土工合成材料在生態(tài)保護(hù)工程中的應(yīng)用

王 宇，鐘 華，張 濱

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

土工合成材料在生態(tài)保護(hù)工程中的應(yīng)用

王 宇，鐘 華，張 濱

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

土工合成材料因具有隔離、防滲、反濾、排水、防護(hù)、加筋等作用，在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，由于生態(tài)環(huán)境保護(hù)理念的提出，土工合成材料開(kāi)始作為一種生態(tài)結(jié)構(gòu)或措施在生態(tài)保護(hù)工程中應(yīng)用。針對(duì)土工合成材料的不同作用方式，分別從防護(hù)結(jié)構(gòu)和生態(tài)輔助措施方面對(duì)它在生態(tài)保護(hù)工程中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和總結(jié)，為新形勢(shì)下我國(guó)生態(tài)工程的建設(shè)提供參考。

土工合成材料;生態(tài)保護(hù)工程;生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu);生態(tài)輔助措施

0 引 言

土工合成材料在我國(guó)的應(yīng)用開(kāi)始于20世紀(jì)60年代中期，首先是塑料薄膜作為防滲材料在農(nóng)業(yè)灌溉渠道中應(yīng)用。80年代后，土工合成材料的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到高速公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)、井灌、民用建筑等幾乎所有土建工程行業(yè)。土工合成材料具有隔離、防滲、反濾、排水、防護(hù)、加筋等作用，它的應(yīng)用除了可起到常規(guī)的防護(hù)、隔離等作用外，還產(chǎn)生一定的生態(tài)效果，有利于生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)和保護(hù)。近年來(lái)，由于生態(tài)環(huán)保理念的提出，土工合成材料開(kāi)始作為一種生態(tài)結(jié)構(gòu)或措施在生態(tài)保護(hù)工程中應(yīng)用，并取得了良好的效果，其應(yīng)用前景廣闊。

1 土工合成材料的種類及特點(diǎn)

1.1 土工合成材料的種類

文獻(xiàn)[1]將土工合成材料分為土工織物、土工膜、土工特種材料和土工復(fù)合材料等類型。土工特種材料包括土工格柵、土工膜袋、土工網(wǎng)、土工網(wǎng)墊、土工格室、土工織物膨潤(rùn)土墊、聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)等。土工復(fù)合材料是由上述兩種或兩種以上的材料復(fù)合而成，可起到多種功能的作用，更好地滿足具體工程的需要。例如，復(fù)合土工膜、復(fù)合土工織物、復(fù)合排水材料等。

1.2 土工合成材料的特點(diǎn)

土工合成材料具有隔離、防滲、反濾、排水、防護(hù)、加筋等作用，廣泛應(yīng)用于路、橋與支擋工程、閘、壩工程、護(hù)岸工程、港灣及海岸工程、防汛搶險(xiǎn)工程、地下工程、農(nóng)田水利工程、環(huán)境工程、建筑工程等領(lǐng)域。在生態(tài)保護(hù)方面，無(wú)論是作為一種防護(hù)結(jié)構(gòu)，還是作為生態(tài)輔助措施，土工合成材料都發(fā)揮了積極的作用。應(yīng)用土工合成材料作為防護(hù)結(jié)構(gòu)，有利于維護(hù)河渠岸坡的穩(wěn)定，防止水土流失，同時(shí)，它的多孔隙性還有利于構(gòu)建適宜生物生存的生境條件，保護(hù)生物多樣性和生態(tài)完整性。應(yīng)用土工合成材料作為生態(tài)輔助措施，可形成生物通道、生物浮島、生物沉床等生態(tài)結(jié)構(gòu)措施，既有利于生物多樣性保護(hù)，又有利于提高溝渠的自凈能力，改善水質(zhì)。

2 土工合成材料的應(yīng)用

2.1 土工合成材料作為防護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

2.1.1 格賓護(hù)岸

格賓護(hù)岸是一種新型的柔性護(hù)坡結(jié)構(gòu)體系，它是由覆塑的合金鋅鋼絲線材編制成六角網(wǎng)孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并向其中填充石料構(gòu)成的。該結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)表面粗糙，能有效地削減波浪，防止岸坡沖刷和水土流失，起到岸坡防護(hù)的作用；②該結(jié)構(gòu)屬于多孔隙結(jié)構(gòu)，透水性好，便于河水與堤岸間的物質(zhì)能量交換，維持自然連通性；③結(jié)構(gòu)覆土后，水上部分可以植草或插柳，易于生長(zhǎng)植物，綠化河岸帶；水下部分可以生長(zhǎng)水生植物，也可以為水生動(dòng)物及微生物等提供棲息、生存、繁衍的環(huán)境；④在格賓護(hù)岸結(jié)構(gòu)內(nèi)填充卵礫石、凈水填料，種植水生植物，利用水生植物和微生物的活動(dòng)吸收降解污染物質(zhì)，起到凈化水質(zhì)的效果；⑤該結(jié)構(gòu)還具有環(huán)保、穩(wěn)定、抗震、防凍、耐久性好，以及良好的凍脹適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，適合在寒冷地區(qū)推廣應(yīng)用[2]。

格賓護(hù)岸結(jié)構(gòu)在牡丹江市鐵嶺河大橋下游左岸城區(qū)堤防試驗(yàn)工程中取得了良好的生態(tài)效果。工程竣工1 a后，坡面覆土的地方長(zhǎng)出了青草，植被覆蓋良好，青蛙在格賓的孔隙里棲息，坡腳處可捕捉到魚蝦等水生動(dòng)物，試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)整體生態(tài)環(huán)境良好，生物群落的多樣性得以保護(hù)和恢復(fù)[3](圖1，圖2)。

圖1 護(hù)岸竣工1 a后效果Fig.1 Effect of the bank after completion in 1 a

2.1.2 土工格室護(hù)岸

土工格室是由高分子聚合片材經(jīng)高強(qiáng)度焊接而形成的一種蜂巢式三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。土工格室護(hù)岸是在土工格室內(nèi)填充土或碎石料構(gòu)成的一種多孔隙、蜂窩狀、柔性護(hù)坡結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：①具有內(nèi)部水力連通性和良好的滲透性，能促進(jìn)降水期間的水分吸收，降低地表徑流和土壤侵蝕；②該結(jié)構(gòu)屬多孔隙結(jié)構(gòu)，透水透氣，便于河水與堤岸間的物質(zhì)能量交換；③結(jié)構(gòu)覆土后，有利于植物的生長(zhǎng)，還可為水生動(dòng)物及微生物提供適宜棲息、生存、繁衍的環(huán)境；④該結(jié)構(gòu)彈性好，凍脹適應(yīng)性強(qiáng)；⑤質(zhì)量輕，方便運(yùn)輸。

土工格室護(hù)岸在哈爾濱松花江群力大堤防護(hù)工程中取得了良好的生態(tài)效果。經(jīng)覆土后，坡面植被覆蓋率高，具有良好的景觀生態(tài)效果。大堤經(jīng)受了2013年大洪水的考驗(yàn)，江水浸泡29 d退水后，堤面穩(wěn)定，坡面植被保存完好，除植物顏色略有變化外，未發(fā)生水土流失，生態(tài)效果顯著(圖3)。

圖3 江水浸泡后的土工格室護(hù)堤Fig.3 Geocell revetment-dike after being immersed in river

2.1.3 土工格柵石籠護(hù)岸

土工格柵是用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物經(jīng)熱塑或模壓而成的二維網(wǎng)格狀或具有一定高度的三維立體網(wǎng)格屏柵。土工格柵石籠護(hù)岸是將土工格柵做成矩形或圓筒狀，并向其中填充塊石或礫石、卵石構(gòu)成的一種透水、透氣、多孔隙的柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：①該結(jié)構(gòu)屬于多孔隙結(jié)構(gòu)，透水性好，便于河水與堤岸間的物質(zhì)能量交換，維持自然連通性；②可為水生動(dòng)物及微生物等提供適宜棲息、生存、繁衍的環(huán)境條件；③有利于植物生長(zhǎng)；④強(qiáng)度高，整體性好，耐腐蝕，可抵抗河水沖刷。

土工格柵石籠護(hù)岸在古城河整治工程中應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果[4](圖4)。該結(jié)構(gòu)的孔隙有利于草類等植物的生長(zhǎng)，坡面穩(wěn)定性好。相對(duì)于混凝土護(hù)岸，不僅造價(jià)低，還能為水生動(dòng)植物提供適宜的生存空間，有利于改善水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境。

圖4 土工格柵石籠整治后的古城河照片F(xiàn)ig.4 Gucheng river renovated with geogrid gabions

2.1.4 植生包護(hù)岸

植生包護(hù)岸是在植生包內(nèi)填充土壤、肥料、草籽等，形成植生包，再將植生包按設(shè)計(jì)要求擺放成不同型式的護(hù)坡結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：①有利于渠內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)和水分的交互，植生包內(nèi)的草仔可根據(jù)需要填充適應(yīng)當(dāng)?shù)貤l件的優(yōu)勢(shì)草種，也可讓其自然生長(zhǎng)野草；②形成坡面植被覆蓋層，可為小動(dòng)物的棲息、生存和繁衍提供適宜的環(huán)境條件；③植生袋的綠色外觀易于融入周圍環(huán)境；④施工簡(jiǎn)便，可就地取材，造價(jià)低。

植生包護(hù)岸在哈爾濱市道里區(qū)胡家段運(yùn)糧河岸坡防護(hù)工程中應(yīng)用，生態(tài)效果良好，坡面植被易于生長(zhǎng)，渠坡自然(圖5)。由于該渠段不均勻凍脹影響顯著等原因，破損修復(fù)率較高，相對(duì)于土工格室等其它型式護(hù)岸結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)適用性較差。植生包護(hù)岸適用于岸坡相對(duì)穩(wěn)定的渠段。

圖5 植生包護(hù)岸照片F(xiàn)ig.5 Photo of planting bag revetment

2.2 土工合成材料作為生態(tài)輔助措施的應(yīng)用2.2.1 碎石聚氨酯生物通道

碎石聚氨酯是將碎石與聚氨酯混合攪拌，使聚氨酯包裹在碎石表面，利用聚氨酯本身的黏結(jié)性將石塊牢牢地粘結(jié)在一起，形成的一種新型彈性組合材料。該組合料具有粘結(jié)力強(qiáng)、彈性好，同時(shí)兼具透水、透氣等生態(tài)特點(diǎn)。碎石聚氨酯生物通道是利用碎石聚氨酯構(gòu)建適宜青蛙等生物逃脫水路的通道，使其自由在水域和陸域間通行，保證生態(tài)系統(tǒng)的連通性(圖6)。

碎石聚氨酯生物通道在黑龍江省富錦市幸福灌區(qū)水田示范區(qū)農(nóng)渠中的應(yīng)用，取得了良好的生態(tài)效果。渠道通水、退水期間，渠道內(nèi)的青蛙成功的經(jīng)由生物通道在農(nóng)渠水域和水田間遷移。

圖6 碎石聚氨酯生物通道照片F(xiàn)ig.6 Photo of gravel polyurethane critter crossing

2.2.2 塑料波紋管魚道

塑料波紋管魚道是采用PA、PE或PP等材質(zhì)的塑料波紋管按設(shè)計(jì)要求連接水田和灌排溝渠，為魚兒在水田和溝渠中自由遷移提供通道，保證灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的連通性，進(jìn)而保護(hù)生物多樣性和生態(tài)完整性。塑料波紋管魚道斷面型式有半圓型和U型。魚道內(nèi)壁的褶皺既可提供適宜魚類游泳的糟率條件，又可為魚兒提供休息場(chǎng)所[5]。塑料波紋管魚道為柔性結(jié)構(gòu)，對(duì)場(chǎng)地的適應(yīng)性強(qiáng)，且施工簡(jiǎn)便，可同時(shí)兼做水田供排水的管路。

塑料波紋管魚道在日本農(nóng)田灌排溝渠中應(yīng)用廣泛，取得了良好的生態(tài)效果。魚兒成功地在水田和溝渠中自由遷移。圖7為上溯中的魚在U型波紋管魚道的褶皺內(nèi)休息。

圖7 魚兒在U型波紋管魚道內(nèi)壁的褶皺中休息Fig.7 Fish rests in the inside of U-shaped bellows fishway

2.2.3 仿生植物填料

天然材料(如卵石、礫石及天然河床等)或人工合成接觸材料(如塑料、纖維等)具有較大比表面，生物容易聚集生長(zhǎng)而形成粘液狀的生物膜，可以吸附、降解水體污染物。仿生植物填料技術(shù)主要是基于仿生學(xué)原理，利用比表面較大的人工立體彈性材料模仿水中水生植物，用合適的方式布置于河道中，以河渠中細(xì)菌為微生物源，在填料表面逐漸形成生物膜，通過(guò)接觸氧化作用凈化河渠水體[6](圖8)。

圖8 仿生植物填料示意圖Fig.8 Schematic diagram of bionic plant fillers

2.2.4 生物浮床(浮島)

生物浮島是綠化技術(shù)和漂浮技術(shù)的結(jié)合體，植物生長(zhǎng)的浮體一般是采用聚氨酯涂裝的發(fā)泡聚苯乙烯制成的，質(zhì)輕、耐用。生物浮島上生長(zhǎng)的植物可為鳥(niǎo)類等休息和筑巢提供場(chǎng)所，下部植物根系可為魚類、水生昆蟲和水中微生物等提供適宜的生息環(huán)境。同時(shí)，植物根系還能吸收引起富營(yíng)養(yǎng)化的氮和磷，形成穩(wěn)定的植物—微生物—?jiǎng)游锕采w，它們對(duì)水體的凈化起著非常重要的作用[7](圖9)。

生物浮島在臺(tái)灣花蓮鯉魚潭中應(yīng)用，形成了植物—微生物—?jiǎng)游飪艋w系，使潭內(nèi)水質(zhì)得到了凈化，減少了藻類的滋生，取得了良好的生態(tài)效果。

圖9 生物浮島照片F(xiàn)ig.9 Photo of artificial floating raft

3 結(jié) 語(yǔ)

在生態(tài)保護(hù)工程中，土工合成材料可作為一種生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用，也可作為一種生態(tài)輔助措施應(yīng)用。它的應(yīng)用除了可起到常規(guī)的防護(hù)、隔離等作用外，還具有良好的生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)作用。

1)土工合成材料作為防護(hù)結(jié)構(gòu)，它可以防止岸坡沖刷和水土流失，起到岸坡防護(hù)的作用，由于其具有透水性、透氣性和多孔隙性，還有利于護(hù)岸結(jié)構(gòu)內(nèi)外水分和養(yǎng)分的交互，有利于植物的生長(zhǎng)，利用水生植物和微生物的活動(dòng)吸收降解污染物質(zhì)，起到凈化水質(zhì)的效果。同時(shí)，水中植物還可以為水生動(dòng)物及微生物提供適宜棲息、生存、繁衍的環(huán)境，保護(hù)生物多樣性和生態(tài)完整性。

2)土工合成材料作為生態(tài)輔助措施，它可以為生物提供水路逃脫和不同生態(tài)區(qū)塊間遷移的通道，保護(hù)生物多樣性和生態(tài)完整性，還有利于植物—微生物—?jiǎng)游飪艋w系的形成，起到吸附、降解水體污染物質(zhì)，凈化水質(zhì)的作用。

3)土工合成材料在生態(tài)工程中的應(yīng)用除了具有岸坡防護(hù)和生態(tài)保護(hù)的作用外，其上生長(zhǎng)的植被還具有良好的景觀效果。土工合成材料在生態(tài)保護(hù)工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]GB 50290-98，土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].

[2]王 宇，劉 森，韓 雷.生態(tài)型護(hù)岸結(jié)構(gòu)凍脹適應(yīng)性的試驗(yàn)示范研究[J].黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)，2012，3(1)：33-36.

[3]潘美元，肖慶華. 雷諾護(hù)墊在生態(tài)護(hù)坡中的設(shè)計(jì)方法[J]. 中國(guó)水運(yùn)，2011，11(12)：252-254.

[4]閔祥宇，魏素娟，張 鈺.土工格柵石籠在古城河整治工程中的應(yīng)用研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(19)：10 442-10 444.

[5]鈴木正貴，水谷正一，後藤章. 小規(guī)模魚道による水田、農(nóng)業(yè)水路および河川の接続が魚類の生息に及ぼす効果の検証[C]//農(nóng)業(yè)土木學(xué)會(huì)論文集，2004：234，641-651.

[6]王 超，王偉君，王沛芳，等. 一種凈化河流微污染水體的仿生植物[P]. 中國(guó)專利：ZL200420054676.0，2006-04-05.

[7]陳荷生，宋祥甫，鄒國(guó)燕. 利用生態(tài)浮床技術(shù)治理污染水體[J]. 中國(guó)水利，2005，(5)：50-53.

Application of geosynthetics in nature conservation project

WANG Yu，ZHONG Hua，ZHANG Bin

(Heilongjiang Provincial Hydraulic Research Institute, Harbin 150080, China)

Geosynthetics has been widely used in various fields for the effects of isolation, antiseepage, filter, drainage, protection and reinforcement. It has been using in the project of nature conservation as a ecological structure or ecological measures for many years, and it is suitable way of eco-environmental protection. The different models were analyzed in summurized that the application of which in the project of nature conservation respectively in protective structure and eco-secondary measures construction of ecological engineering.

geosynthetics; project of nature conservation; ecology protection structure; eco-secondary measures

10.13524/j.2095-008x.2015.01.008

2014-11-20;

2014-12-07

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20150211.1451.007.html

黑龍江省季節(jié)凍土區(qū)工程凍土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題研究項(xiàng)目(PS13H19)

王 宇(1982-)，男，吉林松原人，工程師，碩士，研究方向：寒區(qū)河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)、工程水力學(xué)和生態(tài)水力學(xué)，E-mail:wangyu19820224@163.com。

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2095-008X(2015)01-0038-05