几种常用河道生态护坡及其适用性分析

2015-12-22马继侠徐海波浙江省天正设计工程有限公司浙江杭州300浙江省水利河口研究院浙江杭州3000

安徽农业科学 2015年23期

马继侠，徐海波，滑磊 (.浙江省天正设计工程有限公司，浙江杭州300;.浙江省水利河口研究院，浙江杭州3000)

传统的河道护坡在河床、护岸稳定方面效果很好，但却忽视了环境保护和生物生存的需要。随着人们环保意识的增强和生态环境保护的要求，传统的硬质护坡已经不能满足人类社会发展的需要［1］。因此，生态护坡的出现，顺应了人与自然和谐持续发展的需求，不仅是河道护坡工程建设的一大进步，也将成为今后护坡工程建设的主流［2］。生态护坡在国内的应用逐渐增多，但对不同类型的生态护坡进行系统的分析研究很少。该文例举了较常用的几种生态护坡，并对其适用性进行了分析，为以后河道治理工程生态护坡的选择具有一定的指导作用。

1 生态护坡的定义

生态护坡是综合考虑“水安全、水环境、水资源、水景观”的协调，在满足防洪、排涝、航运等工程需求的同时，充分考虑生态效应，把河堤由过去的混凝土建筑物改造成适合生物生长的，水、土、生物相互涵养的仿自然状态的护坡［3］。生态护坡包含2个层面的含义。首先是护坡，需要具备河道护坡的功能，在满足行洪排涝要求的基础上，保证岸坡的稳定，防止水土流失，其要点是构建能透水、透气、调节水文过程、缓冲洪水、控制侵蚀、生长植物、截留降解污染物的生态防护平台。其次是生态功能，河道护坡要满足边坡生态平衡的要求，即要建立良性的河坡生态系统，形成由高大乔木、低矮灌木、花草、鱼巢、水草、动物沿滩地、迎水边坡、坡脚及近岸水体组成有机的河坡生态系统［4］。(在这一完整生态系统中，不仅包括植物，还有动物及微生物，系统内部之间以及与相邻系统(如河流生态系统、陆地生态系统)间均发生着物质、能量和信息的交换，具有很强的动态性;这一物质、信息和能量的循环体系的良性循环使得该生态系统能进行自组织和自我修复，增强了系统的稳定性和可持续性［5］。与传统的浆砌或干砌块石、现浇混凝土和预制混凝土块体护坡相比，生态护坡不仅具有造价低，施工简便，运行维护成本低的优势，对环境和生态的干扰也比传统护岸小得多，还能起到降雨截流、径流延滞、提供生物栖息地的作用，体现了尊重自然，人水和谐的思想。

表1 传统护岸与生态护岸的对比

2 生态护坡的分类

近年来，针对河道区域、功能、水文条件的不同，开发了多种生态护坡材料与方法。我国较常用的生态护坡型式有植物型护坡、土工材料复合种植基护坡、网石笼结构生态护坡、植被型生态混凝土护坡、多孔质结构护坡、水泥生态种植基护坡等。

2.1 植物型护坡这种护坡型式是通过在岸坡种植植被(乔木、灌木、草皮等)，利用植物发达根系的力学效应(深根锚固和浅根加筋)和水文效应(降低孔压、削弱溅蚀和控制径流)进行护坡固土、防止水土流失，在满足生态环境的需要的同时还可进行景观造景。主要应用于水流条件平缓的中小河流和湖泊港湾处，在城市亲水景观设计中也有采用。固土植物选择一般应考虑如对土质要求、适应气候条件状况、耐酸碱性、耐高温干旱能力、生长能力等因素，同时应具有根系发达，、生长快、绿期长、生根性强、成活率高、价格低廉、管理粗放、抗病虫害、与杂草竞争力强的特点［3］。目前，我国植物护坡工程中常用的植物分为冷季型和暖季型。冷季型的植物主要有:多年生黑麦草、细弱剪股颖、高羊茅、草地早熟禾白三叶、无芒雀麦、红三叶、白脉根等;暖季型植物主要有:马尼拉、狗牙根、假俭草、野牛草等。植物型护坡的缺点在于抗水流、风浪冲刷能力有限，对水流条件要求较高，且初期易早雨水冲刷形成深沟，影响护坡效果。

2.2 土工材料复合种植基护坡此类护坡可以分为土工网垫固土种植基护坡、土工单元固土种植基护坡、土工格栅固土种植基护坡［6］，具体如下:

2.2.1 土工网垫固土种植基护坡。这种护坡主要由网垫、种植土和草籽3部分组成。土工网的品种很多，常用的三维土工网是以热塑性树脂为原料，采用科学配方，经挤出、拉伸等工序精制而成，其底层为一个高模量基层，采用双向拉伸技术，其强度高，足以防止植被网变形，并能有效降低雨滴的冲击能量，增强土体表面的抗冲刷能力，有效控制面源污染的入河量。其化学性质稳定，对大气、土壤、微生物呈惰性。三维土工植被网的表层为一个起泡层，膨松的网包以便填入土壤和草籽，网垫质地柔韧、疏松，使得植物的根系可以自由穿过，网垫具有一定的保温功能，为种子发芽提供适宜的温度条件。在草皮长成后，网垫、草皮和土壤表层牢固结合，提高岸坡的稳定性，有效防止水土流失。土工网垫固土种植基护坡优点有:①固土效果显著。坡脚为45°时，平面网的下滑率为33%，三维网下滑率为0;坡脚为60°时，平面网下滑率为100%，三维网下滑率为16%);②抗冲刷能力强。当植物生长茂盛时能抵抗冲刷的径流流速达6 m/s，为一般草皮的2倍多;③经济环保。网垫采用可降解材料，无污染;与混凝土护岸相比，该护岸更为经济。但是，该种护坡形式抗暴雨冲刷能力仍然较弱，取决于植物的生长情况，同时，在水位线附近及以下不适用该技术。

2.2.2 土工单元固土种植基护坡。土工单元种植基，是利用聚丙烯等片状材料经热熔粘连成蜂窝状的网片，在蜂窝状单元中填土植草，起到固土护坡作用。这种土工格室具有材料轻、耐磨损、抗老化、化学性质稳定、适用温度范围宽、韧性好、抗冲击力强、不易变形、运输方便的特点。施工连接简单，施工方法方便，能大大提高施工效率，并可多次利用。但其适用的河道坡度不能太陡，水流不能太急，水位变动不宜过大，否则会加大上部格室的压力，岸坡土壤也易被水流冲刷带出。

2.2.3 土工格栅固土种植基护坡。格栅是由聚丙烯、聚录乙烯等高分子聚合物经热塑或模压而成的二维网格状或具有一定高度的三维立体网格屏栅，在土木工程中被称为土工格栅。土工格栅分为塑料土工格栅、钢塑土工格栅、玻璃土工格栅和玻纤聚酯土工格栅4大类。土工格栅原用作加筋结构的筋才或符合材料的筋材，现在也用于河道坡岸的加固等。此类护岸有如下优点:①具有较强抗冲刷能力，能有效防止河岸垮塌;②造价较低，运输方便，施工简单，工期短;土工格栅耐老化，抗高低温。其缺点在于，当土工格栅裸露时，经太阳暴晒会缩短其使用寿命;部分聚丙烯材料的土工格栅遇火能燃烧。

2.3 生态石笼护坡石笼网是由高抗腐蚀、高强度、有一定延展性的低碳钢丝包裹上PVC材料后使用机械编织而成的箱型结构。在河道护坡中，一般选用耐绣蚀的喷塑铁丝网笼。在石笼网里填充大小不一的石块后，以一定的方式组合并固定于河岸处使之成为网石笼结构护坡。根据材质外形可分为格宾护坡、雷诺护坡、合金网兜等。

生态石笼护坡不仅具有较强的整体性、透水性、抗冲刷性、生态适宜性，而且应用面广，柔性结构能适应地基的变化，比刚性结构具备更好的安全稳定性，起到良好的维护岸坡稳定，维持河道生态功能的作用。同时，其网笼结构的透水性对地下水的自然作用及过滤作用具有较强的包容性，使水中的悬移物和淤泥得以沉积于石块缝隙中，有利于自然植物的生长，使岸坡环境得到改善。此外，生态石笼具有造价低、经济实惠，运输方便的优势。

由于该护坡主体以石块填充为主，需要大量的石材，因此在平原地区的适用性不强;在局部互岸破损后需要及时补救，以免内部石材泄露，影响岸坡的稳定性。

2.4 植被型生态混凝土护坡生态混凝土是一种性能介于普通混凝土和耕植土之间的新型材料，由多孔混凝土、保水材料、缓释肥料和表层土组成［1］。多孔混凝土是植被型生态混凝土的骨架，由粗骨料、水泥、适量的细掺和料组成。保水材料以有机质保水剂为主，辅以掺入无机保水剂，为植物提供必要的水分。表层土铺设于多孔混凝土表面以减少土壤水分的蒸发，为植物发芽期提供养分。

植被型生态混凝土护坡主要利用自身重力、构件间的锚固以及植物根系力学和水文作用来维持岸坡的安全与稳定。该护坡可为植物生长提供基质，作为河流生态系统和陆地生态系统进行物质、信息、能量交换的纽带，为河岸带动、植物、微生物提供栖息繁衍的生境。

植被型生态混凝土护坡抗冲刷性能好，表层覆草具有缓冲功能，固土作用显著，有较强的抵御洪水的能力。护坡孔隙率高，保证了土壤、水体、大气的连通，有效地降低了孔隙水压力，不仅能为植物根系生长提供空间，而且也会成为动物及微生物的繁殖场所。材料的高透气性在很大程度上保证了被保护土与空气间的湿热交换能力。

这种护坡型式的缺点在于:①降碱处理问题，降碱问题若处理不好，会影响植物的生长，而降碱处理后护坡强度有待进一步考证;②强度及耐久性，在经过冷热交替和冻融交替后材料的强度有待验证;③植被型生态混凝土的可再播种性需进一步验证;④相比于其他护岸类型，该类型的护岸价格偏高，但比混凝土护岸要低。

2.5 生态袋护坡生态袋是采用专用机械设备，依据特定的生产工艺，把肥料、草种和保水剂按一定密度定植在可自然降解的无纺布或其他材料上，并经机器的滚压和针刺等工序而形成的产品。生态袋共分5层，最外层和最内层为尼龙纤维网，次外层为加厚的无纺布，中层为植物种子、有机基质、保水剂、长效肥等混合料，次内层是在短期内自动分解的无纺棉纤维布［7］。

生态袋护岸具有以下优点:①生态袋应用三角内摩擦紧缩结构，整体受力，具有科学的稳定性;②生态袋具有透水不透土的过滤功能，既能防止填充物(土壤和营养成分混合物)流失，又能实现水分在土壤中的正常交流;③生态袋使植物种子分布更加均匀，且不受人为因素和水流冲刷的扰动，此外，生态袋还节约了种子的播种时间，使植物的选择更加丰富多样，有利于生态系统的快速恢复;④施工简单快捷，无需大型机械，而且不产生噪声和垃圾。

在实际运行过程中，生态袋护岸存在着易老化，生态袋内植物种子再生问题。生态袋孔隙过大袋状物易在水流冲刷下带出袋体，造成沉降，影响岸坡稳定;而孔隙过小对植物根系延伸造成阻碍，影响柔性边坡的结构稳定，透水性能降低。

2.6 多孔结构护坡多孔结构护坡是利用多孔砖进行植草的一类护坡，常见的多孔砖有八字砖、六棱护坡网格砖等。这种具有连续贯穿的多孔结构，为动植物提供了良好的生存空间和栖息场所，可在水陆之间进行能量交换，是一种具有“呼吸功能的护岸。同时，异株植物根系的盘根交织与坡体有机融为一体，形成了对基础坡体的锚固作用，也起到了透气、透水、保土、固坡的效果。

多孔结构护坡具有如下优点:①形式多样，可以根据不同的需求选择不同外形的多孔砖，风格更加丰富，满足多种需求;②多孔砖的孔隙既可以用来种草，水下部分还可以作为鱼虾的栖息地;③具有较强的水循环能力和抗冲刷能力。

这类护坡也存在着如下缺点:①河堤坡度不能过大，否则多孔砖易滑落至河道;②河堤必须坚固，土需压实、压紧，否则经河水不断冲刷易形成凹陷地带，造成薄层多孔砖的松动而被冲走;③成本较高，施工难度不大，但施工工作量较大;4)不适合砂质土层，不适合河岸弯曲较多的河道。

2.7 自嵌式挡土墙护坡自嵌式挡土墙的核心材料为自嵌块。这种护坡型式是一种重力结构，主要依靠自嵌块块体的自重来抵抗动静荷载，使岸坡稳固;同时该种挡土墙无需砂浆砌筑，主要依靠带有后缘的自嵌块的锁定功能和自身重量来防止滑动倾覆;另外，在墙体较高、地基土质较差或有活载的情况下，可通过增加玻璃纤维土工格栅的方法来提高整个墙体的稳定性。该类护岸孔隙间可以人工种植一些植物，增加其美感。

该类型护坡具有如下优点:①防洪能力强，自嵌式挡土墙结构为层层错位码放，无砂浆砌筑，水流可快速进出，减少了波浪对墙体的破坏;②具有层次感，孔隙间的植物长成后可覆盖墙体，比混凝土墙增加了生态感，水面以下孔隙为鱼虾等动物提供良好的栖息地;③节约材料，自重较传统混凝土挡墙较轻;④造型多变，主要为曲面型、直面型、景观型和植生型，满足不同河岸形态的需求;⑤对地基要求低，自嵌式结构为柔性结构，适用于产生不均匀沉降的地基;⑥抗震性能好，垂直方向错位干码，用锚固棒形成三位一体，水平方向土工格栅块体、反滤层和回填土形成一体，非少数的几个关键连接点，为地震力提供了附加的转移受力路径;⑦施工简便，施工无噪音，后期拆除方便。

其不足之处在于:①墙体后面的泥土易被水流带走，造成墙后中空，影响结构的稳定，在水流过急时容易导致墙体垮塌;②该类护岸主要适用于平直河道，弯度太大的河道不适用于此护岸;③弯道需要石材量大，且容易造成凸角，此处承受的水流冲击较大，使用这类护岸有一定的风险。

3 生态护坡适用性分析

3.1 限制条件生态护坡由于其形式多样，功能特点各不相同，组合形式多样，因此具有较强的适应能力，能满足多种场合的需要，得到广泛的应用。作为一种新型的生态护岸形式，生态护坡技术在一些经济发达的省份颇受欢迎，但是在实际运行过程中也暴露出一些问题。

(1)大量占用土地。大部分的生态护坡坡度较缓，需要占用河边大量土地，如植物型护坡、植被型生态混凝土护坡、土工材料复合种植基护坡等。在浙江省沿海经济发达的地区，土地征用费用相对较高，相应的增加了成本。

(2)后期维护费用较高。生态护坡中的植被由于养护不足、自然生长周期枯萎、受人为因素破坏等因素的影响，需要2次播种、养护。此外，护岸材质也需要更新和维修，因此，与传统护岸相比，后期维护管理费用更高。

(3)抗冲刷性能一般。生态护坡的抗冲刷性能不一，但普遍比硬质护岸要差。浙江省夏季降雨量大且频繁，雨季持续时间长，地形特点决定其汇流时间较短，河道水位容易暴涨暴跌，水流速度快，冲刷力强，对生态护坡抗冲刷能力和耐久性产生较大考验。

3.2 适用条件

(1)河道的功能要求。生态护坡技术一般适用于防洪要求不高，但对河道生态和景观功能有所要求的城镇内河或者农村河道。有通航要求的河道一般要求护岸坚固、防冲刷，不适合大面积的采用生态护坡。

(2)河岸的周边状况，包括土质、土地宽裕情况。生态护坡一般占用较多的岸边土地，适合在土地较宽裕的地区使用。生态护坡的具体设计应因地制宜，若是周边土质属于沙质土或者泥土偏软，则需采用工程技术进行加固。

(3)河流水力特性。生态护坡一般适用于流速较缓的河流，在山区河流流速快、冲刷力强的河段尽量采用生态石笼护坡或自嵌式挡土墙护坡，这样既能就地取材，节约成本，也可满足护岸稳定性、耐久性的要求。而在平原河道水流较为平缓，对河岸冲刷较小，可采用如植物型护坡与木桩护岸联用、植被型生态混凝土护坡、生态袋护坡、土工材料复合种植基护坡等形式，注重河道景观和生态功能的发挥。