護(hù)岸（坡）工程中柔性結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

秦 明，張志中

(1.上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處，200080，上海；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)管學(xué)院，730070，蘭州）

一、河道治理中的柔性生態(tài)邊坡結(jié)構(gòu)

1.生態(tài)護(hù)坡的概念

河道生態(tài)治理應(yīng)該包括兩方面的含義：首先是水土保持，特別是水位變動(dòng)區(qū)的水土保持；其次是生態(tài)。兩者的高度統(tǒng)一才是真正的生態(tài)治理。其具體內(nèi)涵為：

①在滿足行洪排澇要求的基礎(chǔ)上，保證岸坡的穩(wěn)定，防止水土流失。

②生態(tài)治理后的河道應(yīng)該是一個(gè)開(kāi)放式的系統(tǒng)，是與周?chē)鷳B(tài)系統(tǒng)密切聯(lián)系的、不斷與周?chē)鷳B(tài)系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)交換的。

③生態(tài)治理后形成的是動(dòng)態(tài)平衡的系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的生物之間存在著復(fù)雜的食物鏈，它們互為食物，保持著系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。

④生態(tài)護(hù)坡是動(dòng)力式的系統(tǒng)，它與水流之間是相互作用的，水流對(duì)岸坡有沖刷作用，岸坡對(duì)水流有阻礙作用，岸坡生態(tài)系統(tǒng)是地表水與地下水交換的媒介。

⑤生態(tài)護(hù)坡是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng) (包括自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)生態(tài)系統(tǒng))的一個(gè)子系統(tǒng)，它與其他生態(tài)系統(tǒng)之間是相互協(xié)調(diào)、協(xié)同發(fā)展的，它的生態(tài)功能好壞直接影響其他生態(tài)子系統(tǒng)功能的發(fā)揮，甚至還會(huì)破壞其他生態(tài)系統(tǒng)。

2.新型土工模袋

新型土工模袋護(hù)坡系統(tǒng)將植物生長(zhǎng)基質(zhì)固定在袋體內(nèi)，同時(shí)利用植物根系的“錨固”作用而使護(hù)坡更穩(wěn)定和具有抗沖刷能力，同時(shí)生態(tài)護(hù)坡還具有造價(jià)低、能美化環(huán)境的獨(dú)特效果。

3.新型土工模袋護(hù)坡的設(shè)計(jì)原則

①邊坡必須能夠營(yíng)造一個(gè)適合陸生植物、水陸兩生植物、水生動(dòng)植物生長(zhǎng)的生命環(huán)境。

②邊坡應(yīng)滿足渠道功能和堤防的穩(wěn)定要求，并降低工程造價(jià)。

③盡量減少剛性結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)護(hù)坡在視覺(jué)中的“軟效果”，美化工程環(huán)境。

④進(jìn)行水文分析，確定水位變幅范圍，結(jié)合植物調(diào)查結(jié)果，選擇合適的植物。

⑤盡量采用自然的材料，避免二次環(huán)境污染。

⑥布置時(shí)考慮人們的親水要求。

4.新型土工模袋護(hù)坡的水土保持原理

新型土工模袋具有良好的孔隙度及透水不透土性能，裝入內(nèi)容物（土）后，對(duì)內(nèi)容物的保持性能強(qiáng)，能有效防治降雨濺蝕或水流沖刷造成的水土流失。

5.新型土工模袋護(hù)坡的結(jié)構(gòu)形式

（1）“斜鋪”“平鋪”“疊鋪”

新型土工模袋“斜鋪”“平鋪”“疊鋪”適用于平緩（傾斜角不大于30°）、任意高度的邊坡，如圖1。

（2）“疊碼”和打“丁”疊碼

新型土工模袋“疊碼”適用于稍陡邊坡 （傾斜角在30°以上45°以下）且高度小于3.00 m的邊坡，當(dāng)邊坡高于3.00 m時(shí)，考慮采用“錯(cuò)臺(tái)分級(jí)”的方式，分級(jí)高度不宜大于2.00 m，錯(cuò)臺(tái)寬度不宜小于0.50 m，如圖2。

（3）“加筋”應(yīng)用

“加筋”方式主要用于有較大荷載、回填方量較大、坡度較大、高度較高的回填土坡，如圖3。

當(dāng)加筋土坡較高時(shí)，亦可采用“錯(cuò)臺(tái)分級(jí)”的方式。

（4）覆網(wǎng)錨固

覆網(wǎng)錨固適用于穩(wěn)定的高陡邊坡如圖4。

(4)模型提出一種基于前景理論的TOPSIS排序算法對(duì)應(yīng)急方案進(jìn)行優(yōu)劣排序。該排序方法相對(duì)于傳統(tǒng)TOPSIS方法能有效考慮專家風(fēng)險(xiǎn)偏好；相對(duì)于傳統(tǒng)基于前景理論與TOPSIS的決策方法，其計(jì)算便捷，能有效挖掘決策信息。

6.新型土工模袋護(hù)坡形式的特點(diǎn)

（1）社會(huì)效益顯著

采用新型土工模袋護(hù)坡結(jié)構(gòu)，減少了水泥、鋼材、石頭等材料的使用，初步估計(jì)每公里可減少500～1 500 m3石材的使用量。新型土工模袋這種柔性結(jié)構(gòu)護(hù)坡，由于其永久固土的特性以及與植物根系的友好性，使原本不能綠化的硬質(zhì)護(hù)坡表面恢復(fù)植被，增加了河道邊坡的植被覆蓋率。

（2）投資經(jīng)濟(jì)性好

對(duì)生態(tài)護(hù)坡方案和漿砌塊石護(hù)坡、塊石護(hù)坡、漿砌石方案進(jìn)行投資比較，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式，新型土工模袋護(hù)坡方案可節(jié)約投資15%～55%，而且施工周期大大縮短，生態(tài)效應(yīng)明顯，具有投資少、見(jiàn)效快的特點(diǎn)。

（3）工程的后期維護(hù)

硬質(zhì)護(hù)坡具有一次性投資、維護(hù)少等優(yōu)點(diǎn)，而新型土工模袋護(hù)坡則增加了植物的養(yǎng)護(hù)和后期維護(hù)。新型土工模袋護(hù)坡在植物成活前要進(jìn)行一定的養(yǎng)護(hù)，但植物成活后，植物主要是依靠自然的力量進(jìn)行更新，通常情況下無(wú)須維護(hù)。

二、海洋工程中的柔性結(jié)構(gòu)

目前發(fā)達(dá)國(guó)家水利和海洋、環(huán)境工程中普遍使用土工織物包容體——土工管袋、土工包和土工袋。

1.土工管袋

土工管袋開(kāi)始用于水利和海岸工程是在20世紀(jì)60年代，其最大優(yōu)點(diǎn)是體積大、管狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。當(dāng)前世界上土工管袋采用的直徑大多是1.0～10.0 m，如圖 5。

充填物從管頂按一定間距布置的灌漿口泵入，管袋是透水的，充灌時(shí)水從其外皮排出，而留在其內(nèi)的填料成為密實(shí)、穩(wěn)定的塊體。水利和海岸工程中的填料是砂或含砂較多的砂土，目的是借助水力沖填，得到良好的密實(shí)度。這類填料抗剪強(qiáng)度高，一旦靜置并固結(jié)后，管袋形狀不會(huì)改變。

2.土工包

土工包是大體積包容體，一般體積是100～700m3。充灌作業(yè)是在開(kāi)底駁船上進(jìn)行，封閉后運(yùn)到準(zhǔn)確位置投放。

在水利和海岸工程中，土工包是大體積重力結(jié)構(gòu)部件。一旦放置，要求保持體積和形狀穩(wěn)定，實(shí)際應(yīng)用時(shí)其體積一般限制在400 m3以內(nèi)，為了保持其原有的形狀，投放深度極限為20 m。這類結(jié)構(gòu)多數(shù)用在淺水中，填料是砂或含砂量高的土。

圖3 加筋土坡

圖4 覆網(wǎng)錨固

圖5 高韌聚丙烯土管袋

3.土工袋

土工袋形狀為常見(jiàn)的砂袋，不同于新型土工模袋，它是有機(jī)織布制成，對(duì)植物根系不友好，可看作是各種包容體的前身。但土工袋與其他包容體相比，有兩點(diǎn)明顯的不同：一是可以做成各種形狀，二是可以按要求形狀布放以提高整體穩(wěn)定性和改進(jìn)運(yùn)行條件。目前土工袋體積從0．05 m3到 5 m3不等，可以是枕狀、箱狀或墊狀等。土工袋外皮要求采用合適的抗拉強(qiáng)度和變形較小的材料，以保證長(zhǎng)期不變形。

4.土工管袋、土工包和土工袋的應(yīng)用

土工管袋在水利和海洋工程中可應(yīng)用于防浪堤、污泥固化、脫水等領(lǐng)域，土工包可應(yīng)用于近海防波堤、包裹體堤、人工礁、邊坡垛墩，土工袋可應(yīng)用于防波堤、人工礁、防護(hù)堤壩等。三種包容體——土工管袋、土工包和土工袋作為工程中的柔性結(jié)構(gòu)，可用于水利、海岸和環(huán)境工程。

（1）沙灘修復(fù)

第一條土工管袋防波堤修建于1995年，位于美國(guó)的北卡羅來(lái)納州Bald Head島，該防波堤安裝2天后，颶風(fēng)FRANCIS襲擊北卡羅來(lái)納州海岸，防波堤安然無(wú)恙，如今沙灘自然恢復(fù)，防波堤仍在發(fā)揮著重要作用。

（2）保護(hù)紅樹(shù)林

土工管袋能用來(lái)保護(hù)受侵蝕的紅樹(shù)林，2005年在馬來(lái)西亞丹戎比愛(ài)紅樹(shù)林國(guó)家公園首次用土工管袋來(lái)修復(fù)被侵蝕的紅樹(shù)林。

（3）保護(hù)海岸線

土工管袋防浪堤可以在近海處阻擋高的海浪。建造裸露的土工管袋防浪堤比潛入水中的土工管袋防浪堤在阻擋海浪時(shí)更有效。土工管袋防浪堤還可以阻止在退潮時(shí)沙子被沖刷入海。

（4）堤壩圍堰

在灘涂造地項(xiàng)目中使用管袋是一個(gè)既生態(tài)又環(huán)保的項(xiàng)目，而且效率極高，管袋的安裝和充填施工也非常方便。由于在管袋中充填砂水混合物，避免了大量采集石頭，對(duì)環(huán)境的貢獻(xiàn)極大。

（5）湖泊底泥處理

土工管袋技術(shù)在水利工程中除可用來(lái)修整圍堰外，還可用于湖泊、河道的底泥清理。使用土工管袋構(gòu)筑圍堰，可以大大減少土石方的用量，同時(shí)可以減少占地，把原來(lái)需要處理的底泥和管袋方案結(jié)合后就可以形成圍堰。

5.海洋工程中柔性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

土工織物包容體充填砂或其他類似材料后，成為大體積重力結(jié)構(gòu)。采用砂或類似填料充填是因?yàn)楸怀涮詈蟛焕^續(xù)固結(jié)，結(jié)構(gòu)能保持原有形狀和高度。但用于水利、海岸和環(huán)保工程中，因其長(zhǎng)期連續(xù)暴露，應(yīng)考慮抗紫外線、抗磨和液化等問(wèn)題。

采用土工包在近海處置污染沉積物，其應(yīng)用比傳統(tǒng)的水利和海岸結(jié)構(gòu)工程要復(fù)雜，因?yàn)槠潴w積大、拋投深和填料抗剪強(qiáng)度低，為保證拋投時(shí)的整體性，要求包皮織物和接縫強(qiáng)度更高，且包皮內(nèi)襯材料孔徑小，以防填料漏失。

6.柔性結(jié)構(gòu)技術(shù)的綜合評(píng)價(jià)

對(duì)這種新工藝的研究對(duì)目前國(guó)內(nèi)的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)無(wú)疑是非常有必要的，特別是近年，海洋沙漠化、河流水體污染程度加劇、國(guó)家對(duì)水利投入的力度逐年加大，對(duì)工程的生態(tài)要求越來(lái)越高，迫切需要尋找一種新材料、新工藝，研究這種新型結(jié)構(gòu)和工藝正當(dāng)其時(shí)。

[1]J.Kuwano&J.Koseki(eds)Geotextile containment for hydraulic and environmentalengineering-Lawson-CREN 2006 M illpress,Rotterdam ISBN 90,5966 0477.

[2] Fow ler, J., Bagby, R.M. &Trainer,E.1996.Dewatering sewage sludge w ith geotextile tubes[J].Proc.49th Canadian Geotechnical Conf.,St John’s,Canada：pp.31.

[3] Duke, M.L., Fow ler, J. &Schm idt,M.L.2000.Dredging and dewatering of hazardous impoundment sediment using the dry dredge and geotubes[J],U.S Corp of Engineers,Vicksburg,USA.

[4]Newman,P.,Hodgson,M.&Rosselot,E.2003.The disposal of tailings and minewater sludge using geotextile dewatering techniques[J],Proc. Processing and Disposal of M inerals Industry W astes,Falmouth,UK：pp.10.

[5]汪松年.水邊環(huán)境建設(shè)和建設(shè)水環(huán)境[J].上海水務(wù),2000(1).

[6]顧秋平.生態(tài)護(hù)坡技術(shù)在生態(tài)河道建設(shè)中的應(yīng)用研究 [J].上海水務(wù),2008(4).