水利工程岸坡生態(tài)防護(hù)新技術(shù)的應(yīng)用與展望

姚 璐，朱震東，王 璐

(1.南京市長(zhǎng)江河道管理處，江蘇 南京 210001；2. 南京市三汊河河口閘管理處，江蘇 南京 210036)

隨著人們對(duì)生態(tài)和環(huán)境的要求越來越高，水利工程中河流岸坡防護(hù)設(shè)計(jì)除應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定和耐久性等技術(shù)要求，還要兼顧改善河流周邊生態(tài)環(huán)境和城市景觀的需求。傳統(tǒng)的護(hù)坡形式如漿砌石、現(xiàn)澆混凝土、預(yù)制砼板等，違背了生態(tài)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的理念，因此需引入一些新的生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式。

生態(tài)護(hù)坡主要包括植被防護(hù)及植被與工程措施相結(jié)合的邊坡防護(hù)措施，在流速較小、岸坡沖刷不嚴(yán)重的平原圩區(qū)河道中，可僅采用植被防護(hù)。但在流速較大的山丘區(qū)河道中，需采取植被與工程措施相結(jié)合，以避免岸坡沖刷嚴(yán)重導(dǎo)致崩塌。文章選取了近年來在國內(nèi)水利工程中應(yīng)用較多的三種新型護(hù)坡形式(植被+工程措施)，包括三維土工網(wǎng)墊、底柱表孔型現(xiàn)澆綠化混凝土和生態(tài)袋柔性護(hù)坡技術(shù)，主要介紹了其應(yīng)用情況和適應(yīng)環(huán)境，并對(duì)三種護(hù)坡形式進(jìn)行綜合比較、分析及應(yīng)用展望。

1 三維土工網(wǎng)墊

三維土工網(wǎng)墊(3D-geonet)又被稱作三維植被網(wǎng)墊，是一種新型土工合成材料，采用高分子聚乙烯加工而成的復(fù)合網(wǎng)包結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其內(nèi)部可充填土壤、沙礫和細(xì)石，保證植物生長(zhǎng)。三維土工網(wǎng)墊植草防護(hù)技術(shù)，近幾年已在國內(nèi)外公路、鐵路 、水利(水庫、堤壩)、農(nóng)業(yè)(植草、種花)、環(huán)保(綠化)、體育場(chǎng)等工程中得到廣泛應(yīng)用。

圖1 三維土工網(wǎng)墊

三維土工網(wǎng)墊護(hù)坡作用機(jī)理可分為兩個(gè)階段：網(wǎng)墊鋪設(shè)完成后，在植物幼苗期，土壤基本上處于裸露狀態(tài)，植物的護(hù)坡作用幾乎可以忽略，此時(shí)的護(hù)坡系統(tǒng)主要由鉚釘、網(wǎng)墊、填充網(wǎng)墊的客土以及偶爾的降雨徑流組成，護(hù)坡系統(tǒng)中網(wǎng)墊以及客土受外力作用的情況如圖2所示。在植物長(zhǎng)成后，植物的根系與網(wǎng)墊網(wǎng)包交錯(cuò)纏繞，深入地表以下，網(wǎng)墊、植被和泥土三者形成復(fù)雜的加筋體系，牢固地貼合在土質(zhì)邊坡上，抵抗河道水流沖刷和雨水侵襲，可有效地防止水土流失。試驗(yàn)表明，在基于三維土工網(wǎng)墊的植草護(hù)坡情況下，水土流失量?jī)H為純草皮護(hù)坡的 1/5，為裸地的1/30。

圖2 三維土工網(wǎng)墊受力分析示意圖

2 底柱表孔型現(xiàn)澆綠化混凝土

普通現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡在河道工程中被廣泛應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)特性，不利于植物生長(zhǎng)，不具有綠化功能，同時(shí)也阻斷了生物交換。綠化混凝土是一種由粗骨料、膠凝材料(水泥)以及各種添加劑按一定比例混合制作而成的特殊混凝土。它具有孔隙率高、透水透氣性好等特點(diǎn)，可以滿足植物生長(zhǎng)的水土條件。文章介紹了近幾年在上海及江蘇地區(qū)應(yīng)用較多的一種新型綠化混凝土產(chǎn)品——底柱表孔型現(xiàn)澆綠化混凝土(如圖3所示)，該產(chǎn)品在上海市寶山區(qū)美蘭湖水系河道、江蘇啟東濱海園區(qū)江楓河和南京秦淮新河岸坡改造等一系列河道治理工程中，都取得了良好的綠化和防護(hù)效果。

圖3 底柱表孔型現(xiàn)澆綠化混凝土

底柱表孔型現(xiàn)澆綠化混凝土技術(shù)的原理是由碎石、水泥、水與特殊添加劑配伍，并采用特殊的設(shè)備制作而成，它的孔隙率高達(dá) 25%～35%。其底部采用特殊的方法，產(chǎn)生分布均勻的小柱子像釘子一樣牢牢扎入土中，使護(hù)坡更牢固。根據(jù)其材料特性，隨著孔隙率的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度下降，能夠適應(yīng)的抗沖能力也會(huì)隨之降低。目前該產(chǎn)品主要有LH1～LH5五種不同強(qiáng)度的型號(hào)，以適用于不同工程的土質(zhì)條件和河道流速，無論哪種型號(hào)的產(chǎn)品，后期植被覆蓋率都可以達(dá)到90%以上。

3 生態(tài)袋柔性護(hù)坡技術(shù)

生態(tài)袋是由聚丙烯(PP)或者聚酯纖維(PET)為原材料制成的雙面熨燙針刺無紡布加工而成的袋子。生態(tài)袋護(hù)坡技術(shù)原理主要是根據(jù)“土力學(xué)”“植物學(xué)”等基礎(chǔ)原理以及土工格柵的加筋耐久作用，在生態(tài)袋內(nèi)加入營(yíng)養(yǎng)土，構(gòu)建穩(wěn)定的護(hù)坡?lián)跬两Y(jié)構(gòu)，并在坡面種植草本、灌木等植物，實(shí)現(xiàn)治理環(huán)境和美化環(huán)境的目的。

生態(tài)袋于2004年引進(jìn)中國，2005年在中國開始進(jìn)行大規(guī)模推廣，主要運(yùn)用于建造柔性生態(tài)邊坡，現(xiàn)已成為河岸護(hù)坡、人工濕地、礦山復(fù)綠、高速公路邊坡綠化等工程領(lǐng)域重要的施工方法之一。通過植物根系和土工格柵的作用，袋體與岸坡土體緊緊聯(lián)系在一起，與常規(guī)的植被防護(hù)技術(shù)相比，能抵御較大的流速，并起到護(hù)腳和增加岸坡穩(wěn)定性的作用。生態(tài)袋袋體柔軟，具有較高的撓曲性，可適應(yīng)坡面的局部變形，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)地形條件堆疊成階梯坡狀或直立擋墻狀(如圖4所示)，因而特別適合岸坡較陡和坡度不均勻的區(qū)域。

圖4 生態(tài)袋柔性護(hù)坡典型斷面圖

4 生態(tài)護(hù)坡綜合比較與分析

生態(tài)護(hù)坡材料需要較好地為河道生態(tài)的連續(xù)性提供基礎(chǔ)條件，滿足不同工程的適應(yīng)性要求，綜合比較與分析這三種生態(tài)護(hù)坡形式，結(jié)果見表1。

表1 三種新型生態(tài)護(hù)坡形式比較

由表1可以看出，這三種新型的生態(tài)護(hù)坡形式均有各自的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用局限，三維土工網(wǎng)墊工程單價(jià)最低，經(jīng)濟(jì)性好，施工及維護(hù)簡(jiǎn)單，但網(wǎng)墊抗老化能力較差，在工程完成5～10年后難以保持良好的治理效果。底柱表孔型現(xiàn)澆綠化混凝土和生態(tài)袋柔性護(hù)坡雖然工程造價(jià)高，但材料的耐久性更好，其中綠化混凝土可以抵抗水流流速≥3m/s，對(duì)于岸坡沖刷嚴(yán)重的河道，能夠最大程度地減少水土流失。但綠化混凝土的膠凝材料普遍采用普通硅酸鹽水泥，水泥水化反應(yīng)釋放堿性物質(zhì)使孔隙液的pH很高，植被無法正常生長(zhǎng)，需進(jìn)行降堿處理。

因此，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同工程類型、地質(zhì)條件和施工條件選取適合的技術(shù)形式，同時(shí)考慮工程的經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)性。

結(jié)合已完成的工程經(jīng)驗(yàn)，新型生態(tài)護(hù)坡目前在國內(nèi)發(fā)展的關(guān)鍵問題是：

(1)在護(hù)坡原材料方面，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，存在更多的創(chuàng)新和優(yōu)化空間，如更環(huán)保、更耐久、更經(jīng)濟(jì)的土工材料的應(yīng)用。

(2)由于各地域的氣候、環(huán)境和水土條件各不相同，所以要因地制宜地選擇合適的草種，并盡可能地種植多品種植被，以保證生態(tài)多樣性。

(3)施工完成后，需定期對(duì)植被進(jìn)行養(yǎng)護(hù)及管理，目前國內(nèi)很多工程后期養(yǎng)護(hù)成本投入不夠，管理職責(zé)不明，導(dǎo)致難以達(dá)到預(yù)期的效果。

5 結(jié)論與展望

岸坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)護(hù)坡技術(shù)的不足，該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)岸坡安全穩(wěn)定及耐久目標(biāo)的同時(shí)，為生物創(chuàng)造了良好的生存環(huán)境。植被+工程措施型的生態(tài)護(hù)坡形式是水利工程岸坡生態(tài)防護(hù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，國內(nèi)目前在技術(shù)和管理上還存在一些需要改進(jìn)的地方，因此要加大對(duì)新型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的分析和研究，使其在不同工程領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。