蔡杰龍,楊永民,2,盧偉偉

(1.廣東省水利水電科學研究院,廣東省水利重點科研基地,廣東 廣州 510635；2.華南理工大學材料科學與工程學院,廣東 廣州 510640)

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生態(tài)護坡技術(shù)在廣東省中小河流治理工程中的應用

蔡杰龍1,楊永民1,2,盧偉偉1

(1.廣東省水利水電科學研究院,廣東省水利重點科研基地,廣東 廣州 510635；2.華南理工大學材料科學與工程學院,廣東 廣州 510640)

該文以廣東省山區(qū)5市中小河流治理工程為背景,介紹當前3種生態(tài)護坡形式(聯(lián)鎖護坡磚、格賓石籠網(wǎng)箱和植生型生態(tài)混凝土)在中小河流治理工程中的應用,突出生態(tài)護坡在保持水土、凈化水體和保持景觀中的優(yōu)勢,并為未來的河道整治發(fā)展方向提出合理化建議。

生態(tài)護坡；河道治理；水土保持；傳統(tǒng)護坡

近年來,局部強降雨、山洪暴發(fā),造成我省山區(qū)中小河流災情嚴重,尤其是2014年5月份,清遠市、河源市等地發(fā)生嚴重洪澇災害,嚴重威脅到我省的河道生態(tài)及人民生命財產(chǎn)的安全。自2015年起,以系統(tǒng)治理、分期治理和生態(tài)治理為理念,在堅持“防災減災、岸固河暢、自然生態(tài)、安全經(jīng)濟、長效管護”的治理原則下,廣東省大力推動了山區(qū)5市中小河流的治理工作,為確保河道行洪通暢、保障人民生命財產(chǎn)安全做出了重要的貢獻。其中,護坡工程是整個河道治理工程中的關(guān)鍵。

然而長期以來,河道邊坡防護主要關(guān)注邊坡穩(wěn)定性和行洪、排澇功能,因此對于傳統(tǒng)的河道治理而言,其主要側(cè)重點在于滿足河道的防洪功能,護岸結(jié)構(gòu)則多采用硬化砼河道、修筑砼防護堤等措施。這種治理方式在防止河道沖刷、穩(wěn)定岸坡方面確實發(fā)揮了一定的作用,但同時也隔斷了水土之間的連接通道,不僅破壞了水中生物的生存場所和遷移通道,同時也導致河道生態(tài)系統(tǒng)失去整體平衡,河流最終失去了天然的自凈能力,河流生態(tài)環(huán)境也逐漸惡化。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,人們逐漸意識到這類護坡形式會對生態(tài)環(huán)境帶來嚴重的不良的影響,容易引起生態(tài)的整體退化。因此,建立起既滿足河道行洪排澇穩(wěn)定性,又有利于恢復河道生態(tài)系統(tǒng)平衡的邊坡生態(tài)防護平臺已顯得極為關(guān)鍵[1-3,5]。

因此,本文有必要結(jié)合當前正在進行的廣東省中小河流治理工程中的實際應用,重點介紹生態(tài)護坡形式包括聯(lián)鎖生態(tài)磚、格賓石籠網(wǎng)箱和植生型生態(tài)混凝土在護坡工程中的應用,并與傳統(tǒng)護坡形式進行比較,從而突出當前生態(tài)護坡技術(shù)在保持水土、凈化水體和保持景觀中的優(yōu)勢,并為未來的河道整治發(fā)展方向提出合理化建議。

1 生態(tài)護坡的定義與內(nèi)容

生態(tài)護坡,就是綜合考慮“水安全、水環(huán)境、水資源、水景觀”的協(xié)調(diào),在滿足抗洪、排澇和航運等工程需求的同時,充分考慮生態(tài)效應,把河堤由過去的混凝土建筑物改造成為適合生物生長的,水體和土體、水體和植物或生物相互涵養(yǎng)的仿自然狀態(tài)的護坡[4,6]。由于生態(tài)材料具有“水安全、水環(huán)境、水資源、水景觀”等多功能特性,能營造出自然和諧的水生態(tài)環(huán)境,以及其具有的多孔質(zhì)型式,因而對水生態(tài)系統(tǒng)的修復相當重要。

從生態(tài)護坡的定義可知,生態(tài)護坡應具備以下要素：首先,它應是一個完整的生態(tài)系統(tǒng),不僅包括植物,還應包括動物及微生物,系統(tǒng)內(nèi)部之間以及系統(tǒng)與相鄰系統(tǒng)(如河流生態(tài)系統(tǒng)、陸地生態(tài)系統(tǒng)等)間均發(fā)生著物質(zhì)、能量和信息的交換,具有很強的動態(tài)性；其次,它應該是在保證邊坡穩(wěn)定和安全的基礎(chǔ)上,以營造邊坡的生物多樣性為目標,在水體—土壤—生物之間,形成物質(zhì)、信息和能量的循環(huán)體系,進行自組織和自我修復,使護坡不僅具有景觀效果,還能修復受污染的河流水體,營造健康的城鎮(zhèn)河流生態(tài)系統(tǒng)[2]。

在2015年4月印發(fā)的《廣東省山區(qū)中小河流治理工程設(shè)計指南(試行)》中的“6.5岸坡整治及護岸工程”明確強調(diào)了各種生態(tài)護坡技術(shù)在護坡設(shè)計中的重要性,包括生態(tài)網(wǎng)格、綠化混凝土、聯(lián)鎖護坡磚等護坡形式。由此看出,生態(tài)護坡理念在廣東省中小河流治理工程中得到充分的體現(xiàn)以及高度的重視。

2 生態(tài)護坡技術(shù)的應用

2.1生態(tài)護坡技術(shù)設(shè)計原則

廣東省中小河流眾多,集水面積在50～3 000 km2的中小河流有1 211條,河道總長達3.6萬km,尤其是山區(qū)5市,中小河流密集、水系發(fā)達,合計共有中小河流536條,河長1.7萬km,分別占全省的44%和49%。河道既具有防洪、調(diào)蓄、排澇、灌溉、供水、航運、水能發(fā)電等多種功能,也是水資源和生態(tài)環(huán)境的重要載體,對防范自然災害,保障生態(tài)流量,維護生態(tài)平衡,保障經(jīng)濟社會發(fā)展和人民群眾生產(chǎn)生活具有重要作用。因此,生態(tài)護坡技術(shù)設(shè)計在廣東省中小河流治理中起到極為關(guān)鍵的作用。

中小河流河岸長期受水流、潮汐、波浪等影響,容易發(fā)生沖刷破壞影響岸坡安全。因此,護坡工程可根據(jù)水流、潮汐、波浪的特性,以及地形地質(zhì)、施工條件和應用要求等,統(tǒng)籌兼顧、合理布局,因地制宜,選用較為合適的坡式、墻式或其他護坡形式。護坡設(shè)計應充分利用當?shù)夭牧?在滿足結(jié)構(gòu)和防沖安全的基礎(chǔ)上,綜合考慮綠化、景觀和生態(tài)等要求,選擇生態(tài)護坡形式,滿足促進生物多樣性、提高水體自凈能力、美化環(huán)境的要求。

根據(jù)《廣東省山區(qū)中小河流治理工程設(shè)計指南(試行)》中內(nèi)容提出,護坡的位置和長度應根據(jù)水流、潮汐、波浪特性以及地形地質(zhì)條件,在河床演變分析的基礎(chǔ)上確定,在不同的河段宜采用不同的護坡結(jié)構(gòu)。在凹岸水流對沖段,護坡設(shè)計以滿足防沖要求為主,宜采用綠化混凝土、隱形護岸、干砌石護岸等；凸岸及其它防沖要求較低的區(qū)段,應充分考慮生態(tài)的要求,宜選擇植物措施、植生土工網(wǎng)墊、植生土工袋、植生卵石堆石岸、生態(tài)格賓護墊等。

在設(shè)計流速小于2 m/s的順直河段,可直接選用植物護坡；設(shè)計流速小于4 m/s的順直河段,可選用由三維土工網(wǎng)為底層結(jié)構(gòu)的植物護坡；設(shè)計流速大于4 m/s的順直河段和河流彎道的迎水面,以及有工程措施銜接的河段,不宜采用植物護坡。

坡式護岸可分為上部護坡和下部護腳。上部護坡的結(jié)構(gòu)形式應根據(jù)河岸水文、地質(zhì)、地形、河床形態(tài)、周圍環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟等條件,按以下順序選用植物、土工合成材料、生態(tài)網(wǎng)格、綠化混凝土、干砌石、漿砌石、混凝土等護坡形式。下部護腳部分的結(jié)構(gòu)形式應根據(jù)岸坡地形地質(zhì)情況、水流條件和材料來源,采用拋石、石籠等,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較選定。

2.2傳統(tǒng)的護坡形式

河堤護坡是河流生態(tài)系統(tǒng)中一個極其重要的組成部分,它是河流生態(tài)系統(tǒng)向陸地生態(tài)系統(tǒng)過渡的一個重要通道。河道不僅僅具有防洪、航運等基本功能,還應具有生物棲息地和人文景觀等功能。因此,對于河堤的保護不僅需要考慮堤防結(jié)構(gòu)物的整體穩(wěn)定性,同時也需要考慮整個水流生態(tài)系統(tǒng)的平衡,使河岸生態(tài)系統(tǒng)達到動態(tài)穩(wěn)定,同時河堤工程與生態(tài)景觀相互協(xié)調(diào)。然而,在以往眾多城市河道的建設(shè)當中,為了充分發(fā)揮“防洪、排澇”的水利功能、確保城市安全,眾多河道均采用了傳統(tǒng)護坡形式,包括漿砌石或現(xiàn)澆混凝土護坡等,如圖1～圖2所示。這種傳統(tǒng)的河堤護坡方式雖然結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,具有防止水流和波浪對岸坡基土的沖蝕和淘刷作用,但水體封閉在河道中,切斷了水體和近岸陸地土壤之間各生態(tài)要素間的物質(zhì)、能量及信息系統(tǒng)的有機聯(lián)系,破壞了原有水陸交錯帶的生物群落。水生植物、水生動物不能正常生長而消失,生物多樣性急劇下降,從而影響整個河流的生態(tài)環(huán)境,其對城市景觀、河道生態(tài)平衡、環(huán)境保護造成的負面影響仍未得到充分重視。

因此,通過與生態(tài)護坡形式進行比較可知,傳統(tǒng)型護坡的優(yōu)點是護坡能力較強,但缺點也較為明顯,包括有一次性投資大、自然植被難以恢復、不利于生態(tài)環(huán)境的保護和水土保持等。同時,傳統(tǒng)的生態(tài)護坡形式在外觀上顯得較為單調(diào)缺乏生機,與周邊的生態(tài)景觀難以協(xié)調(diào),這有悖于目前所強調(diào)的生態(tài)環(huán)境保護的理念。因此,可想而知,傳統(tǒng)的護坡形式在今后的工程建設(shè)中的應用將會面臨更多的限制和挑戰(zhàn)。

圖1 漿砌石護坡工程實例

圖2 普通混凝土護坡工程實例

2.3生態(tài)護坡形式

1) 聯(lián)鎖護坡磚

在2015年廣東省某縣區(qū)的中小河流治理工程中,設(shè)計單位明確規(guī)定采用聯(lián)鎖式鏤空砼預制塊護坡,設(shè)計如圖3所示。實際上,聯(lián)鎖式護坡磚近些年來在中小河流治理以及城市河道護坡改造工程中均得到了較為廣泛的應用。聯(lián)鎖式護坡磚是一種預制的混凝土塊鋪面磚,其抗壓強度較高,聯(lián)鎖設(shè)計較為獨特,每塊護面磚與相鄰的六塊護面磚進行超強聯(lián)鎖。同時,高開孔率滲水型柔性結(jié)構(gòu)鋪面的開孔部分能夠較大程度減小流水速率,降低流體壓力,從而提高滲水、排水能力,遇水流作用時具有良好的整體穩(wěn)定性和耐沖刷能力。磚與磚之間產(chǎn)生聯(lián)鎖鉸接,整個鋪面為一柔性體,輕微的變形不會導致鋪面產(chǎn)生裂縫及落差破損等現(xiàn)象。這種聯(lián)鎖磚易于鋪設(shè),方便現(xiàn)場施工人員快速施工,其在提高施工效率、加快施工進度方面具有不可替代的優(yōu)勢。

圖3 聯(lián)鎖護坡磚設(shè)計示意

聯(lián)鎖式護坡磚鋪設(shè)在土工布的基面上,聯(lián)鎖塊體中間以及相鄰塊體之間的孔隙內(nèi)可以填土植草。當植被全面生根并在磚孔和磚縫中生長時,聯(lián)鎖塊體與基面之間的連接力得到提高,鋪面的耐久性和穩(wěn)定性將進一步加強。另一方面植生的植被更有美化環(huán)境的作用。其工程應用實例如圖4所示。

圖4 聯(lián)鎖護坡磚的應用實例

2) 格賓石籠網(wǎng)箱

在2015年廣東省某縣區(qū)的中小河流治理工程中,設(shè)計單位明確規(guī)定采用格賓石籠網(wǎng)進行護坡,設(shè)計如圖5～6所示,并作出如下說明：在施工現(xiàn)場使用石料填充格賓石籠網(wǎng)箱,用于建造如擋墻、河道固腳以及護坡等結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)具有柔性、透水性及整體性等特點。

圖5 格賓石籠網(wǎng)箱設(shè)計示意

圖6 格賓石籠網(wǎng)箱護坡設(shè)計示意

根據(jù)2015年7月份印發(fā)的《廣東省中小河流治理工程格賓石籠應用技術(shù)要求(試行)》中介紹,格賓網(wǎng)是指一種用抗腐蝕、耐磨損、高強度的低碳鍍鋅鋼絲或鋁鋅合金鍍層鋼絲或鋁鋅混合稀土合金鍍層鋼絲,包覆聚合物或高防腐處理的以上同質(zhì)鋼絲,由機械絞合編織成的網(wǎng)片結(jié)構(gòu)。格賓石籠結(jié)構(gòu)是由格賓網(wǎng)片組成網(wǎng)箱,再在網(wǎng)箱內(nèi)填充塊體材料而成的,具有抗沖、護坡功能的新型材料結(jié)構(gòu)形式,具有柔韌、抗沖耐磨、防銹、抗老化、耐腐蝕等特點。同時,格賓石籠結(jié)構(gòu)具有撓性大、抗沖刷能力強等優(yōu)點,允許岸坡一定的變形,并且填充其間的塊石之間具有一定的級配孔隙,確保了水土與動植物之間交互聯(lián)系。水生植物可以在塊石孔隙之間自由茂密生長,繁茂的植物根須也可深入土壤中,起到保持水土的作用,從而增強岸坡的抗洪能力,進一步穩(wěn)定岸坡及延長石籠的使用壽命。

而傳統(tǒng)的混凝土和漿砌石為剛性結(jié)構(gòu),對地基承載力要求高、抗震性能差,不能適應河床變形,生態(tài)不友好。比較而言,格賓石籠結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點：①多孔隙,透水透氣,環(huán)境友好,適合水生動植物棲息,可建設(shè)生態(tài)良好、景觀優(yōu)美的近自然河岸結(jié)構(gòu)；②結(jié)構(gòu)柔韌性好,適應河床變形能力強；③就地取材,經(jīng)濟合理；④便于施工、修復、加固；⑤具有較好的抗沖護坡能力,因此,格賓石籠結(jié)構(gòu)更適合用于中小河流護坡、護岸和護腳工程,其工程應用實例見圖7。

圖7 格賓石籠網(wǎng)的應用實例

3) 植生型生態(tài)混凝土

在2015年廣東省某縣區(qū)的中小河流治理工程中,設(shè)計單位明確規(guī)定生態(tài)護坡采用生態(tài)混凝土結(jié)構(gòu),設(shè)計如圖8～9所示?；炷量蚋袷絻?nèi)填多空隙混凝土結(jié)構(gòu),混凝土框架采用無砂混凝土現(xiàn)澆,強度為C15,孔隙率不小于30%,滲透系數(shù)不小于0.1 cm/s。整個框架在順水流方向上每隔19.4 m設(shè)置一寬度為20 mm的伸縮縫?；炷量蚣軆?nèi)填多孔隙生態(tài)混凝土,厚0.15 m,下設(shè)0.1 m砂墊層及0.15厚種植土,上設(shè)0.1 m客土噴播層,防止涌及沙土等顆粒流失現(xiàn)象的出現(xiàn)。同時,生態(tài)混凝土的多孔結(jié)構(gòu)也為動植物、微生物提供一定的棲息和活動空間,而且在一定程度上還可以有效地提高水質(zhì)的自然凈化能力。

植生型生態(tài)混凝土一般為無砂大孔混凝土,由單一粒徑骨料、膠凝材料、水拌制而成的輕質(zhì)混凝土,由于其無砂,漿體包裹粗骨料表面再在一定外力作用下形成粘結(jié)點相互膠結(jié)便形成了既有一定強度又有貫穿連通孔隙的“沙琪瑪”狀結(jié)構(gòu),其主體結(jié)構(gòu)包括骨料、水泥漿體、貫穿大孔,容重在1 800左右,厚度在100～150 mm之間,孔隙率最高可以達到35%[5],其外觀形狀如圖10所示。

植生型生態(tài)混凝土主要用于植被護坡,對混凝土自身的強度要求并不高,一般強度達到10～20 MPa即能滿足要求。對于河道邊坡的防護,生態(tài)混凝土抗壓強度更是只需要達到10 MPa以上即可,其施工過程及工程應用實例如圖11～12所示。據(jù)華南理工大學的趙洪[5]研究可知,較之傳統(tǒng)混凝土材料,植生型生態(tài)混凝土具有的特點主要有以下四個方面：

1) 具有貫穿大孔結(jié)構(gòu)。能夠透水透氣,既有傳統(tǒng)混凝土的牢固又有土壤一般的孔隙結(jié)構(gòu),能夠在道路交通邊坡及水利邊坡滿足防護與防洪的需要,同時也可以在城市排水系統(tǒng)、人行道等處滿足排水減輕城市道路的泄洪壓力的需要。

圖8 生態(tài)護坡設(shè)計斷面示意

圖9 生態(tài)混凝土示意

圖10 植生型生態(tài)混凝土示意

2) 具有一定的反過濾能力。多孔混凝土本身具有良好的穩(wěn)定性,在作為反過濾層的結(jié)構(gòu)時,可以減少多層設(shè)置。

3) 經(jīng)濟性能好。目前我國常用護坡工藝有植被防護、漿砌片石、噴射混凝土,其中多孔混凝土的經(jīng)濟性顯著,每方相比漿砌片石護坡能節(jié)省近50元,相比噴射混凝土能節(jié)省近100元。

4) 具有景觀效益。由于多孔混凝土的多孔特性,可以使混凝土以下的土體透氣、透水,一方面在雨水多的季節(jié)可以有一部分水入滲,減少徑流,另一方面,枯水時可以反滲,形成水土互相涵養(yǎng)的一個過程,從而利于土壤微生物、植物等的生存,形成良好的種植景觀效應。多孔混凝土形成的景觀效應能有效填補和恢復原有地貌的植被特點,改變了傳統(tǒng)混凝土留給人們的強硬、灰冷的單調(diào)形象。

圖11 植生型生態(tài)混凝土施工過程示意

圖12 植生型生態(tài)混凝土工程應用實例

4 結(jié)語

自2015年以來,廣東省山區(qū)五市中小河流治理工程正在不斷推進建設(shè)當中,眾多生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)不僅應了建設(shè)管理單位的要求,同時也應了人文生態(tài)環(huán)境對景觀的要求,得到了大力的推廣應用。

本文通過論述生態(tài)護坡形式包括聯(lián)鎖生態(tài)磚、格賓石籠網(wǎng)箱和植生型生態(tài)混凝土在當前廣東省中小河流治理工程中的應用,并與傳統(tǒng)護坡形式進行比較,指出了傳統(tǒng)護坡形式存在的缺點與不足,同時也突出了生態(tài)護坡形式無可比擬的優(yōu)勢。結(jié)合當前生態(tài)護坡形式優(yōu)勢及推廣應用,本文對今后護坡工程提出幾點合理化建議。

1) 生態(tài)護坡形式在滿足河道的行洪、排澇功能的同時,改善了河道的生態(tài)環(huán)境,滿足了人們對城市景觀的需求,在今后的河道護坡工程應得到大力推廣應用；

2) 結(jié)合人文生態(tài)學和城市景觀學,建立起一套完善的生態(tài)型護坡生態(tài)功能的評價體系或標準,突出其與傳統(tǒng)護坡形式的區(qū)別,為指導和評估護坡工程提供參考依據(jù)；

3) 在充分考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和經(jīng)濟成本的前提下,逐漸限制傳統(tǒng)護坡形式的使用,還原生態(tài),睡堤喚醒,改善人居環(huán)境,滿足人們“回歸自然、親近自然”的自然意識。

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,人與自然和諧相處的呼聲也越來越高。傳統(tǒng)的護坡形式已經(jīng)無法滿足當前人們對生活生態(tài)環(huán)境的要求。并且,隨著生態(tài)環(huán)保理念的不斷深入,人們將不斷提高對護坡工程生態(tài)環(huán)境效益的要求,傳統(tǒng)的護坡形式必將向生態(tài)型護坡形式轉(zhuǎn)變?？偠灾?生態(tài)型護坡的出現(xiàn)不僅順應了人與自然和諧相處的要求。同時,可以預想,隨著生態(tài)護坡理念的不斷推廣以及深入應用,在今后城市河道工程建設(shè)中,必將成為主流,為還原人文景觀、改善人居環(huán)境、營造和諧生態(tài)做出重大的貢獻。

[1] 王宏俊.生態(tài)材料在河道生態(tài)工程治理中的應用[J].人民長江,2013,6(44):86-88．

[2] 李海東,林杰,張金池,等.生態(tài)護坡技術(shù)在河道邊坡水土保持中的應用[J]. 南京林業(yè)大學學報,2008,1(32):119-123．

[3] 陳梅,邱郁敏.河流護坡工程生態(tài)材料的應用[J].廣東水利水電,2005(2):18-19．

[4] 馮婷,賈亞軍.生態(tài)護坡技術(shù)在城市河道整治中的應用[J].中國給水排水,2008,24(20):58-60．

[5] 趙洪.預制竹筋多孔混凝土板研究[D].廣州:華南理工大學,2013．

[6] 何蘅,陳德春,魏文白.生態(tài)護坡及其在城市河道整治中的應用[J].水資源保護,2015,21(6):56-58．

(本文責任編輯 馬克俊)

Application of Ecological Slope Protection Technique to the small and Medium River Regulation Project of Guangdong Province

CAI Jielong1, YANG Yongmin1,2, LU Weiwei1

(1.Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower,Guangdong Provincial Key Scientific Research Base, Guangzhou, 510630;2.South China University of Technology, School of Materials Science and Engineering, Guangzhou, 510640)

In the background of the small and medium river regulation of Guangdong Province, ecological slope protection forms(interlocking slope protection brick, gabion box and vegetation type ecological concrete) applying to the engineering of small and medium river regulation is introduced in the article, which highlighting the advantages of ecological slope protection in conserving water and soil, purifying water and maintaining landscape. Finally, reasonable suggestion is proposed for the way to regulate river in the future.

ecological slope protection；river regulation； soil and water conservation； traditional slope protection

2016-04-18;

2016-06-27

蔡杰龍(1987),男,碩士,工程師，從事水泥混凝土及外加劑等建筑材料研究。

TV861