝土预制块预制时，方形植生孔四周的每个面上的小通孔的数量以及布置方式也可根据斜坡地质条件以及所种植的护坡植被的特性进行自由调整。废旧轮胎包裹混凝土预制块上部正四边形结构构成护坡单元。通过锚固杆穿过锚固孔和废旧轮胎下侧面将混凝土预制块固定在坡面上，同时也将废旧轮胎固定在混凝土预制块上，也对斜坡坡面起到了一定的稳固作用。

通过将混凝土预制块下部结构埋设在坡内既保证了混凝土预制块的稳定性，又能使坡面对混凝土预制块起到保护作用，延长混凝土预制块的使用寿命。废旧轮胎包裹的混凝土预制块上部结构裸露在斜坡表面对斜坡起到保护作用。废旧轮胎上侧面与混凝土预制块上部正四边形结构之间的空隙起到了兜土的作用，减少雨水对植生孔冲刷时的土壤流失，同时也为护坡上的小动物提供栖息、藏身的地方。

3.本发明通过设置坡顶集水渠、坡顶集水池、排水渠、坡面排水管、坡内排水主管、坡内排水支管、供水主管和供水支管形成一整套完整的护坡供排水系统。

通过供水主管设置的供水支管穿过混凝土预制块供水孔伸入到方形植生孔中，提高了供水效率。供水主管与供水支管的埋设深度与供水孔的选择可根据植生孔中所种植的植被根系深度进行调整。

通过坡面埋设若干个管身上均匀布置集水孔的排水管将通过排水孔排出的水以及坡面的渗水收集起来经出水口排出至河道中，减少坡面的水土流失。

通过坡内设置排水主管将坡顶上的集水池与集水渠多余的水量排出至河道中。排水主管上设有若干个管身上均匀布置集水孔的排水支管，坡内排水支管竖直布置，顶部设置在反滤层下侧，靠近反滤层的位置，有利于将坡内渗水收集至排水主管中，经坡内排水主管排出至河道中。

4.本发明通过在坡面排水管和坡内排水支管管身上设有一层透水土工布，使得管身与外部泥土隔离，只允许水进入到管中，防止管身上的集水孔被泥土淤塞失效。坡内排水支管最外层还设有一层砂石滤层，通过设置砂石滤层能够引导坡内渗水通过管身上的集水孔进入到坡内排水支管中，有利于降低坡内孔隙水压力，减少斜坡滑坡的可能性，提高坡的稳定性；同时竖直布置的坡内排水支管对斜坡也起到一定的稳固作用。

5.本发明通过在供水主管进水口、出水口处和坡内排水主管进水口处设置阀门进行坡面水流进出的系统控制。坡面供水时，打开供水主管进水口处的阀门，关闭出水口处的阀门，可以利用坡顶水流与各个供水支管处水流的压差提高对各个植生孔的供水效率。通过在坡内排水主管的排水口处设置拍门装置，可以保证当河道水位上升时使得高程较低的排水口不会被河水倒灌。在坡内排水主管的排水口周围设置保护装置能够为拍门的开启创造空间。在坡面排水管和供水主管出水口周围设置保护装置可以防止露出立壁外的管道被碎石破坏，起到保护管道作用。

6.本发明护坡坡顶具有一定的坡度，能够使得进入到集水渠中的水流实现自流，自动蓄集到沿着坡顶均匀布置的坡顶集水池中。在靠近坡顶集水渠进水口处的斜坡设有排水渠，以保证坡顶的排水能力。斜坡与排水渠之间还设有水泵，当坡顶集水渠与集水池中水量不足时可以抽取河道中的水进行补充。

附图说明

图1是本发明所述一种水利生态护坡结构的局部俯视图；

图2是图1中A-A剖面图以及坡顶结构放大图；

图3是图1中B-B剖面图；

图4是本发明所述扶壁式挡土墙处结构布置的局部立面示意图；

图5是图4中C-C剖面图；

图6是图4中D-D剖面图；

图7是本发明所述混凝土预制块的结构示意图；

图8是本发明所述混凝土预制块的下部四面体结构示意图；

图9是本发明所述护坡单元的结构示意图；

图10是本发明所述护坡单元的结构俯视图；

图11是本发明所述绿植层中埋设有供水管道的局部剖面图；

图12是本发明所述绿植层中埋设有坡面排水管道的局部剖面图；

图13是本发明所述护坡单元与供排水管道的坡面铺设示意图；

图14是本发明所述坡面排水管道与供水管道的空间位置关系示意图；

图15是本发明所述坡面排水管道的断面图；

图16是本发明所述供水支管出水口处断面示意图；

图17是本发明所述坡面排水管道与供水管道的平面位置关系示意图；

图18是本发明所述坡内排水支管的顶端部分结构示意图；

图19是本发明所述坡内排水支管顶端管口处的断面示意图；

其中：1.水泵；2.引水管；3.排水渠；4.导流坎；5.挡水板a；6.挡水板b；7.踵板；8.碎石；9.保护装置；10.排水口；11.拍门；12.立壁；13.出水口a；14.阀门a；15.反滤层；16.砂砾层；17.泥土层；18.绿植层；19.供水主管；20.阀门b；21.坡顶集水渠；22.拦污网；23.阀门c；24.坡内排水主管；25.基层；26.砂石滤层；27.坡内排水支管；28.坡顶集水池；29.扶壁；30.坡面排水管；31.出水口b；32.堵水塞；33.集水孔；34.透水土工布；35.混凝土预制块；36.锚固孔；37.方形植生孔；38.小通孔；39.护坡单元；40.废旧轮胎；41.供水支管；42.锚固杆；43.排水孔；44.供水孔；45.过滤保护网。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述，但不仅限于此。

如图1-19所示，一种水利生态护坡结构，包括从下到上依次设置的扶臂式挡土墙、护坡结构、蓄排水设施。

其中：

1)水泵1，用来当坡顶集水渠21与坡顶集水池28中水量不足并且坡顶没有其他水量可以补充时，将河道中的水流通过引水管2抽取至集水渠21中进行水量的补充。

2)排水渠3，用来当坡顶集水渠21与坡顶集水池28蓄满水量时，排走蓄集在排水渠3和坡顶集水渠21进水口处多余的水量到河道中。

3)导流坎4，用来引导汇集在坡顶集水渠21和排水渠3进水口处的水流进入到坡顶集水渠21中或者排水渠3中。

4)踵板7、立壁12与扶壁29共同构成扶臂式挡土墙对坡脚起到稳固作用，提高坡的抗滑稳定性。

5)碎石8布置充满在相邻扶壁29的间隙，不仅具有增加坡脚压重、提高坡的抗滑稳定性的作用，当水流从坡上坡内排出时起到抗冲刷的作用同时保护河道两岸免受河道水流的冲刷。碎石8间的空隙也为河道中的动物提供藏身、栖息的场所。

6)保护装置9为圆顶直墙形混凝土结构，设置在排水口10、出水口a13和出水口b31的顶部和两侧的位置，起到保护作用，同时对布置在排水口10管口处的拍门11提供开启的空间。

7)拍门11设置在排水口10管口处，用来防止当河道水位上升时高程较低的排水口10被河水倒灌。

8)坡顶集水渠21断面形状为梯形，用于收集降落的雨水和路边积水将水流引导至各个坡顶集水池28中用于坡面植被供水。

9)拦污网22用于防止固体污染物进入到管道中，造成管道的淤塞失效。

10)砂石滤层26用于引导渗入到坡体内的水流进入到坡内排水支管27中，经坡内排水主管24排出至河道中。

11)坡顶集水池28断面形状为矩形，有利于减少储存在集水池中的水的蒸发损失。

12)废旧轮胎40对混凝土预制块35的上部外凸的正四边形结构起到保护作用，同时废旧轮胎40的上胎侧面与混凝土预制块35的上部正四边形结构之间的空隙起到兜土的作用，减少方形植生孔37中的泥土被雨水冲刷造成的流失，也起到为坡面小动物提供栖息、藏身场所的作用。

13)锚固杆42穿过锚固孔36和废旧轮胎40的下胎侧面插入到坡面土体中，将护坡单元39锚固在坡面上，也将废旧轮胎40固定在混凝土预制块35的上部正四边形结构上，同时对坡面起到锚固的作用，提高坡面的稳定性。

14)过滤保护网45设置在供水支管41的出水口处，防止出水口被泥土淤堵。

具体的：

1、扶臂式挡土墙由踵板7、立壁12和若干扶壁29构成，相邻扶壁29之间的间隙堆满有碎石8，不仅具有增加坡脚压重、提高坡的抗滑稳定性的作用，当水流从坡上坡内排出时起到抗冲刷的作用同时保护河道两岸免受河道水流的冲刷。碎石8间的空隙也为河道中的动物提供藏身、栖息的场所。布置在排水渠3出水口处的碎石8对排水渠3中的下泄水流起到缓冲的作用，减少对河道的冲刷破坏。

2、斜坡基层25上由内到外依次设置反滤层15、砂砾层16、泥土层17和绿植层18。绿植层18由若干护坡单元39铺设构成。护坡单元39包括混凝土预制块35与废旧轮胎40两个部分。

混凝土预制块35分为下部四面体结构和外突的上部正四边形结构。混凝土预制块35中间设有方形大通孔作为方形植生孔37，用于种植所需要的护坡植被。混凝土预制块35上部正四边形结构在四个角处都设有锚固孔36。混凝土预制块35下部四面体结构四周每个面上都开设有四个小通孔38，选取左右面上其中一个小通孔38作为供水孔44，其余的孔洞作为排水孔43。混凝土预制块35预制时，下部四面体结构四周每个面上的小通孔38的个数也可根据坡面地质条件、所种植的植被的特性进行灵活调整与选择。

护坡单元39由废旧轮胎40包裹在混凝土预制块35的上部正四边形结构上形成。护坡单元39铺设在坡面时，通过锚固杆42穿过锚固孔36和废旧轮胎40的下胎侧面插入到坡面土体中，将护坡单元39锚固在坡面上，也将废旧轮胎40固定在混凝土预制块35的上部正四边形结构上。混凝土预制块35的下部四面体结构埋在土体中，废旧轮胎40包裹的上部正四面体结构裸露在坡面上。

插入到坡内的锚固杆42对坡体起到锚固的作用，提高坡体的稳定性。废旧轮胎40对混凝土预制块35的上部正四边形结构起到保护作用。同时废旧轮胎40的上胎侧面与混凝土预制块35的上部正四边形结构之间的空隙起到兜土的作用，减少方形植生孔37中的泥土被雨水冲刷造成的流失，也起到为坡面小动物提供栖息、藏身场所的作用。

3、位于绿植层18内设置有坡面埋管，坡面埋管分为供水主管19和坡面排水管30。供水主管19与坡面排水管30沿坡面从上到下布置。供水主管19与坡顶集水渠21相连通，在靠近供水主管19管道进水口处设有阀门b20，在靠近供水主管19出水口a13处设有阀门a14。

在供水主管19上设有供水支管41，供水支管41的管道直径是小通孔38的孔口直径的

坡面排水管30管道进水口处通过堵水塞32进行封闭，出水口b31处不设阀门。坡面排水管30管身上均匀分布有若干个集水孔33，用于收集坡面上的渗水，通过坡面排水管30排出至河道中。坡面排水管30被一层透水土工布34包裹，使得管身与外部泥土隔离，只允许水进入到管中，防止管身上的集水孔33被泥土淤塞失效。坡面排水管30的出水口b31与供水主管19的出水口a13布置时穿出立壁12。坡面排水管30穿出立壁12的部分，管身上不设有集水孔33与透水土工布34。

在出水口a13和出水口b31的顶部和两侧的位置设有保护装置9，保护装置9为圆顶直墙形结构，对露出立壁12外的坡面排水管30和供水主管19起到保护作用。坡面排水管30与供水主管19布置在相邻护坡单元39之间，坡面排水管30与供水主管19间隔布置，坡面排水管30的坡面填埋深度比供水主管19的深。供水主管19的坡面填埋深度以及供水孔44的选择可根据方形植生孔37中所种植的植被根系深度进行自由调整。

供水主管19与坡内排水主管24的管道进水口处设有拦污网22，用于防止固体污染物进入到管道中，造成管道的淤堵失效。在靠近坡内排水主管24进水口处设有阀门c23。斜坡基层25内设有坡内排水主管24，坡内排水主管24的排水口10穿过立壁12，设在斜坡靠近河道一侧。坡内排水主管24的排水口10处设有拍门11，以防止排水口10被河水倒灌。排水口10上侧与左右侧设有保护装置9，为拍门11的开启提供空间。

坡内排水主管24上设有坡内排水支管27，坡内排水支管27竖直布置，顶端布置在反滤层15的下侧，靠近反滤层15的位置。竖直布置的坡内排水支管27对坡体也起到一定的稳固的作用。坡内排水支管27上均匀分布有集水孔33，坡内排水支管27的管身以及管的顶端管口被一层透水土工布34包裹。坡内排水支管27还被一层砂石滤层26包裹，用来引导渗入到坡体内的渗水通过集水孔33进入到坡内排水支管27中，经坡内排水主管24排出至河道中，有利于降低坡体内孔隙水压力，减少滑坡的可能性，增加坡的稳定性。

坡顶顺着河道水流方向逐渐降低，坡度为3％。坡顶每隔30米设有一个坡顶集水池28，均匀布置的坡顶集水池28通过坡顶集水渠21连通起来。坡顶集水渠21的断面形状为梯形，坡顶集水渠21末端连通着坡顶集水池28。坡顶集水池28的断面形状为矩形，可以减少蓄集在坡顶集水池28中的水的蒸发损失。每个坡顶集水池28的边壁高程都等于坡顶集水渠21进水口处的边壁高程，坡顶集水渠21的边壁高程始终等于坡顶集水渠21进水口处的边壁高程。

坡顶集水渠21靠近斜坡一侧的边壁底部与供水主管19相连通，远离斜坡一侧的边壁底部与坡内排水主管24相连通。坡顶集水池28靠近斜坡一侧的边壁底部与供水主管19相连通。在靠近坡顶集水渠21进水口处的斜坡上设有排水渠3。排水渠3出水口处设有碎石8，可以减缓下泄水流对河道的冲刷。

在护坡与排水渠3之间设有水泵1，水泵1通过引水管2将河道中的水输送至坡顶集水渠21中，引水管2进水口处设有拦污网22，引水管2的出水口设在靠近坡顶集水渠21进水口处。坡顶集水渠21与排水渠3进水口两侧设有导流坎4，用以引导水流流向。坡顶集水渠21与排水渠3进水口处分别设有挡水板b6和挡水板a5。

一种水利生态护坡结构的其运行方法：

1)当雨水比较丰富时，大量雨水直接降落在坡顶集水渠21中，还有大量雨水汇集在坡顶集水渠21和排水渠3进水口处。

首先，坡顶集水池28与坡顶集水渠21进行蓄水，储存水量用来当雨水比较稀少时作为坡面供水的水源。关闭排水渠3进水口处的挡水板a5，关闭坡内排水主管24进水口处的阀门c23，关闭供水主管19进水口处的阀门b20，打开坡顶集水渠21进水口处的挡水板b6，水流被导流坎4引导至坡顶集水渠21中。坡顶集水渠21渠底坡度为3％，渠底底面高程顺着河道水流方向逐渐降低，雨水进入到坡顶集水渠21中能够实现水流的自流，雨水顺着坡顶集水渠21自流至沿坡顶均匀布置的坡顶集水池28中，直至蓄满每个坡顶集水池28与坡顶集水渠21。

然后，当雨水蓄满坡顶集水池28与坡顶集水渠21后，坡顶多余的水量需要排出至河道中。关闭坡顶集水渠21进水口处的挡水板b6，打开排水渠3进水口处的挡水板a5，引导积聚在坡顶集水渠21、排水渠3进水口处的雨水通过排水渠3排出至河道中。关闭坡顶集水渠21进水口处的挡水板b6，关闭供水主管19进水处的阀门b20，打开坡内排水主管24进水口处的阀门c23将直接降落在坡顶集水渠21的雨水排出至河道中。必要时，坡面的供水主管19也可以分担坡顶一部分的排水压力。坡面的护坡植被通过降落的雨水直接进行供水，无需再进行管道供水。降落在坡面多余的雨水，利用埋设在斜坡表面的坡面排水管30将其收集起来排出至河道中。渗入到坡内的渗水，利用竖直布置的坡内排水支管27将其收集起来排出至河道中。

2)当雨水比较稀少时，坡面护坡植被供水需要利用蓄集在坡顶集水渠21和坡顶集水池28中的水。

当坡顶蓄集的水量满足坡面供水需求时，打开供水主管19进水口处的阀门b20，关闭供水主管19出水口a13处的阀门a14，水流通过供水支管41进入到各个方形植生孔37中进行供水。当坡顶蓄集的水量不足时，利用设置在护坡旁的水泵1抽取河道中的水流通过引水管2输送至坡顶集水渠21中，进行坡顶水量的补充。

本发明的水利生态护坡具有结构设计合理，供排水系统完整、坡体稳定性高、环境友好、有效避免水土流失，同时兼顾了废旧物再利用的优点。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。