劉海明， 孟佳陽， 劉 亮

(1.張家港市農(nóng)村水利工程建設(shè)指揮部， 江蘇 蘇州 215600； 2.張家港市水資源管理處， 江蘇 蘇州 215600)

1 概 述

“十三五”期間，生態(tài)文明建設(shè)上升到國家戰(zhàn)略的高度，以尊重和維護自然為前提，強調(diào)與自然環(huán)境的相互依存、相互促進、共處共融。水利管理部門積極探索中小河道生態(tài)治理的“低碳之路”，特別是新農(nóng)村建設(shè)、水美鄉(xiāng)村建設(shè)中河流水環(huán)境的改善和治理已經(jīng)從以前的“消除黑臭、改善水質(zhì)”向“穩(wěn)定水質(zhì)、生態(tài)修復(fù)”轉(zhuǎn)變，把自然坡岸、灘地“還”給河流，并把“河暢、水清、岸綠、景美、魚游”作為河道生態(tài)整治的目標(biāo)，河流生態(tài)建設(shè)工程中已經(jīng)著眼于河流岸坡綠化，并認(rèn)識到河流生態(tài)系統(tǒng)是一個由魚類、鳥類、哺乳動物、無脊椎動物和昆蟲等動物和水中及岸邊植物共同組成的食物網(wǎng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，河道治理進入來了一個前所未有的生態(tài)修復(fù)新階段。

但是長期以來我們在河道治理中曾經(jīng)普遍忽視了河流的生態(tài)功能，新建護岸普遍使用漿砌石、塊石等材料構(gòu)造，即便是現(xiàn)在，很多設(shè)計人員還是習(xí)慣性地使用塊石、水泥預(yù)制砌塊等硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，河道被生生地封閉起來，陸生、水生動植物失去了其合理的生命環(huán)境，陸地景觀與水生景觀之間缺少自然過渡，既不符合生態(tài)景觀美學(xué)，也缺少了河道原始、質(zhì)樸、自然的景觀特點[1]；同時，硬質(zhì)邊坡隔絕了地表水、淺地下水與水體之間的交換，河水由于沒有了自然的過濾與滲透，日益渾濁。硬質(zhì)邊坡對生態(tài)的影響主要是：① 用水泥石料修葺的河道中，大量具有涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)功能的水生植物生長困難，河水自凈能力大為降低，水質(zhì)惡化；② 導(dǎo)致河水受陽光影響而水溫變化過大，不利于維持水中生態(tài)平衡，特別是高溫季節(jié)，容易使傳染病菌孳生；③ 隨著水流流速的增大，水中一些生物會被水流沖走，水中生物減少，岸上又缺乏天然植物，直接影響沿河野生生物種類生存，如水鳥。據(jù)統(tǒng)計，目前城鎮(zhèn)河道襯砌后，沿河生物種類減少了70%以上，而水生物也只相當(dāng)于原來的50%甚至更少[2]。

把自然坡岸、灘地“還”給河流是未來河道生態(tài)治理的目標(biāo)，同時生態(tài)治理不能以犧牲它處的生態(tài)環(huán)境為代價，除非特別需要，盡可能減少砍伐和開采，保護原產(chǎn)地生態(tài)環(huán)境，這是廣大水利從業(yè)人員所應(yīng)具有的最基本的社會責(zé)任，水務(wù)管理部門應(yīng)大張旗鼓地鼓勵在河道治理中使用新技術(shù)、新工藝，減少碳排放，因此研究河道生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)形式和新材料、新工藝是提高河道生態(tài)治理水平的關(guān)鍵，本文著重研究生態(tài)膜袋這一種新的護坡結(jié)構(gòu)形式，并通過這種新型護坡技術(shù)的典型應(yīng)用案例，探討膜袋護坡方法的適用范圍及在河道建設(shè)中的應(yīng)用。

2 生態(tài)河道治理

2.1 生態(tài)河道治理主要在于修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)

河流生態(tài)是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。河流、湖泊中的水與生物群落(包括動物、植物、微生物)共存，通過氣候系統(tǒng)、水文循環(huán)、食物鏈、養(yǎng)分循環(huán)及能量交換相互交織在一起。水是生物群落生命的載體，又是能量流動和物質(zhì)循環(huán)的介質(zhì)。水體與生物群落相互依存、相互作用，形成了江河湖泊的自凈能力。河道生態(tài)整治在滿足人們對水的各種不同需要的同時，還應(yīng)滿足水域生態(tài)系統(tǒng)完整性、依存性的要求，恢復(fù)與建設(shè)潔凈的水環(huán)境，實現(xiàn)人與自然的和諧。

2.2 河流生態(tài)修復(fù)的著眼點是恢復(fù)生物群落多樣性

恢復(fù)與重建河道生態(tài)子系統(tǒng)必須把原先被硬質(zhì)結(jié)構(gòu)封閉起來的系統(tǒng)打開，使其成為一個開放式系統(tǒng)，對應(yīng)于硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，我們把這個結(jié)構(gòu)稱為柔性結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)需要滿足如下條件：①在滿足行洪排澇要求的基礎(chǔ)上，保證岸坡穩(wěn)定，防止水土流失，水土保持強度大于99%；②它是一個開放式系統(tǒng)，與周圍生態(tài)系統(tǒng)密切聯(lián)系，不斷與周圍生態(tài)系統(tǒng)進行物質(zhì)交換；③ 它是動態(tài)平衡的系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的生物之間存在著復(fù)雜的食物鏈，它們互為食物，保持著系統(tǒng)的動態(tài)平衡；④ 是動力式的系統(tǒng)，它與水流之間是相互作用的，水流對岸坡有沖刷作用，岸坡對水流有阻礙作用，岸坡生態(tài)系統(tǒng)是地表水與地下水交換的媒介；⑤是可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)，是一個具有自我修復(fù)、自我完善和不斷發(fā)育的生命體，膜袋護坡結(jié)構(gòu)是唯一滿足上述條件的結(jié)構(gòu)，也是人類在水利工程建設(shè)的歷史中所獲得的第一個有生命的系統(tǒng)。

3 膜袋護坡結(jié)構(gòu)的組成

柔性結(jié)構(gòu)邊坡由袋裝土單元(袋體單元)和連接扣組成基本結(jié)構(gòu),袋裝土單元通過連接扣將分散質(zhì)量變成集中質(zhì)量。這個結(jié)構(gòu)與其上生長的植被形成一個有生命的系統(tǒng),如圖1～2所示。

圖1 柔性結(jié)構(gòu)護坡系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 膜袋護坡結(jié)構(gòu)形式和植被

袋裝土(或者袋裝其他固體物)這種方式在修筑臨時圍堰、防洪應(yīng)急搶險等方面早就已經(jīng)廣泛使用，其最早的應(yīng)用甚至可以追溯到中國漢代，古人在沙漠中修建城墻時便使用葦編筐裝填砂礫作為建筑單元壘砌。但把袋裝土單元應(yīng)用在邊坡構(gòu)造上并作為擋土結(jié)構(gòu)使用則是緣于20世紀(jì)90年代末期歐美國家對水環(huán)境保護所制定的一系列法律法規(guī)，這些法律法規(guī)對水泥等容易對水體產(chǎn)生破壞的材料在水利工程中的應(yīng)用做出了限制性規(guī)定。正是由于這些國家出臺的這些限制性規(guī)定，科學(xué)家開始研究一種對環(huán)境友善并可以替代水泥石頭的新的護坡材料和工藝，袋裝土單元擋土結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生[3]。

這種護坡形式目前已經(jīng)開始在一些發(fā)達城市和地區(qū)應(yīng)用在河道、湖泊、水庫、道路、山體等邊坡防護和治理中。張家港市一些河道近幾年也有一些初步的應(yīng)用，有一定生態(tài)效果，但還沒有形成成熟的設(shè)計體系和積累成熟的工程應(yīng)用經(jīng)驗。通過對江蘇周邊地區(qū)這種護坡形式較成功工程案例的實地調(diào)研以及與專業(yè)研究機構(gòu)的技術(shù)交流，目前國內(nèi)對這種工藝的探索與研究尚處于起步階段，甚至很多設(shè)計單位對這種袋裝土單元的材料、力學(xué)性能、水力特性均不甚了了，對于膜袋材料的選擇更是五花八門、毫無章法，本文通過大量文獻和資料研究，并與權(quán)威研究機構(gòu)資深膜袋專家探討后，首次對袋裝土單元(膜袋)進行科學(xué)定義，也是第一次公開該定義。

3.1 新型土工膜袋

新型土工膜袋是指在一定克重(單位面積質(zhì)量)范圍內(nèi)對當(dāng)?shù)卮蠖鄶?shù)植物根系友好、其上植物能自然生長并具有工程結(jié)構(gòu)所要求的長期使用壽命的土工織物容器(圖3)，也可簡稱為生態(tài)膜袋。

圖3 膜袋袋體單元

本文引用上海易可(ECO)生態(tài)工程技術(shù)研究中心長達數(shù)年的研究數(shù)據(jù)，該研究中心對構(gòu)成袋裝土單元的膜袋材料在單位面積質(zhì)量在100～200 g范圍內(nèi)每間隔25 g為一組，縫制成相同尺寸的數(shù)個袋體，灌裝相同質(zhì)量的均質(zhì)泥土，取90°直立邊坡、1∶1、1∶1.53種坡度堆疊，以及1∶2、1∶3斜鋪、0°平鋪方式共6種，按一定比例播撒馬尼拉、狗牙根、高羊茅等草種，在相同自然條件下不加人為干預(yù)，經(jīng)歷春夏秋冬季節(jié)四季變遷，觀察樣本上上述草本的成活率、根系發(fā)育程度、耐干旱、宿根能力等。大量研究數(shù)據(jù)表明，植物根系與膜袋材料單位面積質(zhì)量(材料質(zhì)量對應(yīng)材料厚度)成正相關(guān)，即單位克重越大，植被覆蓋率越低，超過某一限定值，植物生長及其困難，在沒有人為干預(yù)的情況下極端情況下甚至寸草不生。

膜袋材質(zhì)為100%聚丙烯[4](Polypropylene，簡稱PP)和一系列輔料復(fù)合而成復(fù)合PP。PP 是一種壽命非常長的高分子有機聚合物，通常用于惡劣環(huán)境。

制成膜袋袋體的材料使用上述復(fù)合PP纖維經(jīng)電腦針刺而成無紡?fù)凉げ?，不允許單面或者雙面燒結(jié)，以保留纖維之間的間隙以利植物根系穿透，這種土工布按一定規(guī)格縫制后成為新型土工膜袋。

對于不符合上述定義，即植物不能在其上自然生長的土工織物容器我們則把它稱為土工膜袋，以區(qū)別于上述植物能生長的新型土工膜袋，同隸屬于土工合成材料大類，材質(zhì)可以是PP、PE、PET等。

新型土工膜袋是土工膜袋的一種，但并不是所有能裝土的袋子就可以稱之為新型土工膜袋，新型土工膜袋兼具強度、壽命、水力特性和植被覆蓋。

新型土工膜袋(裝土后)對植被友善，植物可以從里面長出，見圖4(a)，也可以從表面扎根進袋體內(nèi)，見圖4(b)，起到“固根保土”作用，為植被生長提供必要的生存環(huán)境。

圖4 新型土工膜袋的“固根保土”作用

3.2 連接扣

連接扣主要是用于袋裝土單元之間的連接,將分散質(zhì)量轉(zhuǎn)變成集中質(zhì)量,增加結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。

連接扣有兩種，一種是標(biāo)準(zhǔn)扣，用于構(gòu)造自立邊坡，另外一種是工程扣，其上有可與土工格刪相連接的掛鉤，用于加勁結(jié)構(gòu)(圖5)。

圖5 連接扣

連接扣材料采用與生態(tài)袋相同的PP材料制成，由于結(jié)構(gòu)建成后，連接扣并不暴露在紫外線照射下，因此其內(nèi)含的抗紫外線穩(wěn)定成分主要是為了搬運和安裝過程中短暫的抗紫外線要求。

3.3 植被

柔性護坡結(jié)構(gòu)最核心的技術(shù)特點在于植被生長和植被作用。新型土工膜袋袋內(nèi)裝的土壤為植被提供必要的生存環(huán)境，伴隨植被的生長，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、整體性等會逐漸演變?yōu)橐灾脖蛔饔脼橹鲗?dǎo)。

4 新型土工膜袋護坡結(jié)構(gòu)的工程實踐

4.1 加勁擋土墻

新型土工膜袋護坡技術(shù)在中小河道生態(tài)治理中的實驗性應(yīng)用取得了良好成效。柔性結(jié)構(gòu)邊坡作為加勁擋土墻應(yīng)用是極具創(chuàng)新精神的嘗試,此舉對膜袋材料的耐久性極具挑戰(zhàn),在沒有任何工程先例和經(jīng)驗可供借鑒的的情況下，促成這項工程試驗并加以應(yīng)用富有挑戰(zhàn)性，通過與傳統(tǒng)漿砌塊石結(jié)構(gòu)的重力式擋土墻作對比，可試驗其擋土能力，并評價其技術(shù)經(jīng)濟性。該項對比試驗結(jié)果表明，采用膜袋填充當(dāng)?shù)氐哪嗤磷鳛榻ㄖ卧o以土工格柵的加勁結(jié)構(gòu)能夠達到與傳統(tǒng)漿砌塊石相同的擋土效果，而總投資遠低于漿砌塊石這樣的硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，可節(jié)省投資70%以上，工期縮短50%以上，其附加的自然生態(tài)效果是傳統(tǒng)漿砌塊石所無法比擬的，見圖6。

圖6 加勁結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 微型加勁結(jié)構(gòu)

微型加勁結(jié)構(gòu)區(qū)別于土工格柵加勁結(jié)構(gòu)的地方在于可以大大減少土方開挖量，減少對原始穩(wěn)定土體的擾動，通過膜袋袋體“丁”字碼放，達到微型加勁的作用，從而構(gòu)造穩(wěn)定邊坡。圖7是微型加勁結(jié)構(gòu)示意圖和工程圖例，供廣大設(shè)計人員設(shè)計時參考。

圖7 膜袋“打丁”結(jié)構(gòu)示意圖

為了方便觀察膜袋“打丁”結(jié)構(gòu)，膜袋使用黑色。

4.3 膜袋“斜鋪”、“平鋪”、“疊鋪”

膜袋“斜鋪”適合于坡比在1∶2.5、1∶3甚至更平緩的穩(wěn)定邊坡[2]。理論上適用于任何小于30°的邊坡，但實際應(yīng)用時，在受季節(jié)以及施工節(jié)奏影響不能快速進行邊坡綠化時，則應(yīng)控制邊坡的角度不大于20°，以防止袋體填充物滑移產(chǎn)生形變導(dǎo)致膜袋邊坡整體“下挫”，見圖8。

圖8 膜袋“斜鋪”

膜袋“平鋪”、“疊鋪”則適合于任何小于30°的穩(wěn)定邊坡，見圖9～10。

圖9 膜袋“平鋪”

圖10 膜袋“疊鋪”

膜袋“平鋪”、“疊鋪”能有效避免袋體內(nèi)填充物滑移變形導(dǎo)致的膜袋邊坡“下挫”。

5 膜袋護坡形式的綜合評價

膜袋護坡這種新的護坡工藝和護坡材料自問世以來，學(xué)術(shù)界一直沒有系統(tǒng)地對其投資經(jīng)濟性、社會效益、環(huán)境的改善、適用范圍、后期維護等進行綜合評價

5.1 社會效益

采用膜袋護坡結(jié)構(gòu)，直接減少了水泥、鋼材、石頭等材料的使用，初步研究表明，采用膜袋護坡的中小河道，每公里河道最少可減少500～1500 m3石材的使用量，減少碳排放和開挖山體對環(huán)境和自然植被的破壞，更重要的是這種透水結(jié)構(gòu)使原本被封閉的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成一個能夠自我發(fā)育和自我完善的生態(tài)系統(tǒng)。

膜袋袋這種柔性結(jié)構(gòu)護坡，由于其永久固土的特性以及與植物根系的友好，使原本不能綠化的硬質(zhì)護坡表面恢復(fù)植被，增加了河道邊坡的植被覆蓋率，新增綠化面積，增加了植物生物放氧量，使河道生態(tài)補償和生態(tài)修復(fù)成為可能，提高了河道、濕地的碳匯水平。

5.2 投資經(jīng)濟性

對膜袋護坡方案和塊石護坡、漿砌塊石方案進行投資比較，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式，膜袋護坡方案可節(jié)約投資約15%～55%以上，而且施工周期大大縮短、生態(tài)效應(yīng)明顯，具有投資少、見效快的特點。

5.3 對改善環(huán)境的貢獻

膜袋護坡具有以下優(yōu)點：(1) 克服了漿砌塊石等硬質(zhì)護坡的呆板和生硬，水面以上部分袋體表面可以100%綠化，水位變動區(qū)的袋體之間可以通過壓播、栽種水陸兩生植物，實現(xiàn)了從陸地景觀到水面景觀的自然過渡(2) 利用不同季節(jié)的植物的形狀和顏色，改善河道自然景觀；(3)由于膜袋具有“透水不透土”的特點，增加了邊坡對雨污水的過濾能力，固體顆粒和有機質(zhì)被保留在泥土中，改變了以往河水“一雨即渾”的現(xiàn)象，也減少了雨污水中有害物質(zhì)對水體的破壞；(4)水位變動區(qū)和水位以下的水生植物，對于清除水體中N、P和其他營養(yǎng)物質(zhì)大有裨益，是今后利用水生植物進行水體涵養(yǎng)、改善水質(zhì)、恢復(fù)水生動植物群落和生態(tài)修復(fù)[5]的發(fā)展方向。

5.4 工程的后期維護

從工程維護角度分析，硬質(zhì)護坡具有一次性投資、維護少等優(yōu)點，而膜袋護坡則增加了一個植物的養(yǎng)護和后期維護。膜袋護坡在植物成活前要進行一定的養(yǎng)護，但植物成活后，植物主要是依靠自然的力量進行自然更新，通常情況下無需維護，所以維護工作量不大。

6 結(jié) 語

河道治理必須找到自己的“低碳之路”，河道治理中盡量減少高耗能材料的使用，減少碳依賴，還河道以自然，改善水質(zhì)、涵養(yǎng)水源，是擺在水利管理部門面前亟需解決的問題。

膜袋護坡技術(shù)所顯現(xiàn)的水土保持能力、與環(huán)境進行物質(zhì)交換的能力、生態(tài)性、環(huán)境友好性在目前邊坡防護、水土保持方面依然是獨一無二的。但膜袋護坡技術(shù)目前缺乏國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏系統(tǒng)性的研究，雖然膜袋護坡有了一些基本的應(yīng)用，但產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，增加了工程管理的難度，一些材料的耐久性和生態(tài)性尚有待于實踐的進一步檢驗，膜袋袋體材料選擇尚需要專業(yè)研究機構(gòu)、檢測機構(gòu)的協(xié)同研究，并形成地方性標(biāo)準(zhǔn)，以進一步完善這種工藝和材料的應(yīng)用，提高河流和濕地的碳匯水平，這也是本文成文的一個重要初衷。