三維水土保護(hù)毯在生態(tài)護(hù)岸中的應(yīng)用研究

沈小立，劉長壯

[上海市政工程設(shè)計研究總院（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，由此帶來的發(fā)展方式轉(zhuǎn)化實實在在地改變著中國的樣貌，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)研究科研項目調(diào)研，負(fù)責(zé)生態(tài)護(hù)岸的調(diào)查、研究，對各種類型的生態(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、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：

（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、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，在長時間的水流沖刷和浸潤作用下，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1∶3 坡度進(jìn)行試驗。

將1∶3 坡度測試儀下測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）；長時間組為不間斷沖刷5 h（300 min）后測得的侵蝕量。

圖1 1∶3 坡度下的土壤侵蝕量發(fā)展

表1 不同單寬流量對應(yīng)的流速

由于實驗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，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30 min 測量時均發(fā)生功能性破壞，繼續(xù)沖刷會引發(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，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。在不同實驗條件下（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)的樣品均無明顯破壞。

（2）水土保護(hù)毯能夠抵御本次試驗中高速明渠水流（最高5.57 m/s）的沖刷。試驗過后，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損失。

（3）水流的初始侵蝕相對于長期侵蝕來說是大值。長時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)。從無水流到有水流的過程帶來的侵蝕量與水流本身的沖刷量相比是大值；反過來說，長時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，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，“侵蝕上限”會相應(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

目前市場上材料的質(zhì)量參差不齊，價格高低不一，需要謹(jǐn)慎選擇。除了滿足設(shè)計要求的力學(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)毯通常會有一部分時間裸露在外，無任何保護(hù)。而且水利防護(hù)項目多為永久性項目，因此產(chǎn)品需要較高的耐老化性能。

（2）抗沖性能。抗沖刷能力是生態(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)格的抗沖試驗驗證其抗沖性能。相應(yīng)制造商應(yīng)提供相關(guān)測試數(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，從而對工程產(chǎn)生二次污染，違背環(huán)保和生態(tài)的初衷，同時被污染的水、土均需花費較大代價進(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單，基本流程和注意事項如下：

（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)計要求。同時注意搭接方向為上游搭下游。

（6）錨固溝回填。回填錨固溝并進(jìn)行壓實。

根據(jù)實踐結(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，美化了河道環(huán)境，值得在河道整治中大力推廣。

4 結(jié)語

習(xí)近平總書記在多個場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，可實現(xiàn)水陸橫向連通、為水生動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。