嚴 飛，鄔顯晨

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 問題的提出

隨著經濟社會的迅速發(fā)展和城市建設步伐的加快，城市河道、堤防建設不僅要使堤岸發(fā)揮出水利工程的功效，而且要融入城市景觀、生態(tài)環(huán)保等多種內容。傳統(tǒng)的漿砌塊石擋墻、鋼筋混凝土擋墻將整個河岸表面封閉起來，隔絕了土壤與水體之間的物質交換，在不同程度上對景觀、環(huán)境和生態(tài)產生不良的影響，與“人水和諧”的理念相去甚遠。因此，近年來強調“生態(tài)、自然、景觀”的生態(tài)護岸工程應運而生，為水利工程與自然環(huán)境的和諧共處發(fā)揮了重要的作用。

目前生態(tài)護岸種類繁多、各有特色，由于河道水流運動的復雜性和護岸材料自身的特點，生態(tài)護岸存在以下幾個突出的問題：

（1）生態(tài)護岸材料的生產廠家往往只注重產品的生態(tài)功能，忽視了護岸應有的防洪功能，使得產品技術不能夠真正保障防洪安全；而現(xiàn)行的水利行業(yè)規(guī)范對生態(tài)護岸技術沒有相應的條文進行復核，使得生態(tài)護岸技術實際屬于無統(tǒng)一規(guī)范可循的局面。

（2）各種生態(tài)護岸都具有一定的局限性，應當對現(xiàn)有的生態(tài)護岸技術進行梳理、評價，以切實可行地應用在不同的工程項目中。

本文在總結大量工程設計實踐的基礎上，針對生態(tài)護岸的特點，指出在設計中應從行洪能力、抗沖、穩(wěn)定、反濾、防滲、材料選擇、細部構造、工程管理等八個關鍵問題進行復核，供相關工程參考。

2 生態(tài)護岸的定義與特點

生態(tài)護岸是指恢復后的自然河岸或具有自然河岸“可滲透性”的人工護岸。它擁有滲透性的自然河床與河岸基底，豐富的河流地貌，可以充分保證河岸與河流水體之間的水分交換河調節(jié)功能，同時具有足夠的抗洪強度。

生態(tài)護岸結構應當有以下特點：

（1）柔韌性：能夠很好地適應各種外力對岸坡的破壞，如地基土的凍脹隆起和融沉、冰排撞擊、靜冰壓力、地震等。

（2）整體性：可以抵御水流的沖刷，局部損壞不會造成整體失穩(wěn)。

（3）耐久性：具有較強的耐腐蝕、耐老化性能。

（4）透水性：河水與堤岸具有物質能量交換．有利于生物的生存。

（5）生態(tài)景觀性：與自然景觀相互協(xié)調，與水域原有的生物群落融為一體。

（6）環(huán)保性：可以就地取材，也可廢物利用，無需開山炸石，破壞環(huán)境

（7）經濟性：幾乎沒有歲修成本，長期經濟效益明顯。

（8）施工靈活性：汛期或非汛期均可方便地施工。

3 若干關鍵問題的復核

在生態(tài)護岸設計過程中，應該充分認識到生態(tài)護岸在設計階段有許多不同于傳統(tǒng)護岸的地方，必須根據生態(tài)護岸結構的特點，針對關鍵的問題區(qū)別分析。

3.1 行洪能力的復核

河道的糙率是影響河道行洪能力的重要因素。在生態(tài)護岸工程中，主要措施之一是在河道岸坡上合理引入植被，包括草本植物及木本植物等。但是較茂密的植被護坡會造成較高的水力糙率，從而直接影響到河道的行洪能力。根據《灌溉與排水工程設計規(guī)范》GB50288-99 附錄E 渠道糙率表，流量大于20 m3/s 的的渠道，草被茂盛情況下糙率為0.025～0.0275；流量介于1 和20 m3/s 的的渠道，相應情況下糙率達0.0275～0.03；流量小于1 m3/s 的渠道，相應情況下糙率則達0.03～0.035，而采用傳統(tǒng)的漿砌塊石護岸的糙率為0.02～0.025，用鋼筋混凝土護岸的糙率僅為0.012～0.014。

根據綜合糙率計算公式可見，在流量一定、河道底部糙率一致的情況下，斷面窄而深的河道受護岸糙率影響非常大，從而相同流量下采用生態(tài)護岸應當較傳統(tǒng)護岸的計算水深高30%以上。因此在選擇生態(tài)護岸時，必須要充分考慮生態(tài)護岸糙率的影響，復核河道過流能力，避免大幅抬高河道水面線、降低河道的行洪能力的后果。

3.2 抗沖性能的復核

河道水流主要通過沖刷護坡、淘刷護腳和漫頂沖刷侵蝕護岸,以下幾種情況均可引起護岸迎水側護坡發(fā)生水流沖刷：一是河道拐彎時形成的水沖部位，直接遭受水流沖刷；二是河流蛇行彎曲時由于離心力作用所產生的橫向環(huán)流對凹岸迎水側護坡產生沖刷；三是在直線河段護岸不連續(xù)的部位或河床沉積物有變化的部位，由于流沙的非平衡狀態(tài)出現(xiàn)而發(fā)生水流沖刷。河道在洪水期可能發(fā)生的流速，直接關系到生態(tài)護岸材料的選擇，根據目前的生態(tài)護岸材料的特點，可供參考的抗沖性能見表1。

根據表1 可見，在設計生態(tài)護岸時，需根據計算流速，針對各類生態(tài)護岸的抗沖能力進行復核，保證護岸的整體性。

3.3 整體穩(wěn)定的復核

3.3.1 設計穩(wěn)定安全系數

在進行生態(tài)擋墻整體穩(wěn)定復核時，應注意絕大部分生態(tài)擋墻屬于加筋土擋墻。常規(guī)擋墻的穩(wěn)定安全系數是根據擋墻的重要性確定級別，然后再選取相應的穩(wěn)定安全系數，但根據《水工擋土墻設計規(guī)范》（SL 379-2007），對于加筋土擋墻而言，不論擋墻級別，抗滑穩(wěn)定安全系數基本組合均不得小于1.4,特殊工況不小于1.3；抗傾覆穩(wěn)定基本組合安全系數不小于1.50,特殊工況不小于1.4;加筋體抗拔安全系數不小于2.0；由此可見，在規(guī)范中已注意到了加筋土擋墻在運行中存在的安全問題，對結構的安全可靠度提高了要求，這也是生態(tài)擋墻設計中必須注意的問題。

3.3.2 水位驟降工況下的穩(wěn)定設計計算

在河道水位驟降的情況下，當河道擋墻墻前水位下降速度超過墻后排水速度時，各項計算指標的安全系數隨著墻前后水頭差的增大而減小，當墻后水位降到一定值時，安全系數為最??；但在此以后，隨著墻前水位進一步下降，墻體浮托力相應減小，同時墻后的水土壓力也有一定程度的減小，擋墻的穩(wěn)定安全系數又有所增大，即穩(wěn)定安全系數為一個曲線變化過程。

在常規(guī)的擋墻設計中，為降低墻后水土壓力，通常會設置泄水孔，在水位驟降工況下，穩(wěn)定計算中墻前、后水位組合較為明確。生態(tài)護岸盡管應該具有良好的透水性，但是在實際應用中，各類生態(tài)護岸的透水性能相差較大，有的生態(tài)護岸甚至與漿砌塊石護岸的透水性相當，如此時假定墻后水位能夠隨墻前水位同步下降，則會得出不正確的穩(wěn)定安全系數，給工程安全帶來嚴重的隱患，因此必須要針對不同生態(tài)護岸自身排水的特點合理確定水位驟降工況下的墻前后水位組合，才能保證穩(wěn)定計算的合理性。

表1 抗沖性能表

3.4 排水反濾效能的復核

生態(tài)護岸需要能夠及時排出墻后的地下水，以降低土水壓力對生態(tài)護岸的影響，此時反濾應充分發(fā)揮作用。盡管目前許多生態(tài)護岸產品認為自身能夠排水，但為安全起見，建議應當針對生態(tài)護岸的排水反濾能力充分復核，在護岸土質較差、排水反濾能力不足的生態(tài)護岸工程中，可考慮設置不小于20 cm 的碎石反濾層,并采用無紡土工布鋪墊，以提高排水反濾的可靠性。

3.5 防滲效能的復核

生態(tài)護岸的回填土材料是主要的防滲體，土體穩(wěn)定、密實是護岸穩(wěn)定的基礎。在設計文件中，通常要求墻后回填土采用素土回填，且壓實度不小于90%。但在實際施工中，往往由于墻后的作業(yè)面狹窄，大型壓實設備難以發(fā)揮作用，小型設備夯實效果不佳，造成土體不夠密實，墻后土體后期沉降較大，抗?jié)B效果難以保證。因此，應根據地質特點，充分復核墻后土體的防滲能力。建議在不影響綠化種植效果的前提下，在回填土的適當位置摻加6%～8%的石灰或水泥，提高土體性能，增強土體防滲能力，減小回填土沉降及增強土體與護岸的結合。

3.6 生態(tài)材料選擇的復核

3.6.1 三維土工網墊材料

在土工合成材料生態(tài)護岸工程中，三維土工網墊由于結構簡單、施工便捷受到廣泛的應用，見圖1。但目前各種三維土工網墊在實際工程應用后，由于廠家施工工藝、材質和結構的不同，實際使用效果相差非常大。采用多次成型工藝的土工網墊，整體性能一般，難以經受水流的反復沖刷；同時，許多材料防老化功能較差，使用壽命短則幾個月，多則一兩年。材料老化后網墊功能形同虛設，固土抗沖則完全依靠生態(tài)植被，鋪設在水位變動區(qū)一段時間后，網墊破損、水土流失的情況較為普遍。

圖1 普通PE 三維網墊

近年來，歐洲的水土保護毯由國內商家引入并逐步推廣，其材質以高質量聚酰胺（PA6）為原料，耐紫外線、耐化學攻擊，經歐洲權威機構檢測其耐久性可達百年。通過歐盟環(huán)保標準論證，可應用于飲用水庫；生產工藝采用干拉法一次成型，不通過水冷卻，產品柔韌性好；單絲三維立體結構，植被根系與水土保護毯的三維立體結構互相纏繞，形成密集的加筋體系，能有效固土，整體性強、穩(wěn)定性高。經實際證明，該種產品能夠完全替代鋪設在水位變動區(qū)的硬質護坡材料，能夠耐受至少5 m/s以下的水流沖刷作用，其中的A20 水土保護毯甚至可抗擊7 m/s 的流速，作為一種新型柔性護坡結構具有較明顯的生態(tài)環(huán)保和造價優(yōu)勢，見圖2。

圖2 水土保護毯

因此在選擇三維土工網墊類生態(tài)護坡時，應當了解、復核相關的材料及工藝特點后再確定采用何種產品。

3.6.2 生態(tài)袋材料

生態(tài)袋護坡系統(tǒng)通過將裝滿植物生長基質的生態(tài)袋沿邊坡表面層層堆疊的方式在邊坡表面形成一層適宜植物生長的環(huán)境，同時通過連接配件將袋與袋之間，層與層之間，生態(tài)袋與邊坡表面之間完全緊密的結合起來，達到牢固的護坡作用，同時隨之植物在其上的生長，進一步的將邊坡固定然后在堆疊好的袋面采用綠化手段播種或栽植植物，達到恢復植被的目的。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。在實際應用中通常遇到的問題如下：（1）袋布孔徑太大，袋體，材料過薄，造成袋裝物質量遭雨水、流水沖刷時會大量流失，造成單位重量大大減小，原力學設計值發(fā)生較大變化，力學結構被破壞，造成坍塌。（2）袋布孔徑太小，袋體材料過厚，會對植被生長與根系延伸的形成阻礙，嚴重影響柔性邊坡的結構穩(wěn)定。同時透水能力降低．大量水份滲入時，其單位重量大大增強．使原受力結構數值增大，增加邊坡靜水壓力，造成結構變形，坡體坍塌。因此應對生態(tài)袋的厚度、單位質量、物理力學性能、外形、纖維類型、受力方式、方向、幾何尺寸和透水性能及滿足植物生長的等效孔徑等指標，結合項目特點進行嚴格復核后確定。

3.6.3 加筋體材料

生態(tài)加筋土擋墻通常采用土工格柵作為加筋體材料，但由于土工格柵種類較多，不同類型的土工格柵用途大相徑庭，見圖3、圖4。注意在材料選取時，選擇玻璃纖維土工格柵時需要慎重。玻璃纖維土工格柵屬于織造土工織物，根據《土工合成材料應用技術規(guī)范》GB50290-98 第6.2.1 條，和《水利水電工程土工合成材料應用技術規(guī)范》SL/T225-98 第7.5.3 條，筋材剛度模量不同，破裂面不同，纖維土工格柵屬于織造土工織物，破裂面屬于柔性筋式。因此需要特別注意，若設計時按剛性筋式的破裂面計算，施工時不得用纖維土工格柵。由于玻璃纖維的拉伸變形量很小，一般小于3%，顯示剛性，不適于允許一定變形的柔性結構的加筋土擋墻。因此，必須慎重選用玻璃纖維土工格柵作為加筋體材料。

圖3 塑料土工格柵

圖4 玻璃纖維土工格柵

3.6.4 籠系結構的鋼絲鍍層和構造

石籠結構由于整體性好、抗水流能力強在生態(tài)護岸中得到了廣泛應用，石籠結構的應用成功與否，網籠材料的耐腐蝕性是關鍵。在設計時，須結合河道的水質情況，分析地表、地下水水質報告，復核網籠鋼絲的耐腐蝕性。網籠材料不同的鍍層決定了鋼絲的耐腐蝕壽命。經試驗表明，鋼絲隨著鍍層量的增加,耐腐蝕性能也增加，采用鍍鋅-10%鋁合金鋼絲的抗腐蝕性約為鍍鋅鋼絲的6～7 倍。因此，建議在水質較差、腐蝕性強的河道工程中，建議選擇鍍鋅-10%鋁合金鋼絲，同時鋼絲鍍層最薄處不得小于45μm，鋼絲鍍層最厚處于最薄處的比值不得大于2；鋼絲在自身纏繞8 圈以上后，鋼絲表面在12 倍放大拍照后不得出現(xiàn)裂痕?；\系結構可作駁岸擋墻選用，植物也能夠在石縫中生長，有一定的生態(tài)性。

3.7 細部構造的復核

某些新型生態(tài)材料，在細部構造設計上考慮不周密也是帶來工程安全隱患的因素之一。如在生態(tài)加筋擋墻設計中，加筋材料如何與砌塊連接、形成有效的加筋土擋墻受力體系是保證加筋土擋墻穩(wěn)定的關鍵。在某些加筋土擋墻產品中，砌塊棱角較為鋒利（見圖5），而加筋材料直接壓在擋墻砌塊下，當土體發(fā)生沉降時，加筋材料隨土體一起沉降，而砌塊沉降量相對較小，從而加筋材料在沉降差的作用下很容易被砌塊的棱角所割破，造成連接的失效。因此應復核加筋材料在與砌塊連接型式，建議采取反包回折、砌塊倒角、連接處增加土工布條等方式減小柔性材料與剛性材料之間的應力集中現(xiàn)象，提高連接的可靠性。

圖5 砌塊鋒利的棱角

3.8 工程管理的復核

在設計階段，就需要充分注意到生態(tài)型護岸工程建設完成后，工程管理的重要性。應在工程管理設計章節(jié)，提出在工程建成后，進行監(jiān)測和維護、制定監(jiān)測計劃的要求。尤其在工程完成后的第一年，重點對生態(tài)護岸監(jiān)測以下內容：（1）植被是否有充分的成活率，滿足綠化生態(tài)的要求；（2）植被是否過于茂密，從而影響河道的防洪能力；（3）護坡是否完整，三維土工網墊、生態(tài)袋應注意其土工材料是否老化；網籠結構生態(tài)護岸，石籠護坡采用的鍍鋅鋼絲，易于成為拾荒、偷盜者關注的對象，一旦網籠被割破損失，將嚴重削弱護坡的整體抗沖能力。因此生態(tài)護岸工程建成后，必須加強管理、巡視，做好宣傳，避免護坡材料被人為破壞。

4 結語

在強調“人水和諧”的今天，生態(tài)護岸的應用將越來越廣泛，更多新型的生態(tài)護岸將不斷涌現(xiàn)，用在更多的工程中。為使生態(tài)護岸更好地服務于水利工程，本文在總結大量工程設計實踐的基礎上，提出了在生態(tài)護岸工程中若干關鍵問題的復核要求，通過對以上各方面關鍵問題的嚴格控制，能夠較好地避免應用時考慮不足的情況，以供相應工程參考。

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