浅谈生态护坡技术在水利工程中的应用

　　摘 要：在水利工程建设过程中, 需保障生态平衡, 维护景观美化, 降低水利项目对生态系统造成的不利影响。生态护坡既能满足边坡对水体的储蓄要求、提高防护标准, 又有利于恢复生态平衡。对典型生态护坡技术的特点和应用条件进行了整理和归纳, 可为水利工程边坡综合治理提供参考和借鉴。

　　关键词：生态护坡; 护坡工程; 工艺分析; 水利工程

　　1 研究背景

　　1.1 国内外概况

　　发达国家关于传统护坡技术对环境与生态的影响研究较早, 自20世纪70年代开始, 针对水利工程对河流生态系统产生的负面影响, 国外就提出生态补偿措施, 并开展了河流生态工程。德国将其称为“河川生态自然工程”, 美国称为“自然河道设计技术”, 日本则命名为“多自然型建设工法”[1]。20世纪90年代初, 日本首先提出“亲水”概念, 即将生态护坡技术与城镇河道建设结合, 提倡凡有条件的河段应尽可能利用木桩、竹笼、卵石等天然材料来修建生态河堤。为挽救城市河流的生态, 堤坝修筑不再用混凝土而是改用天然石块, 还草木自然生长的空间[2]。国外诸多规范和标准中也都提及了需将水利工程、景观美化和保护自然资源相结合。如《堤防设计与施工》 (美国, EM 1110-2-1913) 中提到“为了防护、美观及保护自然资源, 堤防及其周围的植被 (树木、灌木、草) 也是设计中应考虑的重要部分”;德国《防洪堤》 (DIN19712) 技术标准中提及“在确定防洪堤标准时, 对公共利益, 如自然景观、城建、社会方面的要求及河滩生态系统保护等也要予以考虑”[3]。

　　我国在水利工程中生态护坡技术应用方面起步较晚, 近年来在吸收国外河道整治和生态护坡研究成果的基础上, 许多省市展开了生态护坡研究和应用, 尤其在城市河道边坡治理方面。如上海市青浦区的章浜河整治项目, 采用多种生态护坡技术相结合的方法, 取得了较好的生态与社会效益;广东中山市岐江公园设计的栈桥式生态亲水湖岸, 在解决较大水位波动影响的同时也营造了秀丽的景观环境[4]。

　　《堤防工程设计规范》 (GB50286-2013) 和《堤防工程施工规范》 (SL260-2014) 是我国堤防工程建设中指导性规范文件, 但也存在一定局限性, 体现在对堤防工程的环境效应、景观效应和生态补偿方面重视不够。如河坝的修建会造成顺水流方向的河流非连续化, 筑堤使侧向水流的连通性受到破坏, 而且景观相对单一, 观赏性和舒适性欠佳, 未全面考虑人的亲水性和近水需求。

　　1.2 研究意义

　　健全的河岸带生态系统具有调节径流、涵养水源、调节微气候、提供水陆生物栖息和繁衍场所等生态服务功能。目前我国水利项目中普遍存在过度硬化现象, 亟需开发和应用工程安全和生态保护兼顾的生态护坡技术。生态护坡不仅应具有传统护岸的行洪、排涝以及水土保持等功能, 同时还需综合考虑城市景观、生态和人文气息等内容, 以求实现人和自然的和谐共处, 实现水生态文明的可持续发展。结合生态水工学的基本要求, 借鉴国内外在河道生态护坡研究方面的丰富经验, 改进其不足之处, 研发具有中国特色的河道生态护坡技术迫在眉睫。为此, 本文归纳了典型的生态护坡技术, 着重介绍了不同种类生态护坡技术的功能和适用性。

　　2 典型生态护坡技术

　　基于最佳水力断面水力半径的理论, 传统的护坡护岸工程大多选用M (投资最省) ~Q (流量最大) 的计算方式, 力求确保结构稳定、材料选择达到断面硬化和较低的水力糙率, 优先考虑防冲固坡功能, 因此对水体的自然属性可能会造成一定程度的伤害。结合工程力学、土壤学、生态学和植物学等多学科理论, 采用生态护坡护岸技术可构建植物本身或工程与植物相结合的生态系统。实际工程应用中, 须充分考虑多方面因素, 如边坡的稳定性、安全性, 植被与周围环境的相适性, 当地气候条件与土壤条件对植被的影响, 植被的生长与繁殖能力以及工程后期的运行与维护管理[5]。

　　2.1 土工格室护坡

　　土工格室护坡是指将改良后的外来土均匀铺展在嵌入坡面的土工格室内, 用三维网固定, 再利用喷播育种技术实施固坡, 见图1。首先, 格室结构作为坡面与水流的隔离层, 可有效减缓水流对坡面的直接冲刷, 且网络状的多维结构可极大削弱水体的侵蚀作用。其次, 格室内呈松散状态的填充土料可有效降低坡面的径流流量, 起到消能作用。另外, 格室对土颗粒具有侧限保护作用, 减少土壤的流失, 降低了格室下部坡面的水力侵蚀。土工格室与植草技术相结合的方式对边坡有很好的保护作用, 主要特点为:可应用于各类地区及不同类型边坡, 绿化效果好, 可提高坡面排水性能。

　　该技术采用的主要材料为由多孔混凝土、保水材料、缓释肥料和表层土组成的植被型生态混凝土。多孔混凝土的主要成分为粗骨料、水泥和细掺合料, 构成植被型生态混凝土的骨架。保水材料常用有机质保水剂, 辅以无机保水剂, 确保植物生长具有充足水分。表层土覆盖在多孔混凝土表面, 提供植被生长的空间和养分, 同时可降低混凝土表面过热对植物生长的影响。主要特点为:混凝土植草砖具有防水流冲刷的保护作用, 兼有保护生态环境、美化环境及施工便利等优点。

　　2.3 石笼填石型护坡

　　石笼填石是将块石等材料填充入由钢丝网架构成的箱笼内, 坡体的基本结构分为挡墙、护坡、护底、护脚和水下抛石。选用具有一定抗拉强度的钢丝作为方格网防护体, 同时保持一定的填充料空隙度, 使之具备适应变形的能力。如若地基发生不均匀沉降、地震等情况, 材料仍填充于箱笼内, 继而自行调整直至保持新平衡。箱笼具有柔性结构, 因此, 即使防护工程表面发生较小的变形, 也不会因产生裂缝、网箱被拉断等造成防护体破坏。主要特点为:性价比高, 施工便捷, 可承受大范围变形, 适应能力强, 具有良好的渗透性, 耐腐蚀, 便于取材等。

　　2.4 编柳抛石型护坡

　　该技术采取新截取的柳条呈十字交叉编制成格框, 编柳空格内抛填20~40cm粒径的块石, 块石下设厚10~20cm的砾石层以利于排水, 并可减少土壤流失。柳格平面尺寸约为0.3m×0.3m或1 m×1m, 厚度为30~50cm, 发芽后的柳条具有较强的保护性能。其主要特点为:保护性强。

　　2.5 生态袋型护坡

　　生态袋是采用聚丙烯 (PP) 或者聚酯纤维 (PET) 等材料制成双面熨烫的无纺布经单面烧结后制成的袋子。该结构可有效减少土壤和营养混合物的流失, 同时保持土壤的水润性。将选定的混合种子、保水剂和微生物肥料等均匀混合, 置入可降解的两层无纺布中, 然后采用抗老化的滤网包裹, 最后缝制成所需规格, 垒砌成护坡。其主要特点为:抗紫外线、抗老化、抗酸碱、抗微生物侵蚀和透水性强, 同时可有效消减土体回弹产生的土压力, 抗震性较好, 施工简单、快捷, 无需大型施工机械, 无噪音, 工程造价低。

　　2.6 生物活性无土植被毯护坡

　　生物活性无土植被毯为采用纤维束制作的由固底构件组成的活性固土植被培植器件, 其内种植有根须的植物, 沿堤岸和斜坡的底端线布置, 或者按照中间方向排列, 见图2。待纤维束充分吸水后, 固底构件的重量显著增加, 可防止堤岸和斜坡底端的土石流失。待植物根须延伸至堤岸和斜坡的底端面内, 可加固堤岸和斜坡底端的土石, 防止泥土流失或者塌方, 同时植物的种植可绿化环境、改善景观。主要特点:该技术主要用于坡度小于45°的全风化及强风化边坡, 且边坡应保持平坦、富含有机质, 适合植被生长。

　　铰接式护坡结构是由尺寸、形状和重量一致的混凝土块体通过若干根缆索相互联接的联锁矩阵, 缆索的材质由块体的大小、铺面长度和施工现场条件决定。该试块具有约25%的高开孔率, 主要起到渗水、排水、消能的作用;沟槽可削弱水体的冲击力度, 起到碎波防浪的作用;同时通过缆索受力分析和光缆检测技术可及时预报堤坝的安全状况[6-7]。主要特点:该结构可抵抗高速水流冲刷;可机械施工, 大大缩短工期, 降低综合造价。

　　2.8 联锁式水工砌块护坡

　　联锁式水工砌块是将干硬性的细石混凝土经成型机振动、加压制成特殊外形混凝土砌块, 砌块中产生的大孔及相邻两块联锁块间的连接孔既可作为植生孔, 也可添加多级配碎石起到消能作用。若坡度较陡, 可在小孔中插一锚固棒, 将联锁块与土体连接, 保持结构的稳定;楔形槽具有联锁功能, 防止护坡块发生偏移;周边槽形能消散水流和波浪的部分能量, 减少淤泥的产生;通过水工砌块之间的联锁啮合作用, 可形成相对稳定的组合体, 从而保障坡体的稳定性[7]。主要特点:砌块密实度好、强度高, 坡体具备抗冲击性、抗冻、抗腐蚀性, 材料持久耐用并可重复利用;砌块施工方便快捷, 无需大型设备, 维护方便、经济, 后期养护成本较低。

　　2.9 喷混植生式护坡

　　喷混植生式护坡技术, 又称为“阶梯式植生带绿化工法”, 即利用液态喷播技术原理, 将生命力强的植物种子与水、肥料、防土壤侵蚀剂、内覆纤维材料、保水剂和色素等按一定比例混入容器内, 充分搅拌至全悬浮状态。通过离心泵把混合液装入消防软管进行喷播, 然后铺设无纺布, 外覆一层铁丝网或局部进行钢筋锚固。喷混植生式护坡技术实施前后效果对比如图3所示。主要特点:通过镀锌铁丝网和钢筋的锚固作用增大边坡表面抗拉力, 可有效地避免崩塌和碎石掉落, 确保山体和道路安全, 植被可快速成型, 起到抗侵蚀和减缓水土流失作用, 保障边坡的稳定性。

　　对以上所述的多种护坡类型进行了多方面的比较, 结果见表1。

　　3 结语

　　传统的护坡工程主要考虑防洪和稳固河势, 忽视了生物生存和人文环境营造。生态型护坡顺应了人与自然和谐共生的要求, 是现今护坡护岸工程建设的主流。在实际工程应用中, 应根据主体工程和地域特点选择经济、适宜的生态护坡护岸技术。

　　参考文献

　　[1]Gray D H, Sotir B R.Biotechnical and Soil Bioengineering Slope Stabilization:apractical guide for erosion control[M].Toronto:John Wiley&Sons, 1996.[2]河道治理中心 (日本) .多自然型河流建设的施工方法及要点[M].周怀东, 杜霞, 李怡庭, 等 (译) .北京:中国水利水电出版社, 2003.[3]William J M.Ecological engineering:The 7-year itch[J].Ecological Engineering.1998, 10 (2) :119-130.[4]邵亮, 胡海辉.城市公园生态驳岸设计研究[J].黑龙江农业科学, 2013 (7) :92-96.[5]缪欣欣.几种新型材料在我市水利工程中的应用[J].广东水利电力职业技术学院院报, 2010, 8 (1) :22-25.[6]颜建.铰接式升天护坡块在水环境护岸工程中的应用[J].南水北调与水利科技, 2012, 10 (1) :115-117.[7]曹载宏.生态联锁式护坡技术生河道护坡工程中的应用[J].水利规划与设计, 2014 (1) :51-53.

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