膜袋護(hù)坡技術(shù)在城鎮(zhèn)中小河道整治工程中的應(yīng)用

劉海明， 孟佳陽(yáng)， 劉 亮

(1.張家港市農(nóng)村水利工程建設(shè)指揮部， 江蘇 蘇州 215600； 2.張家港市水資源管理處， 江蘇 蘇州 215600)

1 概 述

“十三五”期間，生態(tài)文明建設(shè)上升到國(guó)家戰(zhàn)略的高度，以尊重和維護(hù)自然為前提，強(qiáng)調(diào)與自然環(huán)境的相互依存、相互促進(jìn)、共處共融。水利管理部門(mén)積極探索中小河道生態(tài)治理的“低碳之路”，特別是新農(nóng)村建設(shè)、水美鄉(xiāng)村建設(shè)中河流水環(huán)境的改善和治理已經(jīng)從以前的“消除黑臭、改善水質(zhì)”向“穩(wěn)定水質(zhì)、生態(tài)修復(fù)”轉(zhuǎn)變，把自然坡岸、灘地“還”給河流，并把“河暢、水清、岸綠、景美、魚(yú)游”作為河道生態(tài)整治的目標(biāo)，河流生態(tài)建設(shè)工程中已經(jīng)著眼于河流岸坡綠化，并認(rèn)識(shí)到河流生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)由魚(yú)類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)、哺乳動(dòng)物、無(wú)脊椎動(dòng)物和昆蟲(chóng)等動(dòng)物和水中及岸邊植物共同組成的食物網(wǎng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，河道治理進(jìn)入來(lái)了一個(gè)前所未有的生態(tài)修復(fù)新階段。

但是長(zhǎng)期以來(lái)我們?cè)诤拥乐卫碇性?jīng)普遍忽視了河流的生態(tài)功能，新建護(hù)岸普遍使用漿砌石、塊石等材料構(gòu)造，即便是現(xiàn)在，很多設(shè)計(jì)人員還是習(xí)慣性地使用塊石、水泥預(yù)制砌塊等硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，河道被生生地封閉起來(lái)，陸生、水生動(dòng)植物失去了其合理的生命環(huán)境，陸地景觀與水生景觀之間缺少自然過(guò)渡，既不符合生態(tài)景觀美學(xué)，也缺少了河道原始、質(zhì)樸、自然的景觀特點(diǎn)[1]；同時(shí)，硬質(zhì)邊坡隔絕了地表水、淺地下水與水體之間的交換，河水由于沒(méi)有了自然的過(guò)濾與滲透，日益渾濁。硬質(zhì)邊坡對(duì)生態(tài)的影響主要是：① 用水泥石料修葺的河道中，大量具有涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)功能的水生植物生長(zhǎng)困難，河水自?xún)裟芰Υ鬄榻档?，水質(zhì)惡化；② 導(dǎo)致河水受陽(yáng)光影響而水溫變化過(guò)大，不利于維持水中生態(tài)平衡，特別是高溫季節(jié)，容易使傳染病菌孳生；③ 隨著水流流速的增大，水中一些生物會(huì)被水流沖走，水中生物減少，岸上又缺乏天然植物，直接影響沿河野生生物種類(lèi)生存，如水鳥(niǎo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前城鎮(zhèn)河道襯砌后，沿河生物種類(lèi)減少了70%以上，而水生物也只相當(dāng)于原來(lái)的50%甚至更少[2]。

把自然坡岸、灘地“還”給河流是未來(lái)河道生態(tài)治理的目標(biāo)，同時(shí)生態(tài)治理不能以犧牲它處的生態(tài)環(huán)境為代價(jià)，除非特別需要，盡可能減少砍伐和開(kāi)采，保護(hù)原產(chǎn)地生態(tài)環(huán)境，這是廣大水利從業(yè)人員所應(yīng)具有的最基本的社會(huì)責(zé)任，水務(wù)管理部門(mén)應(yīng)大張旗鼓地鼓勵(lì)在河道治理中使用新技術(shù)、新工藝，減少碳排放，因此研究河道生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式和新材料、新工藝是提高河道生態(tài)治理水平的關(guān)鍵，本文著重研究生態(tài)膜袋這一種新的護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式，并通過(guò)這種新型護(hù)坡技術(shù)的典型應(yīng)用案例，探討膜袋護(hù)坡方法的適用范圍及在河道建設(shè)中的應(yīng)用。

2 生態(tài)河道治理

2.1 生態(tài)河道治理主要在于修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)

河流生態(tài)是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。河流、湖泊中的水與生物群落(包括動(dòng)物、植物、微生物)共存，通過(guò)氣候系統(tǒng)、水文循環(huán)、食物鏈、養(yǎng)分循環(huán)及能量交換相互交織在一起。水是生物群落生命的載體，又是能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)的介質(zhì)。水體與生物群落相互依存、相互作用，形成了江河湖泊的自?xún)裟芰?。河道生態(tài)整治在滿足人們對(duì)水的各種不同需要的同時(shí)，還應(yīng)滿足水域生態(tài)系統(tǒng)完整性、依存性的要求，恢復(fù)與建設(shè)潔凈的水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧。

2.2 河流生態(tài)修復(fù)的著眼點(diǎn)是恢復(fù)生物群落多樣性

恢復(fù)與重建河道生態(tài)子系統(tǒng)必須把原先被硬質(zhì)結(jié)構(gòu)封閉起來(lái)的系統(tǒng)打開(kāi)，使其成為一個(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)于硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，我們把這個(gè)結(jié)構(gòu)稱(chēng)為柔性結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)需要滿足如下條件：①在滿足行洪排澇要求的基礎(chǔ)上，保證岸坡穩(wěn)定，防止水土流失，水土保持強(qiáng)度大于99%；②它是一個(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)，與周?chē)鷳B(tài)系統(tǒng)密切聯(lián)系，不斷與周?chē)鷳B(tài)系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)交換；③ 它是動(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 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是可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)，是一個(gè)具有自我修復(fù)、自我完善和不斷發(fā)育的生命體，膜袋護(hù)坡結(jié)構(gòu)是唯一滿足上述條件的結(jié)構(gòu)，也是人類(lèi)在水利工程建設(shè)的歷史中所獲得的第一個(gè)有生命的系統(tǒng)。

3 膜袋護(hù)坡結(jié)構(gòu)的組成

柔性結(jié)構(gòu)邊坡由袋裝土單元(袋體單元)和連接扣組成基本結(jié)構(gòu),袋裝土單元通過(guò)連接扣將分散質(zhì)量變成集中質(zhì)量。這個(gè)結(jié)構(gòu)與其上生長(zhǎng)的植被形成一個(gè)有生命的系統(tǒng),如圖1～2所示。

圖1 柔性結(jié)構(gòu)護(hù)坡系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 膜袋護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式和植被

袋裝土(或者袋裝其他固體物)這種方式在修筑臨時(shí)圍堰、防洪應(yīng)急搶險(xiǎn)等方面早就已經(jīng)廣泛使用，其最早的應(yīng)用甚至可以追溯到中國(guó)漢代，古人在沙漠中修建城墻時(shí)便使用葦編筐裝填砂礫作為建筑單元壘砌。但把袋裝土單元應(yīng)用在邊坡構(gòu)造上并作為擋土結(jié)構(gòu)使用則是緣于20世紀(jì)90年代末期歐美國(guó)家對(duì)水環(huán)境保護(hù)所制定的一系列法律法規(guī)，這些法律法規(guī)對(duì)水泥等容易對(duì)水體產(chǎn)生破壞的材料在水利工程中的應(yīng)用做出了限制性規(guī)定。正是由于這些國(guó)家出臺(tái)的這些限制性規(guī)定，科學(xué)家開(kāi)始研究一種對(duì)環(huán)境友善并可以替代水泥石頭的新的護(hù)坡材料和工藝，袋裝土單元擋土結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生[3]。

這種護(hù)坡形式目前已經(jīng)開(kāi)始在一些發(fā)達(dá)城市和地區(qū)應(yīng)用在河道、湖泊、水庫(kù)、道路、山體等邊坡防護(hù)和治理中。張家港市一些河道近幾年也有一些初步的應(yīng)用，有一定生態(tài)效果，但還沒(méi)有形成成熟的設(shè)計(jì)體系和積累成熟的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)江蘇周邊地區(qū)這種護(hù)坡形式較成功工程案例的實(shí)地調(diào)研以及與專(zhuān)業(yè)研究機(jī)構(gòu)的技術(shù)交流，目前國(guó)內(nèi)對(duì)這種工藝的探索與研究尚處于起步階段，甚至很多設(shè)計(jì)單位對(duì)這種袋裝土單元的材料、力學(xué)性能、水力特性均不甚了了，對(duì)于膜袋材料的選擇更是五花八門(mén)、毫無(wú)章法，本文通過(guò)大量文獻(xiàn)和資料研究，并與權(quán)威研究機(jī)構(gòu)資深膜袋專(zhuān)家探討后，首次對(duì)袋裝土單元(膜袋)進(jìn)行科學(xué)定義，也是第一次公開(kāi)該定義。

3.1 新型土工膜袋

新型土工膜袋是指在一定克重(單位面積質(zhì)量)范圍內(nèi)對(duì)當(dāng)?shù)卮蠖鄶?shù)植物根系友好、其上植物能自然生長(zhǎng)并具有工程結(jié)構(gòu)所要求的長(zhǎng)期使用壽命的土工織物容器(圖3)，也可簡(jiǎn)稱(chēng)為生態(tài)膜袋。

圖3 膜袋袋體單元

本文引用上海易可(ECO)生態(tài)工程技術(shù)研究中心長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的研究數(shù)據(jù)，該研究中心對(duì)構(gòu)成袋裝土單元的膜袋材料在單位面積質(zhì)量在100～200 g范圍內(nèi)每間隔25 g為一組，縫制成相同尺寸的數(shù)個(gè)袋體，灌裝相同質(zhì)量的均質(zhì)泥土，取90°直立邊坡、1∶1、1∶1.53種坡度堆疊，以及1∶2、1∶3斜鋪、0°平鋪方式共6種，按一定比例播撒馬尼拉、狗牙根、高羊茅等草種，在相同自然條件下不加人為干預(yù)，經(jīng)歷春夏秋冬季節(jié)四季變遷，觀察樣本上上述草本的成活率、根系發(fā)育程度、耐干旱、宿根能力等。大量研究數(shù)據(jù)表明，植物根系與膜袋材料單位面積質(zhì)量(材料質(zhì)量對(duì)應(yīng)材料厚度)成正相關(guān)，即單位克重越大，植被覆蓋率越低，超過(guò)某一限定值，植物生長(zhǎng)及其困難，在沒(méi)有人為干預(yù)的情況下極端情況下甚至寸草不生。

膜袋材質(zhì)為100%聚丙烯[4](Polypropylene，簡(jiǎn)稱(chēng)PP)和一系列輔料復(fù)合而成復(fù)合PP。PP 是一種壽命非常長(zhǎng)的高分子有機(jī)聚合物，通常用于惡劣環(huán)境。

制成膜袋袋體的材料使用上述復(fù)合PP纖維經(jīng)電腦針刺而成無(wú)紡?fù)凉げ迹辉试S單面或者雙面燒結(jié)，以保留纖維之間的間隙以利植物根系穿透，這種土工布按一定規(guī)格縫制后成為新型土工膜袋。

對(duì)于不符合上述定義，即植物不能在其上自然生長(zhǎng)的土工織物容器我們則把它稱(chēng)為土工膜袋，以區(qū)別于上述植物能生長(zhǎng)的新型土工膜袋，同隸屬于土工合成材料大類(lèi)，材質(zhì)可以是PP、PE、PET等。

新型土工膜袋是土工膜袋的一種，但并不是所有能裝土的袋子就可以稱(chēng)之為新型土工膜袋，新型土工膜袋兼具強(qiáng)度、壽命、水力特性和植被覆蓋。

新型土工膜袋(裝土后)對(duì)植被友善，植物可以從里面長(zhǎng)出，見(jiàn)圖4(a)，也可以從表面扎根進(jìn)袋體內(nèi)，見(jiàn)圖4(b)，起到“固根保土”作用，為植被生長(zhǎng)提供必要的生存環(huán)境。

圖4 新型土工膜袋的“固根保土”作用

3.2 連接扣

連接扣主要是用于袋裝土單元之間的連接,將分散質(zhì)量轉(zhuǎn)變成集中質(zhì)量,增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

連接扣有兩種，一種是標(biāo)準(zhǔn)扣，用于構(gòu)造自立邊坡，另外一種是工程扣，其上有可與土工格刪相連接的掛鉤，用于加勁結(jié)構(gòu)(圖5)。

圖5 連接扣

連接扣材料采用與生態(tài)袋相同的PP材料制成，由于結(jié)構(gòu)建成后，連接扣并不暴露在紫外線照射下，因此其內(nèi)含的抗紫外線穩(wěn)定成分主要是為了搬運(yùn)和安裝過(guò)程中短暫的抗紫外線要求。

3.3 植被

柔性護(hù)坡結(jié)構(gòu)最核心的技術(shù)特點(diǎn)在于植被生長(zhǎng)和植被作用。新型土工膜袋袋內(nèi)裝的土壤為植被提供必要的生存環(huán)境，伴隨植被的生長(zhǎng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、整體性等會(huì)逐漸演變?yōu)橐灾脖蛔饔脼橹鲗?dǎo)。

4 新型土工膜袋護(hù)坡結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐

4.1 加勁擋土墻

新型土工膜袋護(hù)坡技術(shù)在中小河道生態(tài)治理中的實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用取得了良好成效。柔性結(jié)構(gòu)邊坡作為加勁擋土墻應(yīng)用是極具創(chuàng)新精神的嘗試,此舉對(duì)膜袋材料的耐久性極具挑戰(zhàn),在沒(méi)有任何工程先例和經(jīng)驗(yàn)可供借鑒的的情況下，促成這項(xiàng)工程試驗(yàn)并加以應(yīng)用富有挑戰(zhàn)性，通過(guò)與傳統(tǒng)漿砌塊石結(jié)構(gòu)的重力式擋土墻作對(duì)比，可試驗(yàn)其擋土能力，并評(píng)價(jià)其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。該項(xiàng)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，采用膜袋填充當(dāng)?shù)氐哪嗤磷鳛榻ㄖ卧o以土工格柵的加勁結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到與傳統(tǒng)漿砌塊石相同的擋土效果，而總投資遠(yuǎn)低于漿砌塊石這樣的硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，可節(jié)省投資70%以上，工期縮短50%以上，其附加的自然生態(tài)效果是傳統(tǒng)漿砌塊石所無(wú)法比擬的，見(jiàn)圖6。

圖6 加勁結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 微型加勁結(jié)構(gòu)

微型加勁結(jié)構(gòu)區(qū)別于土工格柵加勁結(jié)構(gòu)的地方在于可以大大減少土方開(kāi)挖量，減少對(duì)原始穩(wěn)定土體的擾動(dòng)，通過(guò)膜袋袋體“丁”字碼放，達(dá)到微型加勁的作用，從而構(gòu)造穩(wěn)定邊坡。圖7是微型加勁結(jié)構(gòu)示意圖和工程圖例，供廣大設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)參考。

圖7 膜袋“打丁”結(jié)構(gòu)示意圖

為了方便觀察膜袋“打丁”結(jié)構(gòu)，膜袋使用黑色。

4.3 膜袋“斜鋪”、“平鋪”、“疊鋪”

膜袋“斜鋪”適合于坡比在1∶2.5、1∶3甚至更平緩的穩(wěn)定邊坡[2]。理論上適用于任何小于30°的邊坡，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在受季節(jié)以及施工節(jié)奏影響不能快速進(jìn)行邊坡綠化時(shí)，則應(yīng)控制邊坡的角度不大于20°，以防止袋體填充物滑移產(chǎn)生形變導(dǎo)致膜袋邊坡整體“下挫”，見(jiàn)圖8。

圖8 膜袋“斜鋪”

膜袋“平鋪”、“疊鋪”則適合于任何小于30°的穩(wěn)定邊坡，見(jiàn)圖9～10。

圖9 膜袋“平鋪”

圖10 膜袋“疊鋪”

膜袋“平鋪”、“疊鋪”能有效避免袋體內(nèi)填充物滑移變形導(dǎo)致的膜袋邊坡“下挫”。

5 膜袋護(hù)坡形式的綜合評(píng)價(jià)

膜袋護(hù)坡這種新的護(hù)坡工藝和護(hù)坡材料自問(wèn)世以來(lái)，學(xué)術(shù)界一直沒(méi)有系統(tǒng)地對(duì)其投資經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)效益、環(huán)境的改善、適用范圍、后期維護(hù)等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)

5.1 社會(huì)效益

采用膜袋護(hù)坡結(jié)構(gòu)，直接減少了水泥、鋼材、石頭等材料的使用，初步研究表明，采用膜袋護(hù)坡的中小河道，每公里河道最少可減少500～1500 m3石材的使用量，減少碳排放和開(kāi)挖山體對(duì)環(huán)境和自然植被的破壞，更重要的是這種透水結(jié)構(gòu)使原本被封閉的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成一個(gè)能夠自我發(fā)育和自我完善的生態(tài)系統(tǒng)。

膜袋袋這種柔性結(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，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，新增綠化面積，增加了植物生物放氧量，使河道生態(tài)補(bǔ)償和生態(tài)修復(fù)成為可能，提高了河道、濕地的碳匯水平。

5.2 投資經(jīng)濟(jì)性

對(duì)膜袋護(hù)坡方案和塊石護(hù)坡、漿砌塊石方案進(jìn)行投資比較，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式，膜袋護(hù)坡方案可節(jié)約投資約15%～55%以上，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)。

5.3 對(duì)改善環(huán)境的貢獻(xiàn)

膜袋護(hù)坡具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 克服了漿砌塊石等硬質(zhì)護(hù)坡的呆板和生硬，水面以上部分袋體表面可以100%綠化，水位變動(dòng)區(qū)的袋體之間可以通過(guò)壓播、栽種水陸兩生植物，實(shí)現(xiàn)了從陸地景觀到水面景觀的自然過(guò)渡(2) 利用不同季節(jié)的植物的形狀和顏色，改善河道自然景觀；(3)由于膜袋具有“透水不透土”的特點(diǎn)，增加了邊坡對(duì)雨污水的過(guò)濾能力，固體顆粒和有機(jī)質(zhì)被保留在泥土中，改變了以往河水“一雨即渾”的現(xiàn)象，也減少了雨污水中有害物質(zhì)對(duì)水體的破壞；(4)水位變動(dòng)區(qū)和水位以下的水生植物，對(duì)于清除水體中N、P和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大有裨益，是今后利用水生植物進(jìn)行水體涵養(yǎng)、改善水質(zhì)、恢復(fù)水生動(dòng)植物群落和生態(tài)修復(fù)[5]的發(fā)展方向。

5.4 工程的后期維護(hù)

從工程維護(hù)角度分析，硬質(zhì)護(hù)坡具有一次性投資、維護(hù)少等優(yōu)點(diǎn)，而膜袋護(hù)坡則增加了一個(gè)植物的養(yǎng)護(hù)和后期維護(hù)。膜袋護(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)行自然更新，通常情況下無(wú)需維護(hù)，所以維護(hù)工作量不大。

6 結(jié) 語(yǔ)

河道治理必須找到自己的“低碳之路”，河道治理中盡量減少高耗能材料的使用，減少碳依賴(lài)，還河道以自然，改善水質(zhì)、涵養(yǎng)水源，是擺在水利管理部門(mén)面前亟需解決的問(wèn)題。

膜袋護(hù)坡技術(shù)所顯現(xiàn)的水土保持能力、與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的能力、生態(tài)性、環(huán)境友好性在目前邊坡防護(hù)、水土保持方面依然是獨(dú)一無(wú)二的。但膜袋護(hù)坡技術(shù)目前缺乏國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏系統(tǒng)性的研究，雖然膜袋護(hù)坡有了一些基本的應(yīng)用，但產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，增加了工程管理的難度，一些材料的耐久性和生態(tài)性尚有待于實(shí)踐的進(jìn)一步檢驗(yàn)，膜袋袋體材料選擇尚需要專(zhuān)業(yè)研究機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)的協(xié)同研究，并形成地方性標(biāo)準(zhǔn)，以進(jìn)一步完善這種工藝和材料的應(yīng)用，提高河流和濕地的碳匯水平，這也是本文成文的一個(gè)重要初衷。