CN115151696A - 互锁的生态装甲单元及其在形成海岸屏障中的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有带有至少四个面的多面体结构的海洋基础设施单元；其中所述单元由混凝土形成，并且其中所述单元的至少一个面包括至少一个潮汐池凹陷；所述海洋基础设施单元用于建造海洋基础设施并促进海洋环境中动物群和植物群的生长。
Description
发明背景
海岸屏障(coastal barrier)是低梯度、波浪优势型海岸的最重要的沉积要素或地貌特征。它们发生在世界各地，特别是发生在后缘海岸上，其中海岸地形通常是较平缓的，并且其中沉积物往往更丰富。海岸屏障是由于波浪、潮汐和风的作用由沙、砾石、贝壳和少量有机材料堆积而形成的海岸平行结构。它具有陆上的部分和水下的(岸面)部分，其中第一部分取决于位置，在涨潮期间被永久地或部分地暴露在海平面以上。存在范围为从远离大陆的狭窄岛屿到附接至基岩悬崖和攀爬基岩悬崖的岛屿的大范围的类型。因此，可以通过(i)泻湖、海湾或湿地，或(ii)通过年龄、岩性和/或形式将屏障与毗邻的较旧土地分开/区分。关于海岸屏障的文献主要是特殊类型的屏障：屏障岛(barrier island)。这是由于四个因素的组合：(i)屏障岛是在美国最常见的海岸屏障类型，特别是在大西洋和墨西哥湾岸区；(ii)在过去关于美国西海岸屏障和其他屏障海岸的研究相对较少；(iii)许多关于屏障，并且特别是屏障岛的先驱研究在美国进行；以及(iv)北美地质学院的巨大全球影响。
自20世纪80年代以来，美国国会认识到，联邦政府的某些行动和计划在历史上一直补贴和鼓励对海岸屏障的开发，导致自然资源的损失；对人类生命、健康和财产的威胁；以及每年数百万税款的支出。为了消除联邦开发这些地区的激励措施，1982年的海岸屏障资源法(Coastal Barrier Resources Act，CBRA)以及随后的修正案将沿着大西洋、墨西哥湾、五大湖、美属维尔京群岛和波多黎各海岸的相对未开发的海岸屏障指定为JohnH.Chafee海岸屏障资源系统(CBRS)的一部分，并且使这些地区没有资格获得大多数新的联邦支出和财政援助。CBRA通过限制鼓励开发的联邦支出诸如联邦洪水保险来鼓励保护易受飓风袭击、生物丰富的海岸屏障。
对于可以方便地运输和互连以便提供强大且生态的海岸基础设施的环境兼容单元存在需求。
发明概述
Coastal star互锁的生态装甲是作为被设计成沿着抛石、护岸和防波堤形成水保持元件(water retaining element)，同时提供海岸线稳定的完全结构的生物增强的混凝土装甲的单元。这些单元创建模仿天然岩石池的明确定义的当地生态系统，增加当地的生物多样性和生物生产力。总共72个单元被安装在加利福尼亚州圣地亚哥港岛沿线的陡坡抛石上。
本发明提供了一种具有至少四个面的混凝土多面体海洋基础设施单元；其中至少一个面包括至少一个池凹陷(pool indentation)，用于促进水生环境中的动物群和植物群生长。
当提及“多面体单元”时，其应当被理解为涉及具有至少四个多边形面、直边和尖角或顶点的任何类型的三维形状。所述单元的多边形面允许其容易地与另一个多面体单元互锁，从而形成海洋基础设施。在一些实施方案中，所述单元还包含在所述多面体结构的至少一个面上的至少一个承载孔，所述承载孔能够允许所述单元被承载(例如用起重机)到其将被放置到的位置。
当提及“水生环境”时，其应当被理解为涵盖任何类型的水体，包括但不限于海洋(包括大洋区、底栖区、潮间区、浅海区、河口、盐沼、珊瑚礁、泻湖和红树沼泽)和淡水(包括静水、激流、湿地和池塘)。该术语涉及所述水生环境的任何深度、在任何温度、在一年中的任何时间或天气条件以及任何流速。
在一些实施方案中，海洋动物群和植物群包括以下中的至少一种：(i)工程物种，诸如珊瑚、牡蛎、龙介虫蠕虫、珊瑚藻和藤壶，它们沉积提高结构的结构复杂性并且产生其他生物体的栖息地的钙质骨架；(ii)滤食性生物体，诸如牡蛎、贻贝、被囊类和海绵动物，它们使用过滤器官进食，同时在该过程中摄取来自水的养份和有机颗粒；(iii)石内/石上蓝绿藻类，并且在某些情况下，当混凝土表面在水平面以上时，还有地衣类、真菌和藓类。
当提及“促进动物群和植物群生长”时，其应当被理解为涵盖在水生环境生态系统中已经生长或者能够在水生环境生态系统中生长的动物群和植物群的稳定性、生长、健康和繁殖的任何定性或定量的促进、提高、增强、加强、强化、支持、募集或支持，所述动物群和植物群定量的促进、提高、增强、加强、强化、支持、募集或支持通过本领域已知的任何参数(个体或物种的数目、生命周期、生长或表面的覆盖率等)可测量。
在一些实施方案中，海洋动物群和植物群的所述促进有助于无机物质在所述结构的表面上的沉积，在1米-10米的深度范围在12个月之后可以达到在约50g/m2至1000g/m2之间的值。同时，在所述结构的表面上叶绿素浓度在1米-10米的深度范围在12个月之后可以达到在约100μg/m2至800μg/m2之间的值。
在另一个方面中，本发明提供了一种包含至少两个如本文上文和下文公开的单元的海洋基础设施，每个单元具有带有至少四个面的多面体结构；其中所述每个单元由混凝土形成，并且其中所述单元的至少一个面包括至少一个池凹陷
术语“海洋建筑基础设施”应当被理解为涵盖任何类型、形状或大小的被定义为适合于海洋建筑的基础设施，包括沿海防御结构，诸如防浪堤、海堤、护岸和丁坝、防水壁、支墩、泊位、海岸屏障、屏障礁和相关基础设施，诸如港口、游船码头、海滨、散步长廊(promanade)等。这样的海洋建筑基础设施的实例包括但不限于加强的海堤、装甲单元、潮汐池、桩、桥基、向海护堤、混凝土沉排、水下电缆和管道套管、系泊单元。
术语“混凝土”指的是通常包含至少一种类型的水泥(诸如例如波特兰水泥或铝酸钙水泥)的混凝土组合物。在一些实施方案中，所述混凝土还包含至少一种骨料(诸如例如石灰石、蓝石)、砂(小于4.75mm的细级骨料和/或小于0mm-2mm的天然或破碎的骨料)和水(饮用水，并且不应包含大于百万分之1000(1000parts per million)的氯化物或硫酸盐，不含有害物质诸如铅、铜、锌(<5ppm)或磷酸盐(<5ppm))。
术语“池凹陷”涉及在本发明的所述多面体单元的至少一个面上形成的相对浅的池凹槽，当所述单元被放置在海洋环境中时，该池凹槽能够接收海水。当所述单元被放置在海岸海洋环境中，诸如被放置在海岸屏障或海堤等等中时，这样的池凹陷可以是存在于“潮间区”(潮差范围内的区域)中的潮汐池，该潮汐池在涨潮时和在风暴期间被海水淹没，并且可能接受来自波浪作用的浪花。潮间区被周期性地暴露于阳光和风，这是可以导致藤壶变得干燥的条件。潮汐池为耐寒生物体诸如海星、贻贝和蛤蜊提供生息地。居民必须能够应对频繁变化的环境：水温、盐度和氧含量的波动。危险包括波浪、强烈的潮流、暴露于正午的阳光和捕食者。波浪可以将贻贝驱逐出海并且将它们拖到海里。海鸥捡起并扔下海胆以将它们砸开。海星捕食贻贝，并且被海鸥自己吃掉。已知黑熊有时在低潮时以潮间带生物为食。尽管潮汐池生物体必须避免被冲走到海洋中，在阳光下晒干或被吃掉，但它们依赖于潮汐池的不断变化的食物。
在另外的实施方案中，本发明提供了促进石内和石上植物群的生长的方法，该方法包括提供包括具有小于12的表面pH的混凝土的基础设施。应当注意，这样的基础设施还可以是地中海生物活性陆生结构(即，水平面以上的生物活性结构)，但是具有足够的湿度和沉淀物以促进陆生植物群的生长，如在天然系统中。
术语“石内和石上植物群”应当被理解为涵盖地衣类、真菌、藓类以及蓝绿藻类。
应当注意，这样的石内和石上植物群可以在具有足够的湿度和沉淀物的陆地环境中生长。在一些实施方案中，本文上文提及的这样的基础设施是被设计成诱导内陆建筑物的快速植物墙覆盖的“生物活性墙”元件。绿色植物覆盖显著地改善城市景观，提供更清洁且更健康的空气，并且降低城市发展的生态足迹。墙基底的物理性质和化学性质强烈地影响其支持和提高生长的能力。在一些实施方案中，这样的生物活性墙结构诱导墙附着植物、石内藻类、地衣类和藓类的自然生长。在一些另外的实施方案中，所述生物活性墙结构具有允许产生支持植物群的潮湿生态位的高复杂性和多孔性，而不需要复杂的土壤系统。
在一些实施方案中，本文上文提及的所述结构是“活岩石”结构，即被放置在单独封闭的海洋环境，诸如例如水族馆(诸如，盐水水族馆)中的根据本发明的结构。这样的活岩石结构赋予封闭的海洋环境由盐水水族馆喜好者所期望的多重益处。本发明的活岩石结构提供寄生处理废物的氮循环所需的厌氧硝化细菌和需氧硝化细菌两者的极佳生物过滤器。因此，所述活石变为盐水水族馆的主要生物硝化基础或生物过滤器。另外，本发明的活岩石结构还可以对水化学，特别是对通过碳酸钙的释放来帮助维持恒定pH具有稳定化作用。此外，活岩石结构是水族馆的装饰元素并且对于居民提供庇护。
应当注意，促进诸如例如硝化菌属和亚硝化单胞菌属的石内和石上厌氧和需氧动物群和植物群的生长。
在一些实施方案中，所述混凝土具有小于约11的pH。在其他实施方案中，所述混凝土具有在约9至约10.5之间的pH。在一些实施方案中，所述混凝土的所述pH是大体上整个混凝土基础设施的pH。在其他实施方案中，所述混凝土的所述pH是大体上所述基础设施的顶表面的pH。在又另外的实施方案中，所述顶表面的厚度是约5cm或更大。
在一些实施方案中，所述水生环境的盐度在约0ppt至45ppt之间(即，盐度可以是0ppt、1ppt、2ppt、3ppt、4ppt、5ppt、10ppt、15ppt、20ppt、25ppt、30ppt、35ppt、40ppt、45ppt)。
动物群和植物群的提高涉及在暴露于足够光线的区域中，即在透光区(最大深度0米-100米)内和在来自海床以及上至浪溅区或支持陆生植物群的生物活性结构以上的区域中的水生环境。
在一些实施方案中，所述基础设施具有带有至少12的粗糙度等级的表面粗糙度。在其他实施方案中，所述基础设施具有至少50微米的RA值。此外，所述基础设施具有带有处于5mm-20mm的RA值的表面纹理。
在一些其他实施方案中，所述混凝土具有在约1100Kg/m3至约2500Kg/m3之间的重量/体积。在又另外的实施方案中，所述混凝土具有在约1100Kg/m3至约1800Kg/m3之间的重量/体积。
在另外的实施方案中，所述混凝土包含在重量上在波特兰水泥重量的0％至约90％之间或完全替代波特兰水泥的添加剂和水泥。
在其他实施方案中，所述混凝土包含微硅粉(microsilica)/硅灰和偏高岭土和铝酸钙水泥中的至少一种。在一些实施方案中，将上文提到的微硅粉和/或偏高岭土和/或铝酸钙水泥添加到混凝土中以替代任何当量重量％的量的波特兰水泥。在一些另外的实施方案中，所述混凝土具有在约30MPa至80MPa之间(即，约30MPa、35MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa、60MPa、65MPa、70MPa、75MPa或80Mpa)的平均抗压强度。(ASTM C 39(AASHTO T 22))。
在一些另外的实施方案中，所述混凝土在7巴的压力下具有在约5mm至50mm之间(即，约5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm)的水压穿透阻力(waterpressure penetration resistance)。(EN 12390-8)。
在其他实施方案中，所述混凝土具有在约500库仑至2000库仑之间(即，约500库仑、600库仑、700库仑、800库仑、900库仑、1000库仑、1100库仑、1200库仑、1300库仑、1400库仑、1500库仑、1600库仑、1700库仑、1800库仑、1900库仑、2000库仑)的抗氯离子渗透性(chloride penetration resistance)。(ASTM c 1202)。
附图简述
被视为本发明的主题在说明书的结论部分中被特别地指出并且被明确地要求保护。然而，当与附图一起阅读时，通过参考以下详细描述，本发明关于组织和操作方法两者与其目的、特征和优点一起可以被最好地理解，在附图中：
图1示出了生态装甲单元，其在圣地亚哥港的抛石区沿线形成水保持特征，同时提供海岸线稳定。
图2示出了本发明的一组生态装甲单元，其创建模仿天然岩石池的明确定义的当地生态系统，增加生物多样性同时提供强大的水动力保护。
图3示出了本发明的生态装甲单元的容易运输。
图4示出了互锁的生态装甲单元内部的生物积聚。
图5示出了在完全被生物生长覆盖的温带水域中在12个月之后的样品单元。
图6示出了本发明的单元在部署4年后与本土海洋生物蓬勃发展。
将理解，为了简单且清楚地说明，在附图中示出的元件不一定按比例绘制。例如，为了清楚，一些元件的尺寸可以相对于其他元件被放大。此外，在认为合适的情况下，附图标记可以在附图中被重复以指示对应的元件或类似的元件。
本发明的详细描述
在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，没有详细地描述熟知的方法、程序和部件，以免使本发明模糊。
通过改善的设计和技术的有弹性的海岸线稳定和生态提升：
Coastal Star装甲可以用于建造提供结构益处和生态益处的防波堤和护岸。在该项目中，元件用于改造现有的抛石，以提供完整的结构和承载区段。为了获得最佳性能，单元从平均高水位(MHW)到平均低水位(MLW)放置，以便促进通过生物体诸如牡蛎、管虫或藤壶对碳酸钙的生物积聚，这加强了结构并增加其稳定性和寿命。通过利用生物过程来保护结构(生物保护)，该技术减少结构维护的量级和频率，这转化为改善的生态稳定性以及更快且更高的ROI。
通过创建和改善近岸和海岸海洋栖息地来支持当地生态系统：
在使用生物增强混凝土和科学驱动的设计诸如提供水保持元件的情况下，互锁的装甲单元增加海洋物种在结构上定居的能力。标准混凝土以及甚至岩石装甲具有低的表面复杂性和密集性质并且不能替代天然岩石海洋栖息地，并且通常对周围环境提供有限的生态价值。互锁的生态装甲单元增加了不存在于装甲的海岸线中的有价值的水保持特征。这些单元通过经由容纳不存在于标准岩石装甲中的一系列不同物种来增加结构沿线的生物多样性和生物生产力而帮助弥补自然潮间带栖息地的损失。
通过意识、访问和参与来促进海湾的教育和管理：
通过提高公众意识并促进对儿童和公民科学家的教育对圣地亚哥湾的管理存在积极影响。这种增强的关系是借助于为当地儿童和成人提供学习实验室和监测课程，以及通过增加的访问来鼓励娱乐活动来提供对自然环境的更好理解而实现的。这些努力导致对海洋栖息地的尊重和圣地亚哥湾的整体状况的可持续增长，并且通过代代相传不断进步。
通过将环境敏感的技术整合到海岸和海洋基础设施的设计和建造中，产品能够利用自然过程进行生态增强并减少结构的生态足迹。与标准的基于波特兰水泥的混凝土相比，生物增强混凝土产品具有减少的碳足迹，这是由于整合副产品和回收的材料的专有的混合物(admix)的组合，以及增强生物过程诸如促进CO2同化的生物钙化和光合作用的独特能力。生物增强的单元上的生物钙化平均每年为每平方米本发明的基础设施储存120g的碳。
每个预制的潮汐池装甲块是4.1”(125cm)高、375加仑(1420升)，以及重量～7500磅。作为项目的第一阶段的一部分，放置72个单元。
材料：潮汐池装甲单元使用专有的混凝土混合物制成，该专有的混凝土混合物增强压缩力、降低氯离子渗透性(chloride permeability)并减少项目的CO2足迹。
图1示出了生态装甲单元，其在圣地亚哥港的抛石区沿线形成水保持特征，同时提供海岸线稳定。该水保持特征容纳不存在于标准岩石装甲中的一系列不同物种。
图2示出了一组生态装甲单元，其创建了模仿天然岩石池的明确定义的当地生态系统，增加生物多样性同时提供强大的水动力保护。明确定义的阶梯状空腔和纹理结合ECOncrete专有的混凝土混合物为本土海洋生物体提供理想的栖息地。
图3示出了如何设计生态装甲单元以用于方便运输和安装。
图4示出了互锁的生态装甲单元内部的生物积聚。
图5示出了在完全被生物生长覆盖的温带水域中在12个月之后的样品单元。
图6示出了本发明的单元在部署4年后与本地海洋生物蓬勃发展。
混凝土单元符合海岸和海洋建筑的严格要求并且允许简单安装，改造了现有海岸线。
虽然已经在本文中图示并描述了本发明的某些特征，但是本领域普通技术人员现在将想到许多修改、替换、变化和等同物。因此，应当理解，由于这样的修改和变化落在本发明的真实精神范围内，因此所附的权利要求意图覆盖所有这样的修改和变化。
Claims (11)
1.一种海洋基础设施单元，具有带有至少四个面的多面体结构；其中所述单元由混凝土形成，并且其中所述单元的至少一个面包括至少一个池凹陷；所述海洋基础设施单元用于建造海洋基础设施并促进海洋环境中动物群和植物群的生长。
2.根据权利要求1所述的海洋基础设施单元，其中所述混凝土具有小于12的pH，用于促进水生环境中动物群和植物群的生长。
3.根据权利要求2所述的海洋基础设施单元，其中所述pH小于约11。
4.根据权利要求2或3所述的海洋基础设施单元，其中所述pH在约9至10.5之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的海洋基础设施单元，其中所述混凝土包含在0％至约90％之间的波特兰水泥。
6.根据前述权利要求中任一项所述的海洋基础设施单元，其中所述混凝土包含微硅粉/硅灰和偏高岭土和/或铝酸钙水泥中的至少一种。
7.根据前述权利要求中任一项所述的海洋基础设施单元，其中所述混凝土具有在约30MPa至80MPa之间的平均抗压强度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的海洋基础设施单元，其中所述混凝土在7巴下呈现在约5mm至50mm之间的水渗透深度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的海洋基础设施单元，其中所述混凝土具有在约500库仑至2000库仑之间的抗氯离子渗透性。
10.根据前述权利要求中任一项所述的海洋基础设施单元，其中海洋动物群和植物群选自工程和栖息地形成物种以及珊瑚和滤食性生物体。
11.一种海洋基础设施，包括至少两个根据权利要求1至11中任一项所述的单元，每个单元具有带有至少四个面的多面体结构；其中所述每个单元由混凝土形成，并且其中所述单元的至少一个面包括至少一个池凹陷。
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