沈小立，劉長(zhǎng)壯

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

習(xí)近平總書記“綠水青山就是金山銀山”的反復(fù)叮嚀，人們已經(jīng)耳熟能詳，由此帶來(lái)的發(fā)展方式轉(zhuǎn)化實(shí)實(shí)在在地改變著中國(guó)的樣貌，我們正在從過去環(huán)境的末端治理向生產(chǎn)生活各方面貫徹綠色發(fā)展理念轉(zhuǎn)變。

作為生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要組成部分，生態(tài)型河道建設(shè)近些年在全國(guó)受到了高度重視，尤其是生態(tài)護(hù)岸的建設(shè)理念在新時(shí)期的水利工程中得到了大力貫徹。筆者參加了某市生態(tài)護(hù)岸建設(shè)中土工合成材料應(yīng)用技術(shù)研究科研項(xiàng)目調(diào)研，負(fù)責(zé)生態(tài)護(hù)岸的調(diào)查、研究，對(duì)各種類型的生態(tài)護(hù)岸材料、結(jié)構(gòu)有了較深入、全面的了解。三維水土保護(hù)毯兼顧安全性與生態(tài)性，與生態(tài)水系建設(shè)目標(biāo)高度契合，是構(gòu)建生態(tài)護(hù)岸的良好解決方案。在水利部、建設(shè)部的科技網(wǎng)站上，該材料作為優(yōu)良的柔性生態(tài)護(hù)坡材料被推薦。

1 概述

水土保護(hù)毯是一款以聚酰胺（PA6，俗稱“尼龍”）為原材料，采用干拉成型工藝（即纖維長(zhǎng)絲在擠出之后，一次性制成三維空間結(jié)構(gòu)，不經(jīng)過中間步驟，不過水冷卻）加工而成，呈倒金字塔狀的彈性均勻構(gòu)形，孔隙率大于95%的土工合成材料。

水土保護(hù)毯為植物的生長(zhǎng)提供額外的加筋，植物根系與纖維纏繞在一起后再深植土中，形成密實(shí)、連續(xù)的“天然植被-水土保護(hù)毯-土壤”三維立體護(hù)坡體系。其所形成的土壤-根系復(fù)合體能有效減弱暴雨徑流、水流侵蝕、波浪淘刷對(duì)邊坡的危害，從而大幅度提高邊坡的穩(wěn)定性和抗沖刷能力，是一種新型的柔性生態(tài)護(hù)坡體系。

水土保護(hù)毯生態(tài)護(hù)岸具有如下特點(diǎn)：

（1）固土性能優(yōu)良。水土保護(hù)毯表面呈不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)上部鋪設(shè)的土壤和草籽具有固定作用，不容易受雨水沖刷而流失。

（2）網(wǎng)絡(luò)加筋作用突出。植物根系水土保護(hù)毯網(wǎng)絡(luò)纏繞在一起后再深植土中，形成密實(shí)、連續(xù)的“天然植被-水土保護(hù)毯-土壤”三維立體護(hù)坡體系。

（3）消能作用明顯。三維水土保護(hù)毯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可明顯削減雨滴的侵蝕能力，減少對(duì)護(hù)坡的沖刷。

（4）保溫功能良好。由于水土保護(hù)毯為黑色網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)，因此具有很好的保溫作用，在夏季可使植物根系的內(nèi)部溫度比外部環(huán)境溫度低3～5℃，在冬季則高3～5℃[1]。

2 防護(hù)機(jī)理

通常情況下，河道的護(hù)岸主要遭受河道沖刷和坡面沖刷兩種情況。其中，水流的沖刷作用是主要的破壞因素。

2.1 抗沖刷性能研究

抗沖刷性能研究主要關(guān)注兩個(gè)問題：第一，在高速明渠水流作用下，護(hù)坡的侵蝕量發(fā)展過程；第二，在長(zhǎng)時(shí)間的水流沖刷和浸潤(rùn)作用下，護(hù)坡的侵蝕情況。結(jié)合上海生態(tài)護(hù)岸建設(shè)中三維水土保護(hù)毯一般用于坡度1∶3 的自然斜坡，本次針對(duì)1∶3 坡度進(jìn)行試驗(yàn)。

將1∶3 坡度測(cè)試儀下測(cè)量得到的不同樣品的土壤侵蝕發(fā)展過程繪制成圖1。流量1、流量2、流量3對(duì)應(yīng)的單寬流量分別為1 098 m3/（h·m-1）、1 260 m3/（h·m-1）和1 386 m3/（h·m-1）；長(zhǎng)時(shí)間組為不間斷沖刷5 h（300 min）后測(cè)得的侵蝕量。

圖1 1∶3 坡度下的土壤侵蝕量發(fā)展

表1 不同單寬流量對(duì)應(yīng)的流速

由于實(shí)驗(yàn)中四組樣品全部被破壞，因此圖1 中并未給出天然草皮樣品的侵蝕量發(fā)展過程。破壞主要為兩種形式：整體破壞和功能性破壞。整體破壞為樣品整體從植草模型箱中沖出，如圖2 所示。功能性破壞為草皮樣品上游端離開植草模型箱箱體，前半部分出現(xiàn)明顯沖坑，后半部分隆起。由于植草模型箱空間有限，箱壁土體的阻擋作用造成了后半部分隆起，進(jìn)而阻止了短時(shí)間內(nèi)進(jìn)一步的破壞。因此，在這種情況下，草皮已經(jīng)失去自身的保護(hù)功能。當(dāng)植草模型箱前半部分的下陷量達(dá)到20 mm 時(shí)，樣品已經(jīng)形成功能性破壞。圖3 給出了功能性破壞的一個(gè)例子，從中可以看到，在上游端，土體已經(jīng)與箱體脫離；在草箱前半部分，沖刷明顯（圖中割去植株后可以看到土面下降約30 mm）。所有天然草皮試樣在第一個(gè)30 min 測(cè)量時(shí)均發(fā)生功能性破壞，繼續(xù)沖刷會(huì)引發(fā)整體破壞或更明顯的功能性破壞。表2 給出了1∶3坡度下天然草皮樣本的破壞情況。

圖2 天然草皮的整體破壞

圖3 天然草皮的功能性破壞

表2 1∶3 坡度天然草皮樣本的破壞情況

結(jié)合以上試驗(yàn)，主要得出如下結(jié)論：

（1）水土保護(hù)毯顯著提高了草皮抗水力侵蝕能力。與天然草皮相比，水土保護(hù)毯能明顯提高抗水力侵蝕性能。在不同實(shí)驗(yàn)條件下（坡度1∶3，單寬流量1 098～1 386 m3/h/m，流速5.257～5.574 m/s），天然草皮樣品全部被破壞，但水土保護(hù)毯保護(hù)的樣品均無(wú)明顯破壞。

（2）水土保護(hù)毯能夠抵御本次試驗(yàn)中高速明渠水流（最高5.57 m/s）的沖刷。試驗(yàn)過后，所有組的土面高程下降量小于10 mm，僅覆在水土保護(hù)毯上層的土被沖掉，狗牙根草植株基本無(wú)損失。

（3）水流的初始侵蝕相對(duì)于長(zhǎng)期侵蝕來(lái)說是大值。長(zhǎng)時(shí)間沖刷的侵蝕速率明顯低于間斷沖刷，5h 后的侵蝕量與30 min 后的侵蝕量大致相當(dāng)。從無(wú)水流到有水流的過程帶來(lái)的侵蝕量與水流本身的沖刷量相比是大值；反過來(lái)說，長(zhǎng)時(shí)間不間斷沖刷造成的侵蝕量非常小。

（4）“侵蝕上限”的存在。從各曲線的侵蝕發(fā)展歷程來(lái)看，侵蝕量的發(fā)展存在“先快后慢”的現(xiàn)象，在1 h或2 h 后發(fā)展很慢或不再發(fā)展。這與“侵蝕上限”的概念相一致，即隨著侵蝕的增加，水土保護(hù)毯的纖維開始暴露，使得土壤的抗沖刷能力提升。當(dāng)水力沖刷力和抗沖刷力達(dá)到平衡時(shí)，侵蝕基本停止發(fā)展，達(dá)到“侵蝕上限”（見圖4）。

圖4 侵蝕上限原理圖

（5）流量、流速增大時(shí)，“侵蝕上限”會(huì)相應(yīng)增大。水土保護(hù)毯保護(hù)下的樣品的“侵蝕上限”均在10 mm以內(nèi)。

2.2 水土保護(hù)毯減少坡面徑流

水土保護(hù)毯一般配合植草技術(shù)而在邊坡工程中應(yīng)用。在前期播種之后能夠?qū)ΨN子起到很好的保護(hù)作用，防止雨水的擊濺破壞。在各種邊坡上不同水深位置種植不同的植物，不僅可以美化環(huán)境，而且可以對(duì)工程起到防護(hù)作用[2]。

植被在生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)中發(fā)揮的防護(hù)作用主要體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面：

（1）增大糙率，減緩流速。

（2）錨固根系，控制土壤顆粒流失。

（3）截留降雨，削弱雨滴擊濺功能。

（4）減少雨水的入滲。

3 應(yīng)用及施工工藝

良好的河道生態(tài)護(hù)岸構(gòu)建需要合理的材料配合完善的施工工藝共同完成。

3.1 材料質(zhì)量要求

目前市場(chǎng)上材料的質(zhì)量參差不齊，價(jià)格高低不一，需要謹(jǐn)慎選擇。除了滿足設(shè)計(jì)要求的力學(xué)等指標(biāo)外，還需要注意以下問題：

（1）耐老化性能。受工程工期影響，水土保護(hù)毯通常會(huì)有一部分時(shí)間裸露在外，無(wú)任何保護(hù)。而且水利防護(hù)項(xiàng)目多為永久性項(xiàng)目，因此產(chǎn)品需要較高的耐老化性能。

（2）抗沖性能?？箾_刷能力是生態(tài)防護(hù)的基本要求。由于水土保護(hù)毯的抗沖刷能力不僅與力學(xué)指標(biāo)有關(guān)，還與產(chǎn)品外形、絲的粗細(xì)和密度等有關(guān)。由于產(chǎn)品外形難以用技術(shù)指標(biāo)等方式進(jìn)行量化，為安全起見，產(chǎn)品需要經(jīng)過嚴(yán)格的抗沖試驗(yàn)驗(yàn)證其抗沖性能。相應(yīng)制造商應(yīng)提供相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)以用作參考。

（3）生態(tài)環(huán)保性。為了降低成本，部分水土保護(hù)毯生產(chǎn)廠采用非環(huán)保原材料，從而對(duì)工程產(chǎn)生二次污染，違背環(huán)保和生態(tài)的初衷，同時(shí)被污染的水、土均需花費(fèi)較大代價(jià)進(jìn)行修復(fù)。

3.2 水土保護(hù)毯的施工工藝

水土保護(hù)毯的施工流程較為簡(jiǎn)單，基本流程和注意事項(xiàng)如下：

（1）清坡。清理多余的垃圾、石塊等雜物，盡量做到坡面平整、線性流暢。

（2）挖掘錨固溝。坡頂和坡腳按照設(shè)計(jì)要求設(shè)置錨固溝。

（3）鋪設(shè)。將水土保護(hù)毯一端鋪設(shè)在坡頂錨固溝內(nèi)，然后自上而下鋪設(shè)水土保護(hù)毯。鋪設(shè)時(shí)應(yīng)注意貼坡，不能有較大的鼓包和空腔，毯體順滑，沒有波浪紋。

（4）錨固。通過搭配的鉚釘將水土保護(hù)毯與坡面進(jìn)行錨固。鉚釘尺寸、間距符合設(shè)計(jì)要求。有鼓包部位、空腔部位和搭接部位可以適當(dāng)多加鉚釘錨固。

（5）搭接。相鄰寬幅水土保護(hù)毯進(jìn)行搭接處理。搭接寬度參考設(shè)計(jì)要求。同時(shí)注意搭接方向?yàn)樯嫌未钕掠巍?/p>

（6）錨固溝回填?；靥铄^固溝并進(jìn)行壓實(shí)。

根據(jù)實(shí)踐結(jié)果，三維水土保護(hù)毯護(hù)岸在上海市閔行區(qū)郊野公園項(xiàng)目、崇明區(qū)寶島河整治工程、福建省漳州市九十九灣閩南水鄉(xiāng)項(xiàng)目和廣東肇慶河道整治工程等中都取得了良好的效果，在滿足防洪要求的同時(shí)，美化了河道環(huán)境，值得在河道整治中大力推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

習(xí)近平總書記在多個(gè)場(chǎng)合深入闡釋人與自然生命共同體理念，為建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化指明了努力的方向。

三維水土保護(hù)毯護(hù)岸在防止水流侵蝕淘刷的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)水陸橫向連通、為水生動(dòng)植物提供良好生存條件，很好地體現(xiàn)了“尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然”生態(tài)文明建設(shè)的這一理念。