生態護坡技術在廣東省中小河流治理工程中的應用

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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生態護坡技術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5市中小河流治理工程為背景,介紹當前3種生態護坡形式(聯鎖護坡磚、格賓石籠網箱和植生型生態混凝土)在中小河流治理工程中的應用,突出生態護坡在保持水土、凈化水體和保持景觀中的優勢,并為未來的河道整治發展方向提出合理化建議。

生態護坡；河道治理；水土保持；傳統護坡

近年來,局部強降雨、山洪暴發,造成我省山區中小河流災情嚴重,尤其是2014年5月份,清遠市、河源市等地發生嚴重洪澇災害,嚴重威脅到我省的河道生態及人民生命財產的安全。自2015年起,以系統治理、分期治理和生態治理為理念,在堅持“防災減災、岸固河暢、自然生態、安全經濟、長效管護”的治理原則下,廣東省大力推動了山區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鍵。

然而長期以來,河道邊坡防護主要關注邊坡穩定性和行洪、排澇功能,因此對于傳統的河道治理而言,其主要側重點在于滿足河道的防洪功能,護岸結構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、穩定岸坡方面確實發揮了一定的作用,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系統失去整體平衡,河流最終失去了天然的自凈能力,河流生態環境也逐漸惡化。隨著社會經濟的發展,人們逐漸意識到這類護坡形式會對生態環境帶來嚴重的不良的影響,容易引起生態的整體退化。因此,建立起既滿足河道行洪排澇穩定性,又有利于恢復河道生態系統平衡的邊坡生態防護平臺已顯得極為關鍵[1-3,5]。

因此,本文有必要結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,重點介紹生態護坡形式包括聯鎖生態磚、格賓石籠網箱和植生型生態混凝土在護坡工程中的應用,并與傳統護坡形式進行比較,從而突出當前生態護坡技術在保持水土、凈化水體和保持景觀中的優勢,并為未來的河道整治發展方向提出合理化建議。

1 生態護坡的定義與內容

生態護坡,就是綜合考慮“水安全、水環境、水資源、水景觀”的協調,在滿足抗洪、排澇和航運等工程需求的同時,充分考慮生態效應,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的仿自然狀態的護坡[4,6]。由于生態材料具有“水安全、水環境、水資源、水景觀”等多功能特性,能營造出自然和諧的水生態環境,以及其具有的多孔質型式,因而對水生態系統的修復相當重要。

從生態護坡的定義可知,生態護坡應具備以下要素：首先,它應是一個完整的生態系統,不僅包括植物,還應包括動物及微生物,系統內部之間以及系統與相鄰系統(如河流生態系統、陸地生態系統等)間均發生著物質、能量和信息的交換,具有很強的動態性；其次,它應該是在保證邊坡穩定和安全的基礎上,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、信息和能量的循環體系,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,營造健康的城鎮河流生態系統[2]。

在2015年4月印發的《廣東省山區中小河流治理工程設計指南(試行)》中的“6.5岸坡整治及護岸工程”明確強調了各種生態護坡技術在護坡設計中的重要性,包括生態網格、綠化混凝土、聯鎖護坡磚等護坡形式。由此看出,生態護坡理念在廣東省中小河流治理工程中得到充分的體現以及高度的重視。

2 生態護坡技術的應用

2.1生態護坡技術設計原則

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5市,中小河流密集、水系發達,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、調蓄、排澇、灌溉、供水、航運、水能發電等多種功能,也是水資源和生態環境的重要載體,對防范自然災害,保障生態流量,維護生態平衡,保障經濟社會發展和人民群眾生產生活具有重要作用。因此,生態護坡技術設計在廣東省中小河流治理中起到極為關鍵的作用。

中小河流河岸長期受水流、潮汐、波浪等影響,容易發生沖刷破壞影響岸坡安全。因此,護坡工程可根據水流、潮汐、波浪的特性,以及地形地質、施工條件和應用要求等,統籌兼顧、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。護坡設計應充分利用當地材料,在滿足結構和防沖安全的基礎上,綜合考慮綠化、景觀和生態等要求,選擇生態護坡形式,滿足促進生物多樣性、提高水體自凈能力、美化環境的要求。

根據《廣東省山區中小河流治理工程設計指南(試行)》中內容提出,護坡的位置和長度應根據水流、潮汐、波浪特性以及地形地質條件,在河床演變分析的基礎上確定,在不同的河段宜采用不同的護坡結構。在凹岸水流對沖段,護坡設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段,應充分考慮生態的要求,宜選擇植物措施、植生土工網墊、植生土工袋、植生卵石堆石岸、生態格賓護墊等。

在設計流速小于2 m/s的順直河段,可直接選用植物護坡；設計流速小于4 m/s的順直河段,可選用由三維土工網為底層結構的植物護坡；設計流速大于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。上部護坡的結構形式應根據河岸水文、地質、地形、河床形態、周圍環境、生態、經濟等條件,按以下順序選用植物、土工合成材料、生態網格、綠化混凝土、干砌石、漿砌石、混凝土等護坡形式。下部護腳部分的結構形式應根據岸坡地形地質情況、水流條件和材料來源,采用拋石、石籠等,經技術經濟比較選定。

2.2傳統的護坡形式

河堤護坡是河流生態系統中一個極其重要的組成部分,它是河流生態系統向陸地生態系統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構物的整體穩定性,同時也需要考慮整個水流生態系統的平衡,使河岸生態系統達到動態穩定,同時河堤工程與生態景觀相互協調。然而,在以往眾多城市河道的建設當中,為了充分發揮“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護坡形式,包括漿砌石或現澆混凝土護坡等,如圖1～圖2所示。這種傳統的河堤護坡方式雖然結構穩定,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要素間的物質、能量及信息系統的有機聯系,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環境,其對城市景觀、河道生態平衡、環境保護造成的負面影響仍未得到充分重視。

因此,通過與生態護坡形式進行比較可知,傳統型護坡的優點是護坡能力較強,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、不利于生態環境的保護和水土保持等。同時,傳統的生態護坡形式在外觀上顯得較為單調缺乏生機,與周邊的生態景觀難以協調,這有悖于目前所強調的生態環境保護的理念。因此,可想而知,傳統的護坡形式在今后的工程建設中的應用將會面臨更多的限制和挑戰。

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生態護坡形式

1) 聯鎖護坡磚

在2015年廣東省某縣區的中小河流治理工程中,設計單位明確規定采用聯鎖式鏤空砼預制塊護坡,設計如圖3所示。實際上,聯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,聯鎖設計較為獨特,每塊護面磚與相鄰的六塊護面磚進行超強聯鎖。同時,高開孔率滲水型柔性結構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定性和耐沖刷能力。磚與磚之間產生聯鎖鉸接,整個鋪面為一柔性體,輕微的變形不會導致鋪面產生裂縫及落差破損等現象。這種聯鎖磚易于鋪設,方便現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勢。

圖3 聯鎖護坡磚設計示意

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

圖4 聯鎖護坡磚的應用實例

2) 格賓石籠網箱

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

圖5 格賓石籠網箱設計示意

圖6 格賓石籠網箱護坡設計示意

根據2015年7月份印發的《廣東省中小河流治理工程格賓石籠應用技術要求(試行)》中介紹,格賓網是指一種用抗腐蝕、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鋼絲,由機械絞合編織成的網片結構。格賓石籠結構是由格賓網片組成網箱,再在網箱內填充塊體材料而成的,具有抗沖、護坡功能的新型材料結構形式,具有柔韌、抗沖耐磨、防銹、抗老化、耐腐蝕等特點。同時,格賓石籠結構具有撓性大、抗沖刷能力強等優點,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,進一步穩定岸坡及延長石籠的使用壽命。

而傳統的混凝土和漿砌石為剛性結構,對地基承載力要求高、抗震性能差,不能適應河床變形,生態不友好。比較而言,格賓石籠結構具有如下優點：①多孔隙,透水透氣,環境友好,適合水生動植物棲息,可建設生態良好、景觀優美的近自然河岸結構；②結構柔韌性好,適應河床變形能力強；③就地取材,經濟合理；④便于施工、修復、加固；⑤具有較好的抗沖護坡能力,因此,格賓石籠結構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 格賓石籠網的應用實例

3) 植生型生態混凝土

在2015年廣東省某縣區的中小河流治理工程中,設計單位明確規定生態護坡采用生態混凝土結構,設計如圖8～9所示。混凝土框格式內填多空隙混凝土結構,混凝土框架采用無砂混凝土現澆,強度為C15,孔隙率不小于30%,滲透系數不小于0.1 cm/s。整個框架在順水流方向上每隔19.4 m設置一寬度為20 mm的伸縮縫。混凝土框架內填多孔隙生態混凝土,厚0.15 m,下設0.1 m砂墊層及0.15厚種植土,上設0.1 m客土噴播層,防止涌及沙土等顆粒流失現象的出現。同時,生態混凝土的多孔結構也為動植物、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的自然凈化能力。

植生型生態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點相互膠結便形成了既有一定強度又有貫穿連通孔隙的“沙琪瑪”狀結構,其主體結構包括骨料、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。據華南理工大學的趙洪[5]研究可知,較之傳統混凝土材料,植生型生態混凝土具有的特點主要有以下四個方面：

1) 具有貫穿大孔結構。能夠透水透氣,既有傳統混凝土的牢固又有土壤一般的孔隙結構,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、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 生態護坡設計斷面示意

圖9 生態混凝土示意

圖10 植生型生態混凝土示意

2) 具有一定的反過濾能力。多孔混凝土本身具有良好的穩定性,在作為反過濾層的結構時,可以減少多層設置。

3) 經濟性能好。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濟性顯著,每方相比漿砌片石護坡能節省近50元,相比噴射混凝土能節省近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,改變了傳統混凝土留給人們的強硬、灰冷的單調形象。

圖11 植生型生態混凝土施工過程示意

圖12 植生型生態混凝土工程應用實例

4 結語

自2015年以來,廣東省山區五市中小河流治理工程正在不斷推進建設當中,眾多生態護坡結構不僅應了建設管理單位的要求,同時也應了人文生態環境對景觀的要求,得到了大力的推廣應用。

本文通過論述生態護坡形式包括聯鎖生態磚、格賓石籠網箱和植生型生態混凝土在當前廣東省中小河流治理工程中的應用,并與傳統護坡形式進行比較,指出了傳統護坡形式存在的缺點與不足,同時也突出了生態護坡形式無可比擬的優勢。結合當前生態護坡形式優勢及推廣應用,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,改善了河道的生態環境,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) 結合人文生態學和城市景觀學,建立起一套完善的生態型護坡生態功能的評價體系或標準,突出其與傳統護坡形式的區別,為指導和評估護坡工程提供參考依據；

3) 在充分考慮結構穩定和經濟成本的前提下,逐漸限制傳統護坡形式的使用,還原生態,睡堤喚醒,改善人居環境,滿足人們“回歸自然、親近自然”的自然意識。

隨著社會經濟的不斷發展,人與自然和諧相處的呼聲也越來越高。傳統的護坡形式已經無法滿足當前人們對生活生態環境的要求。并且,隨著生態環保理念的不斷深入,人們將不斷提高對護坡工程生態環境效益的要求,傳統的護坡形式必將向生態型護坡形式轉變。總而言之,生態型護坡的出現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中,必將成為主流,為還原人文景觀、改善人居環境、營造和諧生態做出重大的貢獻。

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

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

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

[4] 馮婷,賈亞軍.生態護坡技術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