我國土工合成材料河道生態護坡研究及應用進展

李 果，張茂雪，朱殿芳，范鵬源，趙澤鵬，廖尚超

(成都市市政工程設計研究院有限公司，四川 成都 610000)

過去幾十年，隨著工程建設對河道系統干預和改造力度的加大，河流自然水體趨于單一化，河流生境多樣性降低，河道生態功能愈漸退化。傳統河道防護技術主要考慮防洪排澇功能，多采用漿砌(或干砌)塊石以及混凝土等硬質材料進行河坡防護。這些硬質材料的過多使用，使得河流形態渠道化、水池化，破壞了河道生態系統。同時，在水泥、石料等原材料開采和生產過程中，還會對自然環境造成進一步破壞[1]。隨著環保意識的不斷加強，傳統硬質護砌護坡逐漸被生態護坡所替代，生態護坡在河道環境整治和海綿城市建設領域蓬勃發展。

已有研究發現，將土工合成材料與植草護坡相結合可以提高護坡的抗水力侵蝕能力，進一步改善護坡工程性能[2]。這種結合在20世紀80年代開始被嘗試應用于坡面防護工程中，到21世紀初，土工合成材料類護坡已廣泛運用于國內各項水利工程中。然而，由于土工合成材料發展歷史較短，形式較多，目前國內對于土工合成材料類生態護坡的研究多是以單一型式為研究對象，缺少對這類護坡性能和應用規律的系統梳理和總結。本文分別從土工合成材料生態護坡的主要形式、工程性能研究現狀以及工程應用進展等方面對土工合成材料生態護坡的研究及應用情況進行綜述，為生態護坡技術的深入研究和推廣應用提供參考。

1 土工合成材料生態護坡主要形式

土工合成材料生態護坡是以土工合成材料為護坡主體，輔以加筋草皮，對坡體進行防護的結構。目前常用的土工合成材料河道生態護坡主要有4種形式，分別為土工網墊植草護坡、土工格室生態護坡、生態土工袋護坡以及雷諾護坡，其概念及適用范圍如表1所示。

表1 土工合成材料河道生態護坡主要形式

2 護坡性能研究現狀

2.1 抗水流沖刷侵蝕性能

目前關于土工合成材料生態護坡抗沖刷侵蝕性能的研究主要分為兩大類，一類是研究河道水流對護坡的沖刷侵蝕，一類是研究降雨對護坡坡面的沖刷侵蝕。關于土工網墊植草護坡抗水流沖刷侵蝕性能，由于三維土工網墊能對邊坡土體起加筋作用，且植被根系在網墊內纏繞生長能增強對基土的錨固作用。因此，與天然草皮相比，三維土工網墊植草護坡更能抵抗水流的沖刷侵蝕，國內許多研究也證明了這一點。束一鳴等[7]通過室外種植試驗發現，三維土工網墊薄土堤坡在植被覆蓋率達80%以上時，即使陡坡也能抵抗流速達6 m/s的水流沖刷。鐘春欣等[3]通過室內坡面沖刷模型試驗發現，在相同植被及坡面條件下，三維土工網墊植草護坡的侵蝕模數比天然草皮護坡減少了50%左右。此外，通過室內水槽試驗，胡玉植等[8]發現三維土工網墊草皮抗侵蝕性強于土工格柵加筋草皮，且均強于天然草皮。關于坡面沖刷侵蝕機理，王廣月等[9]和張壯等[10]通過室內沖刷試驗發現，水流的初始沖刷是護坡水力侵蝕的主要原因，長時間不間斷沖刷對護坡侵蝕影響反而較小，累積侵蝕量隨坡度和流量的增大而增大，且從侵蝕曲線看，侵蝕量存在“侵蝕上限”。關于“侵蝕上限”的概念，潘毅等[11]通過大型水槽試驗觀察發現，土壤侵蝕達到一定深度后，如果水動力強度變化不大，侵蝕會趨于停止，將這種現象稱為“侵蝕上限”，并討論了達到侵蝕上限前侵蝕速率的特征。對于土工格室生態護坡，王廣月等[12]發現，護坡坡面侵蝕量與坡度、流量、切應力，以及繞流雷諾數有關，護坡坡面侵蝕量隨坡度和流量的增加而呈冪函數增加，與繞流雷諾數呈對數函數正相關關系。關于生態土工袋護坡，陳文學等[13]利用量綱分析法建立了生態袋護坡在波浪作用下袋內填充土壤顆粒損失量的計算公式，發現生態袋內土顆粒損失量與波浪特性、袋內土粒級配和密實度、岸坡結構特點以及生態袋厚度等密切相關。對于雷諾護坡，王俊瑋等[14]提出雷諾護墊在坡腳處的水平鋪設長度可由沖刷流速和沖刷深度得出。為了分析雷諾護墊護坡的浪蝕機理，鄧麗等[15]建立了雷諾護墊最小厚度的計算公式，發現雷諾護墊需要的防護厚度隨著浪高的增加而增加。對于常有大尺度波浪的地區，雷諾護墊的防護厚度不滿足要求，無法保證足夠的坡面穩定性。

由已有研究可知，土工合成材料生態護坡抗水流沖刷侵蝕性能的研究主要是通過室內水槽試驗進行，其抗沖刷侵蝕性能主要與沖刷水體的水力特性(流速與流量)有關。對于土工網墊植草護坡和土工格室生態護坡，當水體沖刷坡面造成坡面侵蝕時，可以用邊坡侵蝕模量衡量護坡的抗侵蝕性能，且侵蝕量存在“侵蝕上限”。對于生態土工袋護坡和雷諾護坡，岸坡侵蝕破壞通常是由波浪引起的，但不同的是，前者一般通過計算袋內的土壤顆粒損失量研究其浪蝕機理，后者則是研究波浪作用在雷諾護坡上時反復爬升和回落過程中對護坡結構的破壞(坡面結構滑移或填石的移動)。對于生態土工袋護坡，抗水流沖刷侵蝕性能主要與袋體結構有關，當袋體產生滑移或被侵蝕時，會造成坡面失穩，引起水土流失。其次，袋內土顆粒損失量還與沖刷水體的波浪特性有關。對于雷諾護坡，由于其應用歷史較短，目前關于其性質的研究還遠遠落后于工程實踐。現今國內關于雷諾護坡浪蝕機理的研究多集中在填料級配和強度對于護坡整體穩定性的影響，缺乏對雷諾護坡內部結構力學性能的深入探究，對系統研究雷諾護坡對岸坡穩定性能的改善還缺乏足夠的理論支撐。

2.2 抗降雨沖刷侵蝕性能

關于土工合成材料生態護坡抗降雨沖刷侵蝕性能的研究，主要是利用沖刷模型試驗(模擬降雨條件)或現場應用驗證，探究降雨條件下影響坡體抗侵蝕性能的因素和護坡防徑流沖刷的機理。關于坡體抗沖刷性能的影響因素，李濟群等[16]通過暴雨沖刷試驗，發現立體網的防沖刷性能遠遠優于平面網和無網工況，尤其是在大坡角、大鋪沙量以及大流量的情況。除了護坡結構會影響坡體抗降雨沖刷侵蝕性能外，坡角和植株密度也是影響坡體抗沖刷性能的重要因素。肖衡林等[17]采用EM2、EM3、EM4三種三維土工網墊進行室內模型沖刷試驗，發現三維土工網墊在坡面較陡情況下優越性更明顯，而在坡度較緩時三種網墊保土性能相近。肖成志等[18-20]發現，邊坡侵蝕模量主要受草籽密度、坡度、土質和網墊類型顯著影響，在模擬暴雨時網墊類型對坡面侵蝕量的影響明顯增加。

對于護坡防徑流沖刷機理的研究，目前主要認為與坡面三種速度有關，即坡面土顆粒流失的初始啟動速度、通過護坡結構時的坡面徑流速度以及坡腳流速。將由沿程水頭損失和徑流局部水頭損失計算出的坡面徑流速度與初始啟動流速、坡腳流速進行對比，可以得出護坡結構的抗沖刷特性。對于三維土工網墊植草護坡，肖成志等[18-21]考慮坡面糙率建立攔污模型進行模擬，推導出了三維土工網墊植草護坡時的坡面徑流速度的計算表達式，分析坡角、植株密度、網墊和植被類型對坡腳流速的影響，進而得出三維土工網墊植草護坡的防徑流沖刷特性。對于雷諾護坡，潘美元等[22]利用曼寧公式計算出雷諾護墊與地基土接觸面的流速，要求其必須小于原始地基土初始啟動流速，再通過啟動流速表查得對應的反濾層厚度進行護坡的反濾設計。

從目前國內學者開展的研究探索來看，對不同類型護坡關于抗降雨沖刷侵蝕性能的研究角度也不同。對于土工網墊植草護坡，多是集中在通過對比不同坡度、不同土質和不同植株密度條件下，不同類型土工網墊在室內沖刷試驗下的保土能力，保土能力越強，護坡的抗沖刷侵蝕性能越好。尤其是在坡面越陡的情況下，三維土工網墊生態護坡的優越性越能得到體現，以此進行最優的土工網墊選型。對于雷諾護坡則是把重點放在徑流流速的計算以及反濾設計。不足之處在于，迄今為止的大多數研究選取試驗流速和坡度較為主觀，沒有系統建立流速、坡度以及植株密度與保土量的定量關系，因此，關于抗沖刷性能的研究對于不同條件具體工程應用設計的指導作用仍然有限。

2.3 抗滑穩定性能

關于土工合成材料生態護坡抗滑穩定性能，目前研究多是集中在對加筋生態護坡的抗剪強度以及坡面抗滑穩定安全系數的計算與分析上，通過提高坡面土體的黏聚力和內摩擦角改善護坡結構抗滑穩定性能，進而達到阻止坡面土體滑移的目的。

研究發現，加筋生態護坡較之素土坡的抗剪強度顯著增加，坡體穩定安全系數也大幅提高。劉曉路等[23]和徐毅等[24]通過室內直剪試驗發現土工網墊植草護坡可以提高坡面土體的黏聚力和內摩擦角，增大護坡穩定安全系數，進而保證坡體穩定，阻止土層滑移。朱建海等[25]通過剪切模型試驗，發現土工格室結構層其斜截面剪切強度明顯高于平面剪切強度，且均較未加筋填料有明顯增加。邢建龍等[26]通過研究分析，提出生態袋的結構型式可采用水利工程中堆石壩土斜墻及保護層穩定分析方法確定，建立了坡面生態袋結構極限平衡方程；對于方程中黏聚力c和內摩擦角φ的取值，可以通過葉雅蕓[27]由大量充填砂土生態袋直剪試驗所得的c-φ關系表查得。同時，張季如等[28]和何文斌等[29]通過研究c、φ值和穩定安全系數的計算與影響因素，發現可以通過減小鉚釘間距和坡度，在格室與坡面間鋪設雙向土工格柵來提高格室抗滑穩定性。王廣月等[30]更是建立了降雨條件下土工格室護坡的穩定性分析模型，分析出土工格室護坡技術適用于坡比小于1∶1的邊坡。

關于對土工合成材料生態護坡的抗滑穩定性能研究，目前多是以土工網墊植草護坡和土工格室生態護坡為主，這兩類護坡共同的特點是土工合成材料對土體起加筋作用，同時聯合植被護坡以實現淺表層邊坡加固。大部分關于抗滑穩定性能的研究均是通過極限平衡理論推導出抗滑穩定安全系數，定量分析坡面的整體穩定性。然而，在計算抗剪強度和穩定安全系數時，通常是通過簡化模型和理想化計算，導致所得結果不夠精確。如計算土工格室抗滑安全系數時，一般采用單寬格室作為研究對象，忽略了格室隨坡面地形變化引起的變形和受力變化，所得的安全系數為較為理想的坡面平均安全系數。在理想化的模型計算過程之后，應當考慮結合實際對結果進行修正，這樣得到的計算結果才能更符合工程實際。

3 工程應用進展

3.1 土工網墊植草護坡

早在1995年，三峽工程古樹嶺就曾采用土工網墊復合植被護坡，治理因雨季造成的坡面沖蝕，經過兩年暴雨的考驗，邊坡幾乎完好無損且植被覆蓋率高，坡面防護效果明顯[31]。1998年，黃河游覽區在同一坡段采用不同草種分有網和無網進行護坡，經過1998年夏季大水后，發現三維土工植被網護坡坡面的植被覆蓋率遠遠高于無網的坡面，對坡面土壤的加固和阻止表層土壤滑移作用明顯[32]。2007年，在遼寧省砂堤邊坡沖蝕嚴重堤段，采用土工三維網墊植草護坡以解決由風蝕和水蝕造成的水土流失問題，造價比漿砌石、混凝土面板和機織模袋更為低廉，恢復了砂堤岸坡的生態環境[33]。2013年，為解決福建省山美灌區北高干渠渠道淤積老化的問題，選擇三維土工網墊護坡對渠道進行整治，不僅提高了渠道沿線的水土保持能力，還很大程度上減輕了水質污染，恢復了渠道的水生生態系統[34]。2017年，針對黑龍江省同撫堤防砂質土受降雨侵蝕嚴重的問題，在K20+000～K21+000段同時采用三維土工網墊植草護坡和遮陽網+植被護坡兩種護坡方式，在一個生長周期后，發現采用三維土工網墊生態護坡的植被長勢和根系發育要比遮陽網+植被護坡中的繁茂，對土體的防護效果也更好[4]。

3.2 土工格室生態護坡

2007年，河北省遷安市灤河生態防洪工程中使用土工格室生態護岸技術，大大提高了工程建設的速度，且取得了環保、生態等方面的綜合效益[35]。2011年，松塔水電站大壩下游壩坡采用土工格室草皮護坡，格室施工與壩體土方填筑同期進行，比原設計的預制混凝土塊護坡節約400萬元左右的投資[36]。2015年，溫州市甌江口新區內排澇河道采取以土工格柵和水生植物結合的護坡形式進行河道坡面防護，經歷了臺風“鯰魚”登陸，岸坡仍保持完好未發生滑移，也未出現岸坡沖蝕等問題[37]。2018年，在江西省上饒市鄱陽縣的某河流治理工程中采用土工格室生態護坡，較好地解決了該河流由于降雨過多造成岸坡侵蝕嚴重的問題，提高了河流岸坡的穩定性，減少了當地居民因暴雨造成的經濟損失[38]。

3.3 生態土工袋護坡

生態土工袋技術在1964年由Terzaghi在加拿大Mission Dam工程中率先使用，之后生態土工袋護坡技術逐步發展，且多用于海岸防護工程[27]。國內這項技術于21世紀初開始應用于實際工程，且由于技術的不成熟多與其他形式護坡結合。如2010年，蘇南運河鎮江陵口段將生態土工袋護坡作為二級護坡與直立式護坡相結合，解決了由土體沖刷掏空造成的坍塌問題以及河道兩側岸坡的沖蝕問題[39]。同年，浙江省慶元縣會溪山區小流域農業生態工程中，河岸采用三維生態袋護坡，生態環保、節能減污，實現了景觀與生態水利的結合[40]。2010年，邵武市同青溪流域同青溪山口河段采用生態土工袋和網箱結合型生態袋護岸，施工完成后，由于護岸結構的多孔隙和透水性，促進了河流與地下水層的交換，改善了河道的水生生態環境[41]。2013年，臨汾市汾河城區段生態環境綜合整治修復與保護工程中，河道護坡材料選用生態袋，結合兩側的綠地公園，改善了汾河城區的生態環境，提升了城市水平[42]。2015年，在南京市板橋河區界至湯巷溝1.71 km河段的岸坡治理工程中，將草皮護坡、生態袋護坡、生態袋擋墻以及金屬絲網箱擋墻等護岸型式結合使用，應用三維排水連接扣和雙向土工格柵作為生態袋護坡的輔材，護坡效果良好，促進了區域經濟的發展[6]。

3.4 雷諾護坡

雷諾護墊最早由馬克菲爾公司于1894年首次將該護坡結構應用于意大利雷諾河的邊坡防護工程中，距今已有100多年的應用歷史，于20世紀90年代末期傳入我國，并在我國局部某些河流的堤防、航道護岸和水庫護坡中逐步開始使用[43]。國外工程中，雷諾護坡一般用于海岸防護工程，常與丁壩結合共同抵御海浪對堤岸的侵蝕。如美國南卡羅來納州防波堤工程Fripp島上的海岸防護結構，英格蘭坎布里亞郡Skinburness的海岸防護工程以及巴西著名的Caiba海灘均采用了雷諾護墊，且防護效果良好[44]。

湖北黃石長江干堤合興段是我國最早采用雷諾護坡的工程之一，全長500 m，沿長江水流方向施工，工程現場驗收優良率達70%，至今運行狀況良好[45]。2008年，湖南洞庭湖洪道整治工程中，采用1500 m雷諾護墊試驗工程段，在經受3個多月高水位和頻繁大風浪沖刷情況下，護墊整體結構完好，岸坡穩定且無崩岸現象發生[46]。2010年，湖南省長沙市湘江大道南段采用了雷諾護坡，歷經兩個汛期考驗穩定性良好，同時自然生長植被，綠化景觀效果和消浪性能都得到了很好的體現[47]。2015年，在海南省東方市境內進行的感恩河河道治理的工程中，采用雷諾護墊進行河道護坡，解決了砂質岸坡穩定性差、受河流沖刷侵蝕嚴重的問題，阻止了游蕩型河段在堆積和潮汐作用下對河床和岸坡的破壞[48]。2018年，在陜西濂水河整治工程中，為解決濂水河急流對河岸沖刷嚴重的問題，在迎水坡采用0.3 m厚的雷諾護墊加固河岸。工程實施后，一定程度上恢復了以前被破壞的岸坡生態環境，岸坡防護效果良好[49]。

從上述土工合成材料生態護坡在河道生態整治工程中的應用發展情況來看，其發展歷程主要可分為兩個階段：一是從20世紀90年代到21世紀初，為試驗應用階段；二是從21世紀初至今，為全面發展及應用階段。可以看出，第一階段的工程應用多為土工合成材料生態護坡在河道生態整治工程中的試點應用，多選用某項大型水利工程(如三峽工程、黃河游覽區等)的局部河段作為土工合成材料生態護坡的試驗河段，需要通過不同方案的對比才能得出最優的護坡方案，也取得了一定的經濟效益和生態效益。雖然這一階段通常只采用單一形式的土工合成材料生態護坡，且應用規模較小，但對土工合成材料生態護坡的推廣應用起到了示范和推動作用。第二階段的工程應用多是采用多形式的土工合成材料生態護坡相結合，對工程中涉及的全部河段進行統一規劃，成為河道治理工程中的主體角色，應用規模較大，施工工藝也較為成熟。這一階段的工程不止獲得了較大的經濟收益，更是提高了整個河道系統的生態效益，符合水生態文明建設的內涵和社會可持續發展理念[50-51]。

4 總 結

我國土工合成材料生態護坡技術起源于20世紀80年代，由于其在施工方法、建造成本、生態效果等方面的優勢，在21世紀逐步取代石料、混凝土等傳統硬質護砌材料，發展為國內各項水利工程建設采用的主要生態護坡形式之一。追溯其發展歷史，不難發現土工合成材料生態護坡由最初形式單一的土工網墊植草護坡，發展到如今生態土工袋護坡、土工格室護坡、雷諾護坡等多種形式。

隨著國內河道環境整治與生態恢復工程的不斷推進，各類護坡在復雜條件下各種性能的試驗研究逐步深入。但現有研究還存在以下幾點不足：

(1)性能研究采用的還是傳統室內材料試驗和物理模型試驗，如室內沖刷模型試驗和室內水槽試驗等，與實際工程應用中的邊界條件還有所出入。

(2)研究成果主要集中在材料基本性能和防護效果方面，缺乏對不同土工合成材料生態護坡性能影響因素的系統性探究，尤其缺乏對復雜條件下各類型護坡使用條件下生態效應的研究探索。

(3)理論研究中，研究對象為單一形式的護坡，而工程實際中，存在不同類型護坡結合使用的案例，缺乏多種土工合成材料生態護坡聯合使用對坡面沖刷和土壤侵蝕產生何種影響的相關研究。

(4)大多需要預先進行方案比選，沒有實現理論研究與工程實踐的融合。

今后還需加強土工合成材料河道生態護坡性能的系統性研究，以及其生態效應方面探索研究，應與工程應用積累的經驗相輔相成，建立研究理論與設計施工參數和工藝之間的聯系，以期達到更高的生態護坡建造水平。可以預見，未來土工合成材料生態護坡技術由于其結構簡單、適用性廣、生態環保和施工便捷等特點，將會在河道防護中具有舉足輕重的地位和廣闊的發展前景。