河道生態護坡技術研究現狀*

李凌云，野博超，劉心愿

(1.長江科學院河流研究所，湖北 武漢 430010；2.水利部長江中下游河湖治理與防洪重點實驗室，湖北 武漢 430010；3.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

我國早期河道護坡著重于提高岸坡的結構強度，卻在很大程度上阻斷了水體和土壤的物質交換，對江河生物多樣性的保護和發展是不利的，所以生態護坡應運而生。國外對生態護坡的研究可見于1965年德國對萊茵河的生態治理工程，我國可見于1990年赤峰市林業科學研究所對老哈河生態經濟型護岸林的研究。我國雖然起步比較晚，但發展迅速。國外的生態護坡技術多利用自然原生材料，側重于對河岸的生態恢復，國內會統籌考慮岸坡的防護強度和生態效益，不限于使用自然原生材料。

1 國外河道生態護坡技術

歐洲一些國家將“生態護坡”稱為“水土生物工程”(soil and water bioengineering)，且不限于應用在河道護坡。美國、巴西等將河道生態護坡稱為“土壤生物工程”(soil bioengineering)[1-2]。將國外的生態護坡技術可以大致分為2類：1)單一技術形式的植生式護坡；2)幾種技術組合結構形式的護坡。

1.1 單一技術形式的植生式護坡

1.1.1柳木樁(willow posts)

打柳木樁技術在美國密西西比中東部的哈蘭德溪(Harland Creek)護坡工程中得以應用[3]。柳木樁排布較為密集，且可以生根發芽，樁身和后期長成的根莖、枝葉都可以減緩水流對岸坡的侵蝕，相當于增加了岸坡的糙率。但這項技術實施后，柳木的成活率并不高，主要原因是蟲害以及靠近水域的柳木樁根部浸水而缺氧死亡，且工程初期易受到洪水影響，因此適用于水流平緩的小型河流。

1.1.2柳樁柵欄(willow spiling wall)

柳樁柵欄護坡技術應用于英國東安格利亞斯圖爾河(River Stour，East Anglia)護坡[4]。它是利用粗柳枝作為樁身，將其三分之二插入土壤中，留出三分之一用長柳枝編在一起，形成一道圍欄，以防止岸坡侵蝕和崩塌(圖1)。該技術用材自然環保，活柳樁可以生根發芽，對土壤有固定作用，但結構強度低，適用于水流平緩的小型河流岸坡或湖岸。

圖1 柳樁柵欄

1.1.3植物淤地壩(vegetative check dams)

植物淤地壩用于尼泊爾西瓦利克斯山(Siwaliks，Nepal)的某處山麓[5]，以減少洪水對山麓的沖刷。該植物淤地壩其實是一種寬0.6 m、高0.8 m、長4.0～16.0 m的用竹竿搭建的竹籠，竹籠內部用沙袋或石頭填充。在淤地壩前后兩側及后方陸地上種植植物(圖2)。該技術適用于山間小型河道，其穩固山麓、促淤和植生效果良好。

圖2 植物淤地壩

1.1.4液壓噴播(hydroseeding)

液壓噴播是一種使用液壓設備將混有植物種子的泥漿散噴在岸坡上的快速種植方式[6]。該種植方式提高了播種效率，能夠使種子均勻散布在岸坡上，但依然需要人工操作，因此坡度不宜過陡，且剛噴播的含有種子的泥漿容易被大雨沖蝕。

1.1.5國外其他常見技術

國外還有一些用于河岸防侵蝕的土壤生物工程方法[7]，其中單一技術形式的植生護坡有活性柴捆(live fascine)、活性木樁、柴席(brush mattress)、灌叢墊(brush layering)、椰殼纖維卷(coconut fiber rolls)、防侵蝕墊(erosion control blanket)等。

這些護坡技術雖然結構較為簡單，但卻是護坡技術的基本形式，可以將這些技術結合實際工程情況組合使用。

1.2 幾種技術組合結構形式的護坡

美國卡森河(carson river)的生態恢復工程采用加有杜松枝的活性柳條柴捆(live willow clumps with a juniper tree)、柴席、防侵蝕椰纖維織物(erosion control fabric)、灌叢墊以及拋石等護坡技術[8]。在防侵蝕椰纖維下埋有草籽，同時起到保護土壤不被沖蝕的作用。拋石會有一部分伸向河心，形成“倒刺”，類似于上挑丁壩的作用，使水流方向偏向河心，減弱水流對臨水岸坡的沖刷(圖3)。該技術適用于中、小型河流岸坡防侵蝕保護和生態修復。

圖3 卡森河生態恢復工程

Maxwald等[9]介紹一些應用在中南美洲的生態護坡技術，如：應用在厄瓜多爾拉斯馬拉維拉斯(Las Maravillas，Ecuador)河流護坡的活木垛墻(live crib wall)(圖4)，活木垛墻是由原木相互縱橫交錯搭建的框架結構，可在其結構的空隙中填以土壤、巖石并植種。但采用該技術的護坡在洪水過后部分結構被沖毀，可見其結構強度有待提高。應用在危地馬拉康塞普西翁(La Nueva Concepción，Guatemala)某條河流護坡的單層木枝柵(single walled crib wall)，是將長木枝成排固定在河坡上形成木柵，并在其上覆蓋一層土壤，插上活性枝條并固定，用于岸坡植被恢復(圖5)。巴西南圣克魯斯(Santa Cruz do Sul，Brazil)的某條河流護岸工程中組合使用植生拋石(vegetated riprap)、活性柵欄(living palisades)、錨固活枝和枯枝(anchoring of living and dead tree spurs)等護坡技術。其中植生拋石是將活灌木或活樹枝從石頭縫隙插進土壤，后期植物生長的根莖和枝葉會對拋石和土壤起到一定的加固作用。

圖4 活木垛墻

圖5 單層木枝柵

2 國內河道生態護坡技術

根據國內生態護坡技術對自然土壤的封閉程度可大致分為以下2類：1)植物護坡；2)半封閉式硬質護坡。植物護坡主要是利用草木的根、莖、葉或結合一些加筋材料對岸坡土體進行加固和侵蝕防護，對土壤封閉程度最低；半封閉式硬質護坡是將硬質材料作為發揮護坡結構強度的主體部分，留有的空隙可以使水體和土壤進行物質交換，同時為動植物提供生存空間。

2.1 植物護坡

2.1.1單純種植植物式護坡

單純的植物護坡如人工種植草木護坡、平鋪草皮護坡、液壓噴播植草護坡、客土噴播植草護坡、TBS植草護坡等。這些技術適用于水流平緩的城市小型河流的河岸生態修復和其他市政綠化。植物生長后也能對岸坡起到防侵蝕保護作用，減少水土流失。

人工種植草木護坡和平鋪草皮護坡具有施工簡單、造價低等優點。但人工播種和鋪設草皮都有可能被較大的水流沖走，需要定期養護，而且在較陡的岸坡上施工困難。

液壓或客土噴播植草護坡是對人工種植和鋪草皮護坡技術的改進，它能用于較陡或土壤較少的岸坡，造價也低，但噴播初期強度低。TBS植草護坡技術的造價要比前兩種稍高，但由于基質厚度較大，提高了初期噴播強度和坡面穩定性。

2.1.2加筋式植物護坡

加筋式植物護坡技術包括新出現的植入型生態固灘技術[10]和十字塊壓護大網格土工格柵技術[11]等。

植入型生態固灘技術應用于長江中游倒口窖心灘，效果良好。該技術是利用肥化處理的優質黏土對灘面的表層土壤進行改良，再將草繩方格網固定在灘面上，草種植在網格內，起到降低侵蝕和促淤作用。類似的還有在土壤中鋪設土工網、土工格柵等。該技術適用于諸如倒口窖心灘地形復雜、面積大而又多沙質土、營養匱乏的灘地，主要用于生態修復。

十字塊壓護大網格土工格柵應用于長江下游的狼山沙高灘防護，該高灘長有蘆葦等挺水植物。該技術是先鋪設一層耐久性較好的大網格土工格柵，然后將混凝土預制十字塊綁定于土工格柵上，每4個十字塊可拼接成一個38 cm2的框格，起到壓護作用。工程實施后植物生長茂盛，防護效果良好。該技術對土壤封閉程度較低，對灘地原本植物的生長影響較小，適用于對生態良好灘地的抗侵蝕保護。

2.2 半封閉式硬質護坡

2.2.1自嵌磚式護坡

自嵌磚式護坡包括自嵌式擋土墻植生護坡[12]、聯鎖塊式護坡[13]等。該類技術的共同點是護坡塊體可自嵌，且磚體會留有較大的植物生長空間。

應用在北京密云縣山區小型河道的自嵌式擋土墻是一種自嵌錨固式的重力結構。自嵌磚彼此嵌套碼放，并由錨固棒連接，錨固棒又連接著埋在墻后土體中的土工格柵。土工格柵依靠與土體之間的摩擦力和土的抗剪力對墻體起到牽拉作用。但該技術可能會出現局部土工格柵斷裂導致擋土墻倒塌的現象。李永華等[14]認為該現象是由于擋墻與墻后反濾層彈性模量不同，產生不均勻沉降，導致土工格柵在二者交界處出現復合受力，極限抗拉強度降低而斷裂。該技術適用于防洪要求不高且岸坡較陡的小型山區河道或城市河道，且具有良好的植生效果和景觀效益。

聯鎖塊式護坡有二維和三維鋪面。二維鋪面是指聯鎖塊只在平面2個方向上進行互嵌，且應用較多，例如應用于鰻魚沙右槽右河漫灘的立體網格生態護坡[15]等；三維鋪面除了在平面2個方向上進行互嵌，還在豎直方向上有凸起部分，底面的凸起可嵌入土壤中，上面的凸起可起到消能減浪作用。三維鋪面會具有更好的抗滑穩定性，但如果結構設計太復雜，將不易制模，難以批量化生產。該技術適用于中、小型河道，具有一定的抗沖刷能力和穩定性，且景觀和生態效益良好。

2.2.2網籠式護坡

應用在長江中游段的生態卵石籠、網膜卵石排、鋼絲網石墊為網籠式護坡[16]。該種護坡技術的共同點是利用鋼絲網或者聚乙烯纖維網將石塊聚攏成一個整體，可防止堆石被水流沖散沖走。

生態卵石籠和網膜卵石排都用于水下護腳：生態卵石籠是將卵石裝入經抗腐處理的低碳鋼絲編織的網箱內，碼放在水下坡腳處；網膜卵石排是將卵石裝入束狀的聚乙烯纖維網袋中，成排放置于坡腳。鋼絲網石墊是將卵石裝入經抗腐處理的低碳鋼絲編織的網墊內平鋪于坡面，用于水上護坡。這些網籠式護坡都具有抗沖刷性能強、透水性好、適應地基變形能力強、施工便捷等優點，而石頭縫隙又可為一些小型水生生物提供棲息場所，可適用于水流速度較高的大型河道以及受沖刷嚴重的重點防護岸段。但目前經抗腐處理的低碳鋼絲石籠或石墊，造價相對較高。

2.2.3加筋現澆生態混凝土式護坡

應用在長江中游段的生態混凝土現澆網格護坡、寬縫加筋生態混凝土護坡[17]等為加筋現澆生態混凝土式護坡。該種護坡技術的共同點是將加筋C20混凝土預制件與現澆生態混凝土相結合。

生態混凝土現澆網格護坡主體結構是將預制的加筋混凝土連桿縱橫交錯布置形成大網格，錨定后再向網格內現澆生態混凝土；寬縫加筋生態混凝土護坡是先將預制的加筋混凝土四方塊彼此留有寬縫放置在坡面上，并連接筋條，再向寬縫內澆筑生態混凝土，形成一個整體。該種護坡在生態性能方面依靠的是生態混凝土多孔和透水特性，且植物的生長依然需要土壤，因此在其表面或孔洞中要有土壤。優點在于利用強度較高的混凝土預制件彌補了生態混凝土在力學性能上的不足，且具有良好的整體性、耐久性和抗沖性能，同樣適用于水流速度較高的大型河流護岸。現澆生態混凝土施工技術成熟，成本低，適合大規模建設。

2.2.4生態模袋護坡

應用在江安河岸溫江區段[18]和上海市城市河道[19]的生態袋植草護坡均為生態模袋護坡。該類護坡的共同點是利用袋裝土和植物根莖提高岸坡的抗沖刷能力并對河岸進行生態修復。

生態袋植草護坡技術用途廣泛，在河道護岸中多碼放于常水位以上岸坡或擋土墻之上，碼放時需用標準扣將水平和豎直的相鄰生態袋鎖定，還可與混凝土框格梁組合使用。袋身常用高分子聚合物編織袋，裝填的植生材料可以為素土或改良后的客土，可在袋上噴播或扦插種植。植物存活后，根莖可扎進袋中的植生材料中。應根據植生袋所處水土條件選擇植物，靠近常水位處可選擇挺水植物，遠離水面的岸坡上可選擇根系發達的旱生植物。該種護坡的優點在于利用高分子聚合物編織袋為土體提供早期保護，可為植物提供較為穩定的生長環境，具有很好的生態恢復效果和景觀效益，但工程中袋身的用材質量難以把控，有出現老化破損的情況。適用于水流速度不高的城市或山區中小型河流護岸。

2.2.5人工魚巢

人工魚巢包括魚巢磚[20]、生態巢穴石[21]等。該種護坡技術的共同點是考慮為魚類提供繁衍和棲息的條件。

魚巢磚是一種鏤空自嵌式磚，常作為一種擋土墻應用在城市或山區小型河流的護岸。魚巢磚中的鏤空部分可填充土壤，從而為水生植物提供生長條件，進而為魚類提供棲息的環境。

生態巢穴石用于水下護腳，是一種四面帶孔洞的無蓋箱形大體積混凝土預制件，可替代拋石使用，內部巢室可為魚類提供一個低流速的棲息環境[22]，但巢穴石的結構強度和耐久性研究較少。適用于大、中型河流的水下護腳，也可碼放于枯水平臺之上。相比于傳統拋石具有更好的生態效益。

人工魚巢都為混凝土預制件，在設計其形狀時應考慮制模難度，以降低成本。

3 河道生態護坡技術現狀評價

3.1 國外河道生態護坡

1)使用的材料多為自然原生型。這些自然原生材料大多可以降解或再生長，并注重利用當地優勢種和植物的根、莖、葉對岸坡進行保護和生態修復，因此須注意當地的土壤氣候條件。

2)在工程初期須及時養護。這些技術的關鍵是植物能夠存活，在植物生長初期較為脆弱，表層的土壤、種子或扦插的植物可能無法抵御暴雨的侵蝕，如果土壤、植株被沖走，需要及時維護。

3)抗沖刷強度小，耐久性較弱。植物護坡的抗沖刷強度不高，一些木質材料在長期潮濕的環境下會腐爛，從而降低工程的結構強度和耐久性。所以這些技術多用于流速不高的小型河流或溪流，也包括一些路堤和山坡。

3.2 國內河道生態護坡

1)技術形式多樣。國內的生態護坡技術涵蓋護灘、水下護腳、水上護坡等多種應用形式，且使用材料多樣，應用時應注意材料特性。

2)在工程初期即可對岸坡起到保護作用。這些技術由于結合了一定的硬質材料，例如鋼絲網石墊、自嵌磚、生態混凝土等，在植物生長之前即可對岸坡起到一定程度的保護作用，但一些技術會出現植生效果差的問題。

3)有預制件類的護坡技術，設計時應注意制模、脫模工藝難度。例如自嵌磚式護坡和人工魚巢類護坡，礙于目前的制模和脫模技術，其結構形式不宜設計太復雜。

4 結論

1)河道的受沖刷岸段需要硬化措施來保護和修復。由于植被的抗水流侵蝕能力有限，要想使岸坡有足夠的結構強度和耐久性來抵抗水流侵蝕，在不采取丁壩、潛壩等更改水流方向、促淤減浪等工程措施的情況下，需要對岸坡進行硬化來提高其強度，但同時須提供動植物及微生物的生存條件。

2)河道生態護坡要結合實際情況。硬化措施對岸坡起到的防護作用和留予動植物及微生物生存條件的生態作用是一種矛盾關系，要根據具體河段的防洪、航運、生態等方面的要求調節二者之間的關系，要結合具體河流的水流條件、岸坡的不同位置、河道治理的需求選擇合適的護坡技術。

3)硬質材料、土壤、生物更好的結合方式有待進一步研究。例如現澆生態混凝土類護坡其上鋪設的一層土壤存在容易被沖刷、植物的根系扎不深等問題。另外，不同品種的沉水植物、挺水植物等根系的固土作用也需進一步研究。

4)隨著技術的不斷進步，生態護坡應在兼顧結構強度的同時朝著對自然環境更親近、更有利于河流生態系統保護和修復的方向發展。