土質(zhì)岸坡生態(tài)防治技術(shù)研究

張桂榮，趙 波，饒志剛，肖紅玲

（1.南京水利科學研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京，210024；2.江蘇省常州市航道管理處，江蘇 常州213004）

0 引言

航道岸坡失穩(wěn)、滑坡、坍塌在國內(nèi)外屢見不鮮，這主要是由土體性質(zhì)的復雜性、水流作用下土體易變性和航道岸坡的特殊性所決定的.在傳統(tǒng)的護岸設(shè)計中，往往只片面強調(diào)岸坡的耐久性，一般采取剛性護岸的結(jié)構(gòu)形式，在保持岸坡的穩(wěn)定性、防止水土流失以及保證防洪安全等方面起到了一定的作用，較少考慮護岸與河流生態(tài)之間的關(guān)系.但剛性護岸的結(jié)構(gòu)形式也在不同程度上人為地干攏了自然環(huán)境，對景觀環(huán)境和生態(tài)產(chǎn)生了不良的影響，造成水體與陸地環(huán)境惡化和生態(tài)破壞.

丹金溧漕河整治航道位于江蘇省西南部，是江蘇省干線航道網(wǎng)規(guī)劃“兩縱四橫”中“第一縱”.該航道大部分岸坡常年受船行波的沖刷，兩岸土坡坍塌嚴重，泥沙淤積，淺灘較多；部分航道段落為漿砌片石駁岸，修建年代較早，沖刷侵蝕也很嚴重.航道通航能力受限，無法適應(yīng)航道周邊地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展.如何在滿足內(nèi)河航道航運功能的前提下，實現(xiàn)護岸結(jié)構(gòu)耐久性與生態(tài)性的有機結(jié)合，達到岸坡安全、景觀親水、生態(tài)宜人，并恢復河道自然生態(tài)體系的功能，是目前國內(nèi)外普遍關(guān)注的問題.

1 生態(tài)航道護岸機理及特點

1.1 植被護岸作用分析

在岸坡防護工程中，結(jié)合應(yīng)用植被措施不僅能改善河流廊道棲息地環(huán)境，而且還能提高河道岸坡的抗侵蝕能力和抗滑穩(wěn)定性.

植被的抗侵蝕能力體現(xiàn)在以下3個方面：①截流.地面植物落葉及殘枝腐殖層可以吸收水流能量，減少表層土顆粒的流失；②抑制.植物根系能夠固結(jié)土壤顆粒，同時植被位于地表的部分可過濾地表徑流中的泥沙；③延緩.植物的莖、葉部分可增加岸坡糙率，降低土體表層水流速度和作用于土體顆粒的剪應(yīng)力［1－2］.

植物對航道岸坡的抗滑穩(wěn)定性影響包括水文效應(yīng)和力學效應(yīng)兩個方面.植被根系在坡土中起著類似土釘?shù)淖饔?一般喬灌木植被的根系大都分布在2 m深的邊坡面層內(nèi)，有的發(fā)達草本植被例如香根草的根系也可以達到2 m以上的長度.坡面植被可以幫助邊坡改善坡面以下1.5 m深的水文環(huán)境，一些喬木甚至可以影響到5 m深以下的坡土，這些影響有時產(chǎn)生的吸力超過100 k Pa.有時岸坡土體增加10～15 k Pa的吸力就能防止淺層滑坡.通過適當管理，幫助岸坡維持一個適宜的濕度環(huán)境和水文邊界，利用植被自適應(yīng)控制吸力在岸坡土體中的分布，不啻為一種事半功倍的最便宜的方法.但植被根系的加筋作用比較復雜，很難簡化為一個簡單的力學模型來合理確定相關(guān)參數(shù).

1.2 生態(tài)航道柔性護岸技術(shù)特點

柔性生態(tài)岸坡防護設(shè)計中盡量采用有利于植物生長的多孔透水材料，特別注意采用當?shù)靥烊徊牧?，以保證水、土、氣之間的相互聯(lián)系，保持河流的橫向連通性，并減小發(fā)生生物入侵現(xiàn)象的可能性.利用柔性網(wǎng)絡(luò)及植被根系和枝莖的生態(tài)自適應(yīng)性，形成一體化的變形自適應(yīng)的柔性防護體系，增強岸坡的整體抗剪切、抗膨脹、抗凍融、抗沖刷能力，同時實現(xiàn)環(huán)境的綠化美化.

柔性生態(tài)岸坡防護技術(shù)解決了混凝土不能繁衍花草的難題，既有岸坡在不改變原有功能的基礎(chǔ)上綠化，又能使綠化在保證原有景觀中得到展示和運用，徹底解決了“綠化”和“硬化”的矛盾，實現(xiàn)了工程建設(shè)與環(huán)境保護的有機結(jié)合，取代了河堤、山坡上的水泥和石塊.

2 生態(tài)航道設(shè)計理論和技術(shù)

2.1 適合于航道岸坡的綠色生態(tài)治理理論

2.1.1 構(gòu)建與生態(tài)防護相適應(yīng)的工程結(jié)構(gòu)形式和措施

安全穩(wěn)定是岸坡綠化與生態(tài)防護設(shè)計必須遵循的首要原則.結(jié)合岸坡的立地條件，植被防護與工程加固、防護有機結(jié)合，進行岸坡護岸結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立既穩(wěn)固又有良好生態(tài)效應(yīng)的坡面綜合防護體系.

生態(tài)治理需要著重強調(diào)土質(zhì)岸坡的物理穩(wěn)定性，防治岸坡崩塌影響航道正常運行.在航道岸坡穩(wěn)定分析與判定的基礎(chǔ)上，建立各類工程結(jié)構(gòu)措施，充分考慮因地制宜和融合生態(tài)設(shè)計理念的要求，構(gòu)建與生態(tài)防護相適應(yīng)的工程結(jié)構(gòu)措施.

2.1.2 生態(tài)優(yōu)先

岸坡防護要遵循自然規(guī)律、生態(tài)優(yōu)先的原則.在保證岸坡穩(wěn)定的前提下貫徹生態(tài)優(yōu)先，采用生物措施對坡面生態(tài)進行修復.在岸坡生物措施設(shè)計中，植物選擇必須因地制宜、適地適樹，選擇根系發(fā)達、固土能力強的鄉(xiāng)土物種.物種中間配置充分利用生態(tài)位、種間關(guān)系、生物多樣性、群落演替等的理論，保護、恢復和改善航道岸坡生態(tài)環(huán)境，營造和諧融洽的岸坡生態(tài)系統(tǒng)［3］.

同時，選擇一些耐水淹、根系發(fā)達且對水中污染物有吸附降解作用的小灌木和草本植物，并與周圍環(huán)境相結(jié)合，在護岸固坡的同時形成航道凈化帶.

2.1.3 穩(wěn)定植物群落的選型與建立

岸坡生態(tài)防護設(shè)計不能滿足單一品種的植被綠化，要多品種植物結(jié)合取得綜合綠化的效果.合理選擇植物主景，將喬、灌、草、花合理配置，形成立體復合結(jié)構(gòu).同時，利用植物措施實現(xiàn)固坡工程結(jié)構(gòu)物隱蔽遮蓋，突出植被景觀.

不同植被護岸材料的有效性在很大程度上取決于它們對水位和底土土質(zhì)的適應(yīng)性.可根據(jù)不同水位，結(jié)合當?shù)厍闆r，將河岸帶分為干燥、偶然的洪泛區(qū)、潮濕、季節(jié)性洪泛區(qū)、沿岸水位變動帶和淹沒區(qū)等幾個區(qū)域，在不同區(qū)域選取適合的植物種類.

2.1.4 經(jīng)濟適用

岸坡生態(tài)防護設(shè)計在保證安全穩(wěn)定和生態(tài)的情況下，還需做到經(jīng)濟適用.一般情況下，采取工程與生物相結(jié)合的綜合生態(tài)護岸設(shè)計比單一的工程護岸節(jié)約造價、經(jīng)濟可行.在選擇岸坡生態(tài)防護技術(shù)方案時，要做到因地制宜，技術(shù)措施本土化，加強技術(shù)措施的組合、創(chuàng)新，實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一.

2.2 生態(tài)航道護岸設(shè)計及構(gòu)建技術(shù)研究

研究多樣性內(nèi)河航道的綠色生態(tài)護岸結(jié)構(gòu)形式，包括自然性親水護岸、景觀擋墻組合、坡面灘地立體綠化、岸坡土壤改良及水體生態(tài)凈化技術(shù)、以及植物選擇和搭配等，開發(fā)內(nèi)河航道綠色生態(tài)護岸設(shè)計方法及構(gòu)建技術(shù).

2.2.1 多樣性航道駁岸

基于航道流向特點、岸坡土的力學特征，通過融合兩岸區(qū)位地形特征，構(gòu)建天然自成的駁岸形式，例如拋石插枝、生態(tài)袋覆植、植活木樁木錨、石籠生態(tài)灌漿覆植、三維植被網(wǎng)墊覆植護岸及植生擋墻等.

2.2.2 人工自然性親水護岸材料研究

對綠色生態(tài)護岸材料的厚度和組成進行試驗研究，確立航道岸坡安全條件下的材料組成、力學強度及結(jié)構(gòu)組成等具體技術(shù)指標，構(gòu)造宜人的親水環(huán)境與護岸結(jié)構(gòu)形式.

2.2.3 新型景觀擋墻護岸結(jié)構(gòu)及生態(tài)柔性護坡護岸結(jié)構(gòu)

根據(jù)岸坡的高度和坡度，結(jié)合景觀景點的結(jié)構(gòu)要求，構(gòu)建由各類生態(tài)砌塊組成的景觀擋墻，諸如結(jié)構(gòu)上的自嵌式、加筋式以及復合柔性式等擋土護岸結(jié)構(gòu)，以及生態(tài)柔性護坡護岸結(jié)構(gòu)［4］.

2.2.4 灘地與岸坡的立體綠化

采用噴播、漿播、插播、壓播等種植技術(shù)和草皮技術(shù)，形成和諧物種變化生態(tài)圈帶，構(gòu)筑平面、立體綠化的融合模式.開發(fā)復合式多層次生態(tài)防護技術(shù)，構(gòu)筑平面、立體相融合的綠化模式.

2.2.5 岸坡土壤改良及水體生態(tài)凈化技術(shù)

利用生態(tài)工程技術(shù)，構(gòu)建能夠保證植物生長穩(wěn)定的土壤物理化學環(huán)境.針對岸坡滲流特征，研究新型導滲、析滲技術(shù)措施，使之集抗?jié)B、導滲、析滲于一體，并滿足岸坡綜合安全的水力作用，從而形成岸坡土壤改良及水體生態(tài)凈化的實用技術(shù).

2.3 護岸與護坡植物選擇

在航道河面較寬地段（如弧形水岸、導流島等），現(xiàn)狀岸坡與設(shè)計航道中心線距離大于40 m，有條件根據(jù)地形因地制宜設(shè)置自然生態(tài)護岸段.

在弧形水岸中，形成淺水區(qū)、灘地、岸坡、坡頂?shù)牧Ⅲw綠化.淺水區(qū)種植蘆葦、菖蒲、千屈菜、梭魚草、水蔥、鳶尾等水生植物，根系的分布深度一般在30 c m左右，起到固土消浪、凈化水質(zhì)的作用；灘地種植耐水淹的禾本科植物如藨草、香根草等，固土護坡，保護岸坡穩(wěn)定及凈化水質(zhì)；岸坡上種植高羊茅、黑麥草、狗牙根等草種防止水土流失；坡頂種植常春藤、迎春花、爬山虎等藤灌植物營造美觀宜人的環(huán)境.

3 生態(tài)航道柔性護岸結(jié)構(gòu)研究

航道岸坡防護設(shè)計除應(yīng)考慮傳統(tǒng)的技術(shù)要求外，還要兼顧生物棲息地的加強和改善需求，因此需引入一些新的結(jié)構(gòu)型式.常見的岸坡防護與植被恢復技術(shù)主要包括有石籠、生態(tài)袋、混凝土空心塊、土工格室、三維植被網(wǎng)墊、生態(tài)磚和魚巢等.按照穩(wěn)定、經(jīng)濟與適用的原則，本文選擇了如下3種岸坡生態(tài)護岸類型.

3.1 石籠生態(tài)擋墻護岸技術(shù)

該岸坡防護技術(shù)適用于高流速、沖蝕嚴重、岸坡滲水多的緩坡河岸.

石籠經(jīng)塊石填充，構(gòu)成具有柔性、透水性及整體性的結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)比較大的岸坡不均勻沉降，耐沖刷性好，形成粗糙化斷面，并且內(nèi)外透水性良好.塊石間的空隙能為河流中的微生物、魚類及其他水生物提供一個良好的生態(tài)環(huán)境.在塊石表面形成的生物膜有利于水質(zhì)改善；通過間插枝條生長出的植被能為生物提供遮蔽層、避難所以及有機物來源，并可減緩水流沖擊，促進泥沙淤積，最終形成自然景觀.

3.2 生態(tài)袋柔性護岸技術(shù)

生態(tài)袋是由聚丙烯（PP）及其他高分子材料為原材料，復合針刺制成的雙面熨燙無紡布加工而成的袋子.該護岸技術(shù)是在生態(tài)袋中裝入客土，再將生態(tài)袋通過鏈接扣、加筋格柵等組件相互連接，形成力學穩(wěn)定的軟體岸坡，既能防止岸坡坍塌（根植土深度達0.3 m以上），又可讓植物存活和生長如圖1，2所示.在沖刷較嚴重的坡腳部位，利用石籠作為護腳，結(jié)合生態(tài)袋護坡技術(shù)，可保持岸坡穩(wěn)定，并提供多樣性棲息地環(huán)境.與常規(guī)的灌木植被防護技術(shù)相比，該技術(shù)能抵御相對較大的流速，并起到護腳和增加岸坡穩(wěn)定性的作用.生態(tài)袋本身具有較高的撓曲性，可適應(yīng)坡面的局部變形，并可形成階梯坡狀.因而，特別適合于岸坡坡度不均勻的區(qū)域.

3.3 土工格室生態(tài)護岸技術(shù)

土工格室是由聚乙烯片材經(jīng)高強度焊接而制成的一種三維網(wǎng)狀格室結(jié)構(gòu).利用其三維側(cè)限原理，該結(jié)構(gòu)通過改變其深度和孔型組合，可獲得剛性或半彈性的板塊，大幅度提高松散填充材料的抗剪強度，抗沖蝕能力較強.土工格室可置于岸坡土體中，并在形成的格室里面放置腐殖土、本土植物物種、碎石等材料組成的混合物，同時還可扦插不同植物類型的活枝條.由于土工格室具有圍攏及抗拉作用，因此其內(nèi)填料在承受水流作用時可免于沖刷.植被生長充分后，可使坡面自然化，形成的植被有助于減緩流速，為生物提供棲息地.同時，植被根系可以增強邊坡整體穩(wěn)定性.

4 生態(tài)航道型護岸結(jié)構(gòu)設(shè)計

丹金溧漕河航道航段按三級航道通航標準整治，設(shè)計最高通航水位為▽4.38，設(shè)計最低通航水位為▽0.84，設(shè)計常水位為▽1.9；設(shè)計河底高程為▽－2.36.根據(jù)航道定線，結(jié)合沿線地形，采用合適的生態(tài)護岸結(jié)構(gòu)型式，選擇25 K＋597.8～26 K＋047.1航段（弧形水岸）開展生態(tài)航道護岸結(jié)構(gòu)型式研究，作者主要介紹生態(tài)袋＋石籠網(wǎng)護岸方案.

該方案采用木樁＋土工布維護種植蘆葦?shù)韧λ参铮Y(jié)合香根草生態(tài)浮床消浪，石籠網(wǎng)護腳，短生態(tài)袋＋香根草＋扦插植物錨桿護岸，生態(tài)袋頂用灌藤垂簾.

弧形水岸處采用填砂土護底，并在填土上適當種植蘆葦、菖蒲、千屈菜、梭魚草等水生植物.為避免船行波吸力的影響，在現(xiàn)狀岸坡堤角處考慮布設(shè)一排樁長為2.5 m的活木樁（梢徑不小于120 mm）形成防護帶，木樁后加竹籬或土工布（1 m高）起到固土作用，木樁間距控制為30 c m左右.水生植物背后種植香根草，形成50 c m左右寬的長帶，經(jīng)過2～3個季節(jié)形成籬笆和生態(tài)浮床后，即可起到較好的消浪效應(yīng)，并有效攔截徑流，透水不透土，起到防止岸坡坍塌及水土流失的作用.

圖3 生態(tài)袋＋石籠網(wǎng)生態(tài)護岸結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.3 Section of ecological slope protection str ucture of ecological bag and stone cage net

該護岸方案采用石籠柔性基礎(chǔ)護腳，為護岸結(jié)構(gòu)提供支承力及抵抗坡腳處的水流沖刷.原岸坡處采用短生態(tài)袋護岸方式.護岸頂高程為▽2.0生態(tài)袋中充填草籽（高羊茅、黑麥草、狗牙根等）、碎石、腐殖土等材料，并在生態(tài)袋之間種植香根草、扦插活枝條.每鋪設(shè)兩層生態(tài)袋即扦插活枝條作為植物錨桿，長約2.0 m、直徑約為20 mm，插條的粗端深入岸坡土體50 c m左右；每鋪設(shè)三層生態(tài)袋即設(shè)置土工格柵包裹，以增強生態(tài)袋的整體穩(wěn)定性，土工格柵長度約為4.0 m.生態(tài)袋頂鋪填10～15 c m的腐殖土后撒播或栽植常春藤、迎春花等藤灌植物，營造宜人景觀.

5 新型護岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算

主要考慮墻前設(shè)計常水位工況下的護岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性情況.丹金溧漕河航道設(shè)計常水位為▽1.9，一般護岸結(jié)構(gòu)的安全等級為3級.

表1為各方案的計算參數(shù)，包括重度γ、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、變形模量E、泊松比μ及側(cè)向土壓力系數(shù)K0.

表1 計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters

圖4為生態(tài)袋護岸方案穩(wěn)定性計算結(jié)果.如 圖所示最危險滑動面表現(xiàn)為原岸坡土體可能的剪出破壞，即以可能的整體破壞為主.計算結(jié)果表明，生態(tài)護岸結(jié)構(gòu)體發(fā)生破壞的概率很小，岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)滿足工程要求.另外，岸坡堤角處（水生植物前緣）滿足水流沖刷作用下的工程安全要求.

圖4 生態(tài)袋柔性岸坡最危險滑弧面Fig.4 The most dangerous slip surface of ecological bag slope

6 結(jié)束語

生態(tài)護岸結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計是多種多樣的，需要結(jié)合各航道的實際特點來考慮，但設(shè)計理念和設(shè)計思路是一致的，最重要的是在內(nèi)河航道整治工程的建設(shè)中，融入生態(tài)護岸的設(shè)計理念，盡可能的促進航道建設(shè)生態(tài)化［5］.

作者主要針對丹金溧漕河航道進行生態(tài)航道護岸結(jié)構(gòu)設(shè)計及穩(wěn)定性分析.岸坡穩(wěn)定性初步分析結(jié)果表明，兩種生態(tài)航道護岸設(shè)計方案均滿足地基及岸坡穩(wěn)定性要求.岸坡荷載本身沒有增加，不需地基處理.由于采用了柔性護岸結(jié)構(gòu)形式，變形具有很大的自適應(yīng)；同時具有生態(tài)環(huán)保、景觀宜人、經(jīng)濟價廉等諸多優(yōu)點.本設(shè)計需要結(jié)合理論試驗和現(xiàn)場模型試驗及試驗段來開發(fā)推廣應(yīng)用生態(tài)航道護岸新技術(shù).

［1］ 董哲仁，孫東亞.生態(tài)水利工程原理與技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［2］ 鄭文寧.植物防護對邊坡穩(wěn)定性的影響［J］.中外公路，2005，25（4）：218－220.

［3］ 趙方瑩，趙廷寧.邊坡綠化與生態(tài)防護技術(shù)［M］.北京：中國林業(yè)出版社，2009.

［4］ 王國體，李宏卓.河道岸坡生態(tài)防護結(jié)構(gòu)組成和控制指標研究［J］.合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2010，33（5）：713－716.

［5］ 趙東華，陳虹.從歐洲內(nèi)河航道生態(tài)化建設(shè)理念談我國內(nèi)河航道生態(tài)護岸設(shè)計思路［C］／／第十四屆中國海洋（岸）工程學術(shù)討論會論文集：北京：海洋出版社，2009：1164－1170.