护岸（坡）工程中柔性结构的应用

秦 明，张志中

(1.上海市堤防（泵闸）设施管理处，200080，上海；2.甘肃农业大学经管学院，730070，兰州）

一、河道治理中的柔性生态边坡结构

1.生态护坡的概念

河道生态治理应该包括两方面的含义：首先是水土保持，特别是水位变动区的水土保持；其次是生态。两者的高度统一才是真正的生态治理。其具体内涵为：

①在满足行洪排涝要求的基础上，保证岸坡的稳定，防止水土流失。

②生态治理后的河道应该是一个开放式的系统，是与周围生态系统密切联系的、不断与周围生态系统进行物质交换的。

③生态治理后形成的是动态平衡的系统，系统内的生物之间存在着复杂的食物链，它们互为食物，保持着系统的动态平衡。

④生态护坡是动力式的系统，它与水流之间是相互作用的，水流对岸坡有冲刷作用，岸坡对水流有阻碍作用，岸坡生态系统是地表水与地下水交换的媒介。

⑤生态护坡是整个生态系统 (包括自然生态系统和社会生态系统)的一个子系统，它与其他生态系统之间是相互协调、协同发展的，它的生态功能好坏直接影响其他生态子系统功能的发挥，甚至还会破坏其他生态系统。

2.新型土工模袋

新型土工模袋护坡系统将植物生长基质固定在袋体内，同时利用植物根系的“锚固”作用而使护坡更稳定和具有抗冲刷能力，同时生态护坡还具有造价低、能美化环境的独特效果。

3.新型土工模袋护坡的设计原则

①边坡必须能够营造一个适合陆生植物、水陆两生植物、水生动植物生长的生命环境。

②边坡应满足渠道功能和堤防的稳定要求，并降低工程造价。

③尽量减少刚性结构，增强护坡在视觉中的“软效果”，美化工程环境。

④进行水文分析，确定水位变幅范围，结合植物调查结果，选择合适的植物。

⑤尽量采用自然的材料，避免二次环境污染。

⑥布置时考虑人们的亲水要求。

4.新型土工模袋护坡的水土保持原理

新型土工模袋具有良好的孔隙度及透水不透土性能，装入内容物（土）后，对内容物的保持性能强，能有效防治降雨溅蚀或水流冲刷造成的水土流失。

5.新型土工模袋护坡的结构形式

（1）“斜铺”“平铺”“叠铺”

新型土工模袋“斜铺”“平铺”“叠铺”适用于平缓（倾斜角不大于30°）、任意高度的边坡，如图1。

（2）“叠码”和打“丁”叠码

新型土工模袋“叠码”适用于稍陡边坡 （倾斜角在30°以上45°以下）且高度小于3.00 m的边坡，当边坡高于3.00 m时，考虑采用“错台分级”的方式，分级高度不宜大于2.00 m，错台宽度不宜小于0.50 m，如图2。

（3）“加筋”应用

“加筋”方式主要用于有较大荷载、回填方量较大、坡度较大、高度较高的回填土坡，如图3。

当加筋土坡较高时，亦可采用“错台分级”的方式。

（4）覆网锚固

覆网锚固适用于稳定的高陡边坡如图4。

(4)模型提出一种基于前景理论的TOPSIS排序算法对应急方案进行优劣排序。该排序方法相对于传统TOPSIS方法能有效考虑专家风险偏好；相对于传统基于前景理论与TOPSIS的决策方法，其计算便捷，能有效挖掘决策信息。

6.新型土工模袋护坡形式的特点

（1）社会效益显著

采用新型土工模袋护坡结构，减少了水泥、钢材、石头等材料的使用，初步估计每公里可减少500～1 500 m3石材的使用量。新型土工模袋这种柔性结构护坡，由于其永久固土的特性以及与植物根系的友好性，使原本不能绿化的硬质护坡表面恢复植被，增加了河道边坡的植被覆盖率。

（2）投资经济性好

对生态护坡方案和浆砌块石护坡、块石护坡、浆砌石方案进行投资比较，根据不同的结构形式，新型土工模袋护坡方案可节约投资15%～55%，而且施工周期大大缩短，生态效应明显，具有投资少、见效快的特点。

（3）工程的后期维护

硬质护坡具有一次性投资、维护少等优点，而新型土工模袋护坡则增加了植物的养护和后期维护。新型土工模袋护坡在植物成活前要进行一定的养护，但植物成活后，植物主要是依靠自然的力量进行更新，通常情况下无须维护。

二、海洋工程中的柔性结构

目前发达国家水利和海洋、环境工程中普遍使用土工织物包容体——土工管袋、土工包和土工袋。

1.土工管袋

土工管袋开始用于水利和海岸工程是在20世纪60年代，其最大优点是体积大、管状结构稳定。当前世界上土工管袋采用的直径大多是1.0～10.0 m，如图 5。

充填物从管顶按一定间距布置的灌浆口泵入，管袋是透水的，充灌时水从其外皮排出，而留在其内的填料成为密实、稳定的块体。水利和海岸工程中的填料是砂或含砂较多的砂土，目的是借助水力冲填，得到良好的密实度。这类填料抗剪强度高，一旦静置并固结后，管袋形状不会改变。

2.土工包

土工包是大体积包容体，一般体积是100～700m3。充灌作业是在开底驳船上进行，封闭后运到准确位置投放。

在水利和海岸工程中，土工包是大体积重力结构部件。一旦放置，要求保持体积和形状稳定，实际应用时其体积一般限制在400 m3以内，为了保持其原有的形状，投放深度极限为20 m。这类结构多数用在浅水中，填料是砂或含砂量高的土。

图3 加筋土坡

图4 覆网锚固

图5 高韧聚丙烯土管袋

3.土工袋

土工袋形状为常见的砂袋，不同于新型土工模袋，它是有机织布制成，对植物根系不友好，可看作是各种包容体的前身。但土工袋与其他包容体相比，有两点明显的不同：一是可以做成各种形状，二是可以按要求形状布放以提高整体稳定性和改进运行条件。目前土工袋体积从0．05 m3到 5 m3不等，可以是枕状、箱状或垫状等。土工袋外皮要求采用合适的抗拉强度和变形较小的材料，以保证长期不变形。

4.土工管袋、土工包和土工袋的应用

土工管袋在水利和海洋工程中可应用于防浪堤、污泥固化、脱水等领域，土工包可应用于近海防波堤、包裹体堤、人工礁、边坡垛墩，土工袋可应用于防波堤、人工礁、防护堤坝等。三种包容体——土工管袋、土工包和土工袋作为工程中的柔性结构，可用于水利、海岸和环境工程。

（1）沙滩修复

第一条土工管袋防波堤修建于1995年，位于美国的北卡罗来纳州Bald Head岛，该防波堤安装2天后，飓风FRANCIS袭击北卡罗来纳州海岸，防波堤安然无恙，如今沙滩自然恢复，防波堤仍在发挥着重要作用。

（2）保护红树林

土工管袋能用来保护受侵蚀的红树林，2005年在马来西亚丹戎比爱红树林国家公园首次用土工管袋来修复被侵蚀的红树林。

（3）保护海岸线

土工管袋防浪堤可以在近海处阻挡高的海浪。建造裸露的土工管袋防浪堤比潜入水中的土工管袋防浪堤在阻挡海浪时更有效。土工管袋防浪堤还可以阻止在退潮时沙子被冲刷入海。

（4）堤坝围堰

在滩涂造地项目中使用管袋是一个既生态又环保的项目，而且效率极高，管袋的安装和充填施工也非常方便。由于在管袋中充填砂水混合物，避免了大量采集石头，对环境的贡献极大。

（5）湖泊底泥处理

土工管袋技术在水利工程中除可用来修整围堰外，还可用于湖泊、河道的底泥清理。使用土工管袋构筑围堰，可以大大减少土石方的用量，同时可以减少占地，把原来需要处理的底泥和管袋方案结合后就可以形成围堰。

5.海洋工程中柔性结构的特点

土工织物包容体充填砂或其他类似材料后，成为大体积重力结构。采用砂或类似填料充填是因为被充填后不继续固结，结构能保持原有形状和高度。但用于水利、海岸和环保工程中，因其长期连续暴露，应考虑抗紫外线、抗磨和液化等问题。

采用土工包在近海处置污染沉积物，其应用比传统的水利和海岸结构工程要复杂，因为其体积大、抛投深和填料抗剪强度低，为保证抛投时的整体性，要求包皮织物和接缝强度更高，且包皮内衬材料孔径小，以防填料漏失。

6.柔性结构技术的综合评价

对这种新工艺的研究对目前国内的生态基础设施建设无疑是非常有必要的，特别是近年，海洋沙漠化、河流水体污染程度加剧、国家对水利投入的力度逐年加大，对工程的生态要求越来越高，迫切需要寻找一种新材料、新工艺，研究这种新型结构和工艺正当其时。

[1]J.Kuwano&J.Koseki(eds)Geotextile containment for hydraulic and environmentalengineering-Lawson-CREN 2006 M illpress,Rotterdam ISBN 90,5966 0477.

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