風(fēng)沙干旱地區(qū)粉細(xì)砂堤防生態(tài)護坡新技術(shù)研究與應(yīng)用

閆鵬飛

(遼寧省綏中縣水利建筑工程公司，遼寧 綏中 125200)

粉細(xì)砂堤防由于其水土保持能力差，堤坡植被很難成活，堤防生態(tài)效果差，其裸露部分容易揚塵，也嚴(yán)重影響區(qū)域環(huán)境質(zhì)量[1]。堤防經(jīng)過長時間的風(fēng)剝雨蝕后，堤身雨淋溝遍布，給堤防安全運行造成嚴(yán)重威脅[2]。生物護坡的載體對風(fēng)沙干旱地區(qū)粉細(xì)砂堤防護坡的建設(shè)不適用，目前常見的生態(tài)護坡型式有生態(tài)聯(lián)鎖磚[3- 6]、生態(tài)混凝土等型式[7- 8]，生態(tài)聯(lián)鎖磚由于生態(tài)效果、抗沖刷、水保功能效果較為一般，在后期運維管理處于中等層次，從早期應(yīng)用的工程實例效果來看，生態(tài)聯(lián)鎖磚的后期運維和建設(shè)周期均很難得到有效保障，工程實施效率不高；而生態(tài)混凝土雖然生態(tài)效果良好，但其建設(shè)工期較長、前期養(yǎng)護費用較高，與堤防內(nèi)部土質(zhì)相關(guān)性較低，較難采用內(nèi)部涵養(yǎng)水分進(jìn)行土體的補給，需要人工澆灌，后期養(yǎng)護費用很高[9- 11]。坡改平生態(tài)護坡技術(shù)是近年完成的一項水土保持科研成果。該技術(shù)是為解決目前在高速公路基礎(chǔ)設(shè)施中廣泛存在的土壤水土流失問題而開發(fā)的一項新式生態(tài)護坡技術(shù)[12- 15]，但在河道應(yīng)用還較少，坡改平生態(tài)護坡技術(shù)的特殊結(jié)構(gòu)決定了它特別適合公路、河道等野外粗放式管理的建設(shè)項目，完全可以靠天然植被恢復(fù)綠化邊坡，而且自然恢復(fù)的野草抗旱能力強且可耐瘠薄，對風(fēng)沙干旱區(qū)的適應(yīng)性能較好，可以有效縮減綠化成本和后期養(yǎng)護費用，降低工程相關(guān)成本。

1 風(fēng)沙干旱地區(qū)粉細(xì)砂堤防堤坡破壞機理研究

風(fēng)沙干旱地區(qū)粉細(xì)砂堤防堤坡破壞主要受氣候條件、土壤特性、植被覆蓋等因素影響。

1.1 氣候

風(fēng)沙干旱地區(qū)降雨較少，堤坡土壤水分補給不足，堤坡植物較難存活，植被覆蓋率低。如遼寧省柳河彰武段屬于溫和半濕潤的季風(fēng)大陸性氣候，四季分明，雨熱同季，光照充足，晝夜溫差大，春季風(fēng)大且多，寒冷期長，年平均氣溫7.2℃，最高溫度37.4℃，最低溫度-30.4℃，平均風(fēng)速3.8m/s，最大風(fēng)速38m/s，年均降水量510.3mm，平均相對濕度61%，平均無霜期156d；柳河新民段屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，氣候溫和，平均溫度7.6℃，年降水量608mm，無霜期160d，常年主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng)，平均風(fēng)速為4.1m/s，最大風(fēng)速為20m/s，年平均日照為2753.2h。柳河兩岸堤防堤坡裸露，長時間經(jīng)受風(fēng)剝雨蝕后堤身破損嚴(yán)重。

1.2 土壤特性

粉細(xì)砂土料存在抗剪強度低、水土保持和抗沖性能差等問題，造成粉細(xì)砂堤防堤坡水土流失嚴(yán)重，土壤貧瘠，堤身容易受雨水淘刷形成雨淋溝，威脅堤防安全運行。柳河為多泥沙河流，柳河鬧德海以上流域植被稀少，土壤侵蝕嚴(yán)重，侵蝕模數(shù)在2000t/km2以上，河流含沙量都超過40kg/m3，是遼河流域產(chǎn)沙最多的地區(qū)。兩岸堤防堤身填土主要由河道兩岸的粉細(xì)砂夾粉土組成，呈黃—黃褐色，呈松散—稍密狀態(tài)。堤身土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果詳見表1。堤身、堤基粉細(xì)砂顆粒間無黏聚力，且內(nèi)摩擦角較小，抗剪強度低；平均粒徑較小造成粉細(xì)砂抗雨水淘刷能力弱。

1.3 植被覆蓋

植被覆蓋和枯枝落葉可以有效降低雨滴濺蝕并可對一些降水量進(jìn)行有效攔截，降低降雨產(chǎn)流量，具有保水效益，有效降低水土流失量。此外，植被可提高土壤孔隙比例和結(jié)構(gòu)，增加土壤下滲水量，降低徑流量和水流速率。通過對徑流的天然調(diào)蓄作用，有效防止水流對土壤顆粒的沖刷作用。另外植物更細(xì)可以增加土壤的固結(jié)效應(yīng)，防范坡面水土流失的形成，對斜坡和陡坡進(jìn)行有效間隔，增強流域保沙能力。

考慮到氣候條件基本無法改變，筑堤土料摒棄沿線是取用方便、價格低廉的粉細(xì)砂，外購?fù)亮瞎こ淘靸r較高，經(jīng)濟合理性差，要解決風(fēng)沙干旱地區(qū)粉細(xì)砂堤防堤坡破壞問題，合理可行的途徑是利用生態(tài)護坡解決植被覆蓋率低的問題。

2 風(fēng)沙干旱地區(qū)粉細(xì)砂堤防護坡型式探索

考慮到生物護坡的載體不適合風(fēng)沙干旱區(qū)粉細(xì)砂筑堤的建設(shè)，因此需采用其他護坡方式進(jìn)行生態(tài)加固，本文對當(dāng)前2種河道治理工程中常用的生態(tài)護坡方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，從而探索適合于風(fēng)沙干旱地區(qū)粉細(xì)砂筑堤的新的生態(tài)護坡型式。

2.1 生態(tài)聯(lián)鎖磚

生態(tài)聯(lián)鎖磚是由不同規(guī)格和型號組成的混凝土預(yù)制塊體的總稱，一般厚度為100mm，長400～500mm，寬約300mm，中間有1個或多個孔洞，用以填充種植土并栽植作物，由于其具有一定抗沖性能并為坡面植被生長提供空間，因此通常稱其為生態(tài)聯(lián)鎖磚，用以區(qū)分實心聯(lián)鎖磚與傳統(tǒng)的鎖磚，生態(tài)連鎖磚適合于小流域水土流失控制的堤防建設(shè)，聯(lián)鎖式護土磚具有獨特聯(lián)鎖功能，可有效降低水流沖擊下磚塊的整體穩(wěn)定性，其柔性開孔的滲透性能可以有效降低沖擊水流的流速，降低水流壓力和提升排水性能，滲水和排水作用由于開孔得到增強，此外也可增加植被覆蓋度，生態(tài)效果明顯。

2.2 生態(tài)混凝土

生態(tài)是指生物體與其周邊環(huán)境(包括非生物環(huán)境和生物環(huán)境)的相互關(guān)系；混凝土(“砼”是其簡寫，同義詞)，由膠凝材料、水料和骨料按照一定比例進(jìn)行配置產(chǎn)生，通過一定養(yǎng)護硬化后形成的人為材料，具有一定生態(tài)效益的混凝土稱作為生態(tài)混凝土，和傳統(tǒng)混凝土相比，這類混凝土水泥用量明顯減少，具有較好的透水性能和凈化水質(zhì)的功能，友好環(huán)境和生物兼容性特點較為突出，其生態(tài)效應(yīng)主要為可以附著生物，對生物成長影響程度低。

2.3 新的護坡型式探索

由于生態(tài)聯(lián)鎖磚保土抗沖性能、生態(tài)效果等均一般，前期養(yǎng)護以及后期養(yǎng)護管理費用均偏高，且后期養(yǎng)護很難有保證，工程效果保證率較低；而生態(tài)混凝土建設(shè)工期較長、前期養(yǎng)護費用較高，后期養(yǎng)護費用更高，作物需水主要通過降水外，還需要進(jìn)行人工澆灌，內(nèi)部土體可利用水分相對較少，因此，在部分對保土抗沖性能及生態(tài)效果要求較高的地區(qū)，探索一種新的生態(tài)護坡型式是十分必要的。經(jīng)調(diào)研，坡改平生態(tài)護坡能滿足上述要求。

表1 堤身土顆分試驗成果統(tǒng)計表

坡改平生態(tài)護坡技術(shù)是近年完成的一項水土保持科研成果。該技術(shù)是為解決目前在高速公路、河道等基礎(chǔ)設(shè)施中廣泛采用的六角空心護坡磚存在的單塊磚內(nèi)流失體積20%～80%的土壤的水土流失問題而開發(fā)的一項新式生態(tài)護坡技術(shù)。坡改平生態(tài)護坡技術(shù)的特殊結(jié)構(gòu)決定了它特別適合公路、河道等野外粗放式管理的建設(shè)項目，完全可以靠天然植被恢復(fù)綠化邊坡，而且自然恢復(fù)的野草適應(yīng)性強，抗干旱、耐瘠薄，除可節(jié)省大筆綠化費用外，還可以大大減少后期管護的費用，降低工程造價。

3 坡改平生態(tài)護坡技術(shù)原理及工藝

3.1 技術(shù)原理

其結(jié)構(gòu)原理與生態(tài)聯(lián)鎖磚大體相同，均為通過混凝土預(yù)制塊的安裝和彼此連接完成對整個坡面的覆蓋，并通過預(yù)制塊中間的孔洞進(jìn)行坡面生態(tài)恢復(fù)，除去外形上的差別外，2者最大的區(qū)別有2點，第一點為坡改平生態(tài)護坡砌塊上坡面是水平的，下坡面是傾斜的，也就是通過在坡面上施工將原本斜坡面改造成類似于梯田性質(zhì)的連續(xù)臺階，進(jìn)而達(dá)到保水降低坡面垂向水流流速的作用，也是坡改平名字的主要來源；第二點是坡改平生態(tài)護坡砌塊的下坡面有3道阻滑齒，進(jìn)一步提高了與坡面的摩擦力，保證了穩(wěn)定性。坡改平生態(tài)護坡砌塊結(jié)合內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將坡面進(jìn)行小平面剖分，與底部坡面進(jìn)行融合，坡面上端處于水平狀態(tài)，坡面土壤穩(wěn)定狀態(tài)得到保持，可以達(dá)到保水減沙效益。與老式六角空心磚相比，這項技術(shù)使土壤流失量降低90%以上，從而提高坡面防護標(biāo)準(zhǔn)。適宜栽種草本植物有高羊茅、葦狀羊茅、紫花苜蓿、無芒雀麥、五葉地錦、二月蘭等。

3.2 施工工藝

坡改平生態(tài)護坡砌塊施工順序為從下至上，即在坡面整平后，先在坡腳處做好漿砌石護腳，然后從護腳向上逐層施工，坡改平生態(tài)砌塊下部需要根據(jù)坡比的不同向坡面內(nèi)下臥一定深度以保證頂部水平，上部與坡面緊密相接即可，在每塊坡改平生態(tài)護坡砌塊施工完后向內(nèi)部填充拌合了草籽和肥料的種植土并壓實，待施工到接近坡面頂部不足一塊砌塊的空間時，采用上坡腳砌塊或現(xiàn)澆混凝土封頂，下部與護腳連接同樣在空隙處采用現(xiàn)澆混凝土封堵，避免雨水通過空隙直接接觸坡面造成接觸沖刷，砌塊內(nèi)植被與種植土一方面可以減緩滲透進(jìn)入堤防的水流流速，降低坡面水流流速，另一方面在堤內(nèi)孔隙水通過坡面滲出時還可以起到反濾的作用，避免堤防內(nèi)細(xì)顆粒土體流失，造成堤防臨水邊坡失穩(wěn)。坡改平生態(tài)護坡砌塊為六角方格，每個外邊長均為20cm，單體重量在15kg左右，適合人工施工，根據(jù)調(diào)研，每平米(8塊)至工程現(xiàn)場落地價約為110元，人工擺放單價為20～25元/m2，種植土加草籽、肥料施工完為5～7元/m2，即坡改平生態(tài)護坡砌塊的建筑工程直接投資約為135～142元/m2。早期養(yǎng)護簡單是坡改平生態(tài)護坡砌塊的又一大特點，由于其對坡面的保水性較好，因此其灌水周期相對較長，對于降雨的收集率及利用率均較高。

4 工程實例

4.1 工程概況

柳河是遼河中下游右側(cè)的一條多泥沙支流，其流經(jīng)的彰武縣境內(nèi)缺乏黏性筑堤土料，基本采用粉細(xì)砂筑堤，現(xiàn)狀護岸主要為混凝土板護坡，堤防生態(tài)恢復(fù)差。經(jīng)過雨淋水泡后，水土流失造成的堤防脫坡和局部塌陷等現(xiàn)象嚴(yán)重影響堤防安全運行。粉細(xì)砂堤防由于其水土保持能力差，堤坡植被很難成活，堤防生態(tài)效果差，其裸露部分容易揚塵，也嚴(yán)重影響區(qū)域環(huán)境質(zhì)量；堤防經(jīng)過長時間的風(fēng)剝雨蝕后，堤身雨淋溝遍布，給堤防安全運行造成嚴(yán)重威脅。

鑒于風(fēng)沙干旱地區(qū)粉細(xì)砂不適合直接作為生物護坡的載體，應(yīng)通過其他工程措施對堤坡進(jìn)行生態(tài)建設(shè)。

4.2 坡改平生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.2.1坡頂封頂型式優(yōu)化

目前，坡改平生態(tài)護坡工程中，坡頂基本都采用護坡砌塊直接與坡頂銜接的型式，由于坡改平特殊的六邊形結(jié)構(gòu)，坡頂最上面的砌塊不一定能與頂面剛好接上，造成護坡與坡頂結(jié)合不緊密，在雨水淘刷下，坡頂處土容易流失，且存在施工不夠方便、外觀效果不好等問題。采用混凝土抹面封頂可以使護坡砌塊與坡頂更緊密的銜接，防止坡頂處水土流失，而且能增強護坡的抗滑穩(wěn)定性及外觀效果。如圖1所示?；炷聊婢唧w規(guī)格為：厚5cm，水平段長15cm，坡面段長度根據(jù)最上面的砌塊與坡頂?shù)木嚯x確定。

圖1 坡頂封頂型式優(yōu)化示意圖

4.2.2砌塊內(nèi)土壤改良

為了護坡砌塊內(nèi)植物存活率高，坡改平護坡砌塊內(nèi)的土料以耕植土為宜。對于以粉細(xì)砂為主的風(fēng)沙干旱地區(qū)，耕植土稀少，外購成本較高，沿線土料主要為砂質(zhì)土，取用方便、造價較低。其中，地表清基土料粉土含量相對較高，取用并進(jìn)行改良，以滿足植被生長要求，可以取代外購耕植土，降低工程造價。

4.3 坡改平生態(tài)護坡實際效果檢驗

為了檢驗坡改平生態(tài)護坡的實際效果，我們在柳河彰武縣城段做了1個長100m的試驗段。

4.3.1施工前準(zhǔn)備

現(xiàn)狀護坡拆除后，進(jìn)行場地清理和邊坡整理，并外購護坡砌塊、耕植土等材料。采用的砌塊技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 砌塊技術(shù)指標(biāo)

4.3.2砌塊鋪設(shè)施工

(1)按照要求，沿坡度縱橫掛線，然后按線鋪裝，自下而上鋪設(shè)，相鄰護坡砌塊擠緊，做到橫、豎、斜線對齊，上表面水平。

(2)以垂向砌塊邊緣作為鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，沿水平方向依次進(jìn)行磚塊鋪設(shè)，按照坡比對砌塊垂向埋深進(jìn)行確定，相鄰的磚塊之間按照同一個橫向標(biāo)準(zhǔn)水平線進(jìn)行鋪設(shè)，采用梅花型進(jìn)行橫向磚塊的鋪設(shè)，相鄰2個磚塊之間的斜向高程在9cm左右，斜上方砌塊處于中間位置為最佳鋪設(shè)方位。

(3)坡腳第一排砌塊設(shè)置一道坡腳石，頂面與坡腳倚靠在坡腳石上且與頂面平齊。砌塊內(nèi)填土以低于上邊緣2cm控制。

4.3.3護坡砌塊內(nèi)植物栽植

(1)植物栽植。坡改平護坡砌塊安裝完成后，在砌塊孔內(nèi)填充砂質(zhì)土和農(nóng)家肥，適當(dāng)搗實，開始撒播草籽。撒播草籽標(biāo)準(zhǔn)：高羊茅撒播種籽約10粒/孔，苜蓿為撒播種籽約5粒/孔，然后覆土1cm，覆土后，每塊砌塊內(nèi)土壤表面距磚上沿2cm。

(2)灌溉。施工完成后灌足水一次，灌水時采用噴灌、慢灌，以防水從砌塊內(nèi)溢出對下層砌塊內(nèi)的土壤和植物造成沖刷破壞。

(3)栽植植物養(yǎng)護管理。在施工后的前15d內(nèi)，應(yīng)視天氣和土壤墑情進(jìn)行灑水灌溉，保持砌塊內(nèi)土壤濕潤直至草種發(fā)芽并長出3片真葉后適當(dāng)減少噴水次數(shù)。施工后一個月內(nèi)視天氣和植物生長情況適當(dāng)補充水分，注意保苗。施工完成后，經(jīng)過3個月的觀察，護坡砌塊內(nèi)的植物生長情況很好，坡面土壤流失問題得到解決。

4.3.4效果對比

工程實施后水土保持效果顯著。該技術(shù)與老式護坡磚相比減少土壤流失量可達(dá)到90%以上，特殊水平結(jié)構(gòu)使磚內(nèi)攔蓄降水和保水效果顯著增強。植物措施配置方法也較多，景觀效果好。該技術(shù)豐富了植物措施設(shè)計方案的選擇空間，使坡面綠化從單一草本綠化拓展到灌木與草本相結(jié)合進(jìn)行綠化美化，并可以根據(jù)景觀需要在坡面上以灌木和草本組合出不同的圖案造型，使護坡工程與周邊環(huán)境融為一體。此外，后期管護投入少，自然植被長勢旺盛，蓄水保土和景觀效果良好，并可大大降低后期管護投入。

5 結(jié)語

(1)坡改平生態(tài)護坡適用于坡面水土流失嚴(yán)重的堤防護坡工程，此外坡改平生態(tài)護坡綜合單價約135元/m2，造價相對較高，比較適用于對生態(tài)景觀要求較高的城市段。

(2)護坡砌塊與坡頂可采用混凝土抹面進(jìn)行銜接，可減少坡頂處水土流失，增加抗滑穩(wěn)定性及外觀效果，對于耕植土缺乏的地區(qū)，采用地表清基的砂質(zhì)土拌和農(nóng)家肥代替耕植土可節(jié)約工期及工程投資。