淺談生態(tài)護(hù)坡技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

(安徽省安慶市太湖縣水利局，安徽 安慶 246400)

1 研究背景

1.1 國(guó)內(nèi)外概況

發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)于傳統(tǒng)護(hù)坡技術(shù)對(duì)環(huán)境與生態(tài)的影響研究較早，自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，針對(duì)水利工程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)面影響，國(guó)外就提出生態(tài)補(bǔ)償措施，并開(kāi)展了河流生態(tài)工程。德國(guó)將其稱(chēng)為“河川生態(tài)自然工程”，美國(guó)稱(chēng)為“自然河道設(shè)計(jì)技術(shù)”，日本則命名為“多自然型建設(shè)工法”[1]。20世紀(jì)90年代初，日本首先提出“親水”概念，即將生態(tài)護(hù)坡技術(shù)與城鎮(zhèn)河道建設(shè)結(jié)合，提倡凡有條件的河段應(yīng)盡可能利用木樁、竹籠、卵石等天然材料來(lái)修建生態(tài)河堤。為挽救城市河流的生態(tài)，堤壩修筑不再用混凝土而是改用天然石塊，還草木自然生長(zhǎng)的空間[2]。國(guó)外諸多規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中也都提及了需將水利工程、景觀美化和保護(hù)自然資源相結(jié)合。如《堤防設(shè)計(jì)與施工》(美國(guó)，EM 1110-2-1913)中提到“為了防護(hù)、美觀及保護(hù)自然資源，堤防及其周?chē)闹脖?樹(shù)木、灌木、草)也是設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的重要部分”；德國(guó)《防洪堤》(DIN19712)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中提及“在確定防洪堤標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)公共利益，如自然景觀、城建、社會(huì)方面的要求及河灘生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)等也要予以考慮”[3]。

我國(guó)在水利工程中生態(tài)護(hù)坡技術(shù)應(yīng)用方面起步較晚，近年來(lái)在吸收國(guó)外河道整治和生態(tài)護(hù)坡研究成果的基礎(chǔ)上，許多省市展開(kāi)了生態(tài)護(hù)坡研究和應(yīng)用，尤其在城市河道邊坡治理方面。如上海市青浦區(qū)的章浜河整治項(xiàng)目，采用多種生態(tài)護(hù)坡技術(shù)相結(jié)合的方法，取得了較好的生態(tài)與社會(huì)效益；廣東中山市岐江公園設(shè)計(jì)的棧橋式生態(tài)親水湖岸，在解決較大水位波動(dòng)影響的同時(shí)也營(yíng)造了秀麗的景觀環(huán)境[4]。

《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)和《堤防工程施工規(guī)范》(SL260-2014)是我國(guó)堤防工程建設(shè)中指導(dǎo)性規(guī)范文件，但也存在一定局限性，體現(xiàn)在對(duì)堤防工程的環(huán)境效應(yīng)、景觀效應(yīng)和生態(tài)補(bǔ)償方面重視不夠。如河壩的修建會(huì)造成順?biāo)鞣较虻暮恿鞣沁B續(xù)化，筑堤使側(cè)向水流的連通性受到破壞，而且景觀相對(duì)單一，觀賞性和舒適性欠佳，未全面考慮人的親水性和近水需求。

1.2 研究意義

健全的河岸帶生態(tài)系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)徑流、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)微氣候、提供水陸生物棲息和繁衍場(chǎng)所等生態(tài)服務(wù)功能。目前我國(guó)水利項(xiàng)目中普遍存在過(guò)度硬化現(xiàn)象，亟需開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工程安全和生態(tài)保護(hù)兼顧的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)。生態(tài)護(hù)坡不僅應(yīng)具有傳統(tǒng)護(hù)岸的行洪、排澇以及水土保持等功能，同時(shí)還需綜合考慮城市景觀、生態(tài)和人文氣息等內(nèi)容，以求實(shí)現(xiàn)人和自然的和諧共處，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)文明的可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)合生態(tài)水工學(xué)的基本要求，借鑒國(guó)內(nèi)外在河道生態(tài)護(hù)坡研究方面的豐富經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)其不足之處，研發(fā)具有中國(guó)特色的河道生態(tài)護(hù)坡技術(shù)迫在眉睫。為此，本文歸納了典型的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，著重介紹了不同種類(lèi)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的功能和適用性。

2 典型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)

基于最佳水力斷面水力半徑的理論，傳統(tǒng)的護(hù)坡護(hù)岸工程大多選用M(投資最省)～Q(流量最大)的計(jì)算方式，力求確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、材料選擇達(dá)到斷面硬化和較低的水力糙率，優(yōu)先考慮防沖固坡功能，因此對(duì)水體的自然屬性可能會(huì)造成一定程度的傷害。

結(jié)合工程力學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)和植物學(xué)等多學(xué)科理論，采用生態(tài)護(hù)坡護(hù)岸技術(shù)可構(gòu)建植物本身或工程與植物相結(jié)合的生態(tài)系統(tǒng)。實(shí)際工程應(yīng)用中，須充分考慮多方面因素，如邊坡的穩(wěn)定性、安全性，植被與周?chē)h(huán)境的相適性，當(dāng)?shù)貧夂驐l件與土壤條件對(duì)植被的影響，植被的生長(zhǎng)與繁殖能力以及工程后期的運(yùn)行與維護(hù)管理[5]。

2.1 土工格室護(hù)坡

土工格室護(hù)坡是指將改良后的外來(lái)土均勻鋪展在嵌入坡面的土工格室內(nèi)，用三維網(wǎng)固定，再利用噴播育種技術(shù)實(shí)施固坡，見(jiàn)圖1。首先，格室結(jié)構(gòu)作為坡面與水流的隔離層，可有效減緩水流對(duì)坡面的直接沖刷，且網(wǎng)絡(luò)狀的多維結(jié)構(gòu)可極大削弱水體的侵蝕作用。其次，格室內(nèi)呈松散狀態(tài)的填充土料可有效降低坡面的徑流流量，起到消能作用。另外，格室對(duì)土顆粒具有側(cè)限保護(hù)作用，減少土壤的流失，降低了格室下部坡面的水力侵蝕。土工格室與植草技術(shù)相結(jié)合的方式對(duì)邊坡有很好的保護(hù)作用，主要特點(diǎn)為：可應(yīng)用于各類(lèi)地區(qū)及不同類(lèi)型邊坡，綠化效果好，可提高坡面排水性能。

圖1 土工格室護(hù)坡示意

2.2 植草砌塊型護(hù)坡

該技術(shù)采用的主要材料為由多孔混凝土、保水材料、緩釋肥料和表層土組成的植被型生態(tài)混凝土。多孔混凝土的主要成分為粗骨料、水泥和細(xì)摻合料，構(gòu)成植被型生態(tài)混凝土的骨架。保水材料常用有機(jī)質(zhì)保水劑，輔以無(wú)機(jī)保水劑，確保植物生長(zhǎng)具有充足水分。表層土覆蓋在多孔混凝土表面，提供植被生長(zhǎng)的空間和養(yǎng)分，同時(shí)可降低混凝土表面過(guò)熱對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。主要特點(diǎn)為：混凝土植草磚具有防水流沖刷的保護(hù)作用，兼有保護(hù)生態(tài)環(huán)境、美化環(huán)境及施工便利等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 石籠填石型護(hù)坡

石籠填石是將塊石等材料填充入由鋼絲網(wǎng)架構(gòu)成的箱籠內(nèi)，坡體的基本結(jié)構(gòu)分為擋墻、護(hù)坡、護(hù)底、護(hù)腳和水下拋石。選用具有一定抗拉強(qiáng)度的鋼絲作為方格網(wǎng)防護(hù)體，同時(shí)保持一定的填充料空隙度，使之具備適應(yīng)變形的能力。如若地基發(fā)生不均勻沉降、地震等情況，材料仍填充于箱籠內(nèi)，繼而自行調(diào)整直至保持新平衡。箱籠具有柔性結(jié)構(gòu)，因此，即使防護(hù)工程表面發(fā)生較小的變形，也不會(huì)因產(chǎn)生裂縫、網(wǎng)箱被拉斷等造成防護(hù)體破壞。主要特點(diǎn)為：性價(jià)比高，施工便捷，可承受大范圍變形，適應(yīng)能力強(qiáng)，具有良好的滲透性，耐腐蝕，便于取材等。

2.4 編柳拋石型護(hù)坡

該技術(shù)采取新截取的柳條呈十字交叉編制成格框，編柳空格內(nèi)拋填20～40 cm粒徑的塊石，塊石下設(shè)厚10～20 cm的礫石層以利于排水，并可減少土壤流失。柳格平面尺寸約為 0.3 m×0.3 m或1 m×1 m，厚度為30～50 cm，發(fā)芽后的柳條具有較強(qiáng)的保護(hù)性能。其主要特點(diǎn)為：保護(hù)性強(qiáng)。

2.5 生態(tài)袋型護(hù)坡

生態(tài)袋是采用聚丙烯(PP)或者聚酯纖維(PET)等材料制成雙面熨燙的無(wú)紡布經(jīng)單面燒結(jié)后制成的袋子。該結(jié)構(gòu)可有效減少土壤和營(yíng)養(yǎng)混合物的流失，同時(shí)保持土壤的水潤(rùn)性。將選定的混合種子、保水劑和微生物肥料等均勻混合，置入可降解的兩層無(wú)紡布中，然后采用抗老化的濾網(wǎng)包裹，最后縫制成所需規(guī)格，壘砌成護(hù)坡。其主要特點(diǎn)為：抗紫外線、抗老化、抗酸堿、抗微生物侵蝕和透水性強(qiáng)，同時(shí)可有效消減土體回彈產(chǎn)生的土壓力，抗震性較好，施工簡(jiǎn)單、快捷，無(wú)需大型施工機(jī)械，無(wú)噪音，工程造價(jià)低。

2.6 生物活性無(wú)土植被毯護(hù)坡

生物活性無(wú)土植被毯為采用纖維束制作的由固底構(gòu)件組成的活性固土植被培植器件，其內(nèi)種植有根須的植物，沿堤岸和斜坡的底端線布置，或者按照中間方向排列，見(jiàn)圖2。待纖維束充分吸水后，固底構(gòu)件的重量顯著增加，可防止堤岸和斜坡底端的土石流失。待植物根須延伸至堤岸和斜坡的底端面內(nèi)，可加固堤岸和斜坡底端的土石，防止泥土流失或者塌方，同時(shí)植物的種植可綠化環(huán)境、改善景觀。主要特點(diǎn)：該技術(shù)主要用于坡度小于45°的全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化邊坡，且邊坡應(yīng)保持平坦、富含有機(jī)質(zhì)，適合植被生長(zhǎng)。

圖2 生物活性無(wú)土植被毯護(hù)坡結(jié)構(gòu)示意

2.7 鉸接式生態(tài)護(hù)坡

鉸接式護(hù)坡結(jié)構(gòu)是由尺寸、形狀和重量一致的混凝土塊體通過(guò)若干根纜索相互聯(lián)接的聯(lián)鎖矩陣，纜索的材質(zhì)由塊體的大小、鋪面長(zhǎng)度和施工現(xiàn)場(chǎng)條件決定。該試塊具有約25%的高開(kāi)孔率，主要起到滲水、排水、消能的作用；溝槽可削弱水體的沖擊力度，起到碎波防浪的作用；同時(shí)通過(guò)纜索受力分析和光纜檢測(cè)技術(shù)可及時(shí)預(yù)報(bào)堤壩的安全狀況[6-7]。主要特點(diǎn)：該結(jié)構(gòu)可抵抗高速水流沖刷；可機(jī)械施工，大大縮短工期，降低綜合造價(jià)。

2.8 聯(lián)鎖式水工砌塊護(hù)坡

聯(lián)鎖式水工砌塊是將干硬性的細(xì)石混凝土經(jīng)成型機(jī)振動(dòng)、加壓制成特殊外形混凝土砌塊，砌塊中產(chǎn)生的大孔及相鄰兩塊聯(lián)鎖塊間的連接孔既可作為植生孔，也可添加多級(jí)配碎石起到消能作用。若坡度較陡，可在小孔中插一錨固棒，將聯(lián)鎖塊與土體連接，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；楔形槽具有聯(lián)鎖功能，防止護(hù)坡塊發(fā)生偏移；周邊槽形能消散水流和波浪的部分能量，減少淤泥的產(chǎn)生；通過(guò)水工砌塊之間的聯(lián)鎖嚙合作用，可形成相對(duì)穩(wěn)定的組合體，從而保障坡體的穩(wěn)定性[7]。主要特點(diǎn)：砌塊密實(shí)度好、強(qiáng)度高，坡體具備抗沖擊性、抗凍、抗腐蝕性，材料持久耐用并可重復(fù)利用；砌塊施工方便快捷，無(wú)需大型設(shè)備，維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)，后期養(yǎng)護(hù)成本較低。

2.9 噴混植生式護(hù)坡

噴混植生式護(hù)坡技術(shù)，又稱(chēng)為“階梯式植生帶綠化工法”，即利用液態(tài)噴播技術(shù)原理，將生命力強(qiáng)的植物種子與水、肥料、防土壤侵蝕劑、內(nèi)覆纖維材料、保水劑和色素等按一定比例混入容器內(nèi)，充分?jǐn)嚢柚寥珣腋顟B(tài)。通過(guò)離心泵把混合液裝入消防軟管進(jìn)行噴播，然后鋪設(shè)無(wú)紡布，外覆一層鐵絲網(wǎng)或局部進(jìn)行鋼筋錨固。噴混植生式護(hù)坡技術(shù)實(shí)施前后效果對(duì)比如圖3所示。主要特點(diǎn)：通過(guò)鍍鋅鐵絲網(wǎng)和鋼筋的錨固作用增大邊坡表面抗拉力，可有效地避免崩塌和碎石掉落，確保山體和道路安全，植被可快速成型，起到抗侵蝕和減緩水土流失作用，保障邊坡的穩(wěn)定性。

圖3 南京牛首山混凝土噴混植生護(hù)坡技術(shù)實(shí)施前后效果對(duì)比

2.10 生態(tài)護(hù)坡技術(shù)比較

對(duì)以上所述的多種護(hù)坡類(lèi)型進(jìn)行了多方面的比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 護(hù)坡工藝比較

3 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的護(hù)坡工程主要考慮防洪和穩(wěn)固河勢(shì)，忽視了生物生存和人文環(huán)境營(yíng)造。生態(tài)型護(hù)坡順應(yīng)了人與自然和諧共生的要求，是現(xiàn)今護(hù)坡護(hù)岸工程建設(shè)的主流。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)主體工程和地域特點(diǎn)選擇經(jīng)濟(jì)、適宜的生態(tài)護(hù)坡護(hù)岸技術(shù)。