生态护坡技术在广东省中小河流治理工程中的应用

蔡杰龙,杨永民,2,卢伟伟

(1.广东省水利水电科学研究院,广东省水利重点科研基地,广东 广州 510635；2.华南理工大学材料科学与工程学院,广东 广州 510640)



生态护坡技术在广东省中小河流治理工程中的应用

蔡杰龙1,杨永民1,2,卢伟伟1

(1.广东省水利水电科学研究院,广东省水利重点科研基地,广东 广州 510635；2.华南理工大学材料科学与工程学院,广东 广州 510640)

该文以广东省山区5市中小河流治理工程为背景,介绍当前3种生态护坡形式(联锁护坡砖、格宾石笼网箱和植生型生态混凝土)在中小河流治理工程中的应用,突出生态护坡在保持水土、净化水体和保持景观中的优势,并为未来的河道整治发展方向提出合理化建议。

生态护坡；河道治理；水土保持；传统护坡

近年来,局部强降雨、山洪暴发,造成我省山区中小河流灾情严重,尤其是2014年5月份,清远市、河源市等地发生严重洪涝灾害,严重威胁到我省的河道生态及人民生命财产的安全。自2015年起,以系统治理、分期治理和生态治理为理念,在坚持“防灾减灾、岸固河畅、自然生态、安全经济、长效管护”的治理原则下,广东省大力推动了山区5市中小河流的治理工作,为确保河道行洪通畅、保障人民生命财产安全做出了重要的贡献。其中,护坡工程是整个河道治理工程中的关键。

然而长期以来,河道边坡防护主要关注边坡稳定性和行洪、排涝功能,因此对于传统的河道治理而言,其主要侧重点在于满足河道的防洪功能,护岸结构则多采用硬化砼河道、修筑砼防护堤等措施。这种治理方式在防止河道冲刷、稳定岸坡方面确实发挥了一定的作用,但同时也隔断了水土之间的连接通道,不仅破坏了水中生物的生存场所和迁移通道,同时也导致河道生态系统失去整体平衡,河流最终失去了天然的自净能力,河流生态环境也逐渐恶化。随着社会经济的发展,人们逐渐意识到这类护坡形式会对生态环境带来严重的不良的影响,容易引起生态的整体退化。因此,建立起既满足河道行洪排涝稳定性,又有利于恢复河道生态系统平衡的边坡生态防护平台已显得极为关键[1-3,5]。

因此,本文有必要结合当前正在进行的广东省中小河流治理工程中的实际应用,重点介绍生态护坡形式包括联锁生态砖、格宾石笼网箱和植生型生态混凝土在护坡工程中的应用,并与传统护坡形式进行比较,从而突出当前生态护坡技术在保持水土、净化水体和保持景观中的优势,并为未来的河道整治发展方向提出合理化建议。

1 生态护坡的定义与内容

生态护坡,就是综合考虑“水安全、水环境、水资源、水景观”的协调,在满足抗洪、排涝和航运等工程需求的同时,充分考虑生态效应,把河堤由过去的混凝土建筑物改造成为适合生物生长的,水体和土体、水体和植物或生物相互涵养的仿自然状态的护坡[4,6]。由于生态材料具有“水安全、水环境、水资源、水景观”等多功能特性,能营造出自然和谐的水生态环境,以及其具有的多孔质型式,因而对水生态系统的修复相当重要。

从生态护坡的定义可知,生态护坡应具备以下要素：首先,它应是一个完整的生态系统,不仅包括植物,还应包括动物及微生物,系统内部之间以及系统与相邻系统(如河流生态系统、陆地生态系统等)间均发生着物质、能量和信息的交换,具有很强的动态性；其次,它应该是在保证边坡稳定和安全的基础上,以营造边坡的生物多样性为目标,在水体—土壤—生物之间,形成物质、信息和能量的循环体系,进行自组织和自我修复,使护坡不仅具有景观效果,还能修复受污染的河流水体,营造健康的城镇河流生态系统[2]。

在2015年4月印发的《广东省山区中小河流治理工程设计指南(试行)》中的“6.5岸坡整治及护岸工程”明确强调了各种生态护坡技术在护坡设计中的重要性,包括生态网格、绿化混凝土、联锁护坡砖等护坡形式。由此看出,生态护坡理念在广东省中小河流治理工程中得到充分的体现以及高度的重视。

2 生态护坡技术的应用

2.1生态护坡技术设计原则

广东省中小河流众多,集水面积在50～3 000 km2的中小河流有1 211条,河道总长达3.6万km,尤其是山区5市,中小河流密集、水系发达,合计共有中小河流536条,河长1.7万km,分别占全省的44%和49%。河道既具有防洪、调蓄、排涝、灌溉、供水、航运、水能发电等多种功能,也是水资源和生态环境的重要载体,对防范自然灾害,保障生态流量,维护生态平衡,保障经济社会发展和人民群众生产生活具有重要作用。因此,生态护坡技术设计在广东省中小河流治理中起到极为关键的作用。

中小河流河岸长期受水流、潮汐、波浪等影响,容易发生冲刷破坏影响岸坡安全。因此,护坡工程可根据水流、潮汐、波浪的特性,以及地形地质、施工条件和应用要求等,统筹兼顾、合理布局,因地制宜,选用较为合适的坡式、墙式或其他护坡形式。护坡设计应充分利用当地材料,在满足结构和防冲安全的基础上,综合考虑绿化、景观和生态等要求,选择生态护坡形式,满足促进生物多样性、提高水体自净能力、美化环境的要求。

根据《广东省山区中小河流治理工程设计指南(试行)》中内容提出,护坡的位置和长度应根据水流、潮汐、波浪特性以及地形地质条件,在河床演变分析的基础上确定,在不同的河段宜采用不同的护坡结构。在凹岸水流对冲段,护坡设计以满足防冲要求为主,宜采用绿化混凝土、隐形护岸、干砌石护岸等；凸岸及其它防冲要求较低的区段,应充分考虑生态的要求,宜选择植物措施、植生土工网垫、植生土工袋、植生卵石堆石岸、生态格宾护垫等。

在设计流速小于2 m/s的顺直河段,可直接选用植物护坡；设计流速小于4 m/s的顺直河段,可选用由三维土工网为底层结构的植物护坡；设计流速大于4 m/s的顺直河段和河流弯道的迎水面,以及有工程措施衔接的河段,不宜采用植物护坡。

坡式护岸可分为上部护坡和下部护脚。上部护坡的结构形式应根据河岸水文、地质、地形、河床形态、周围环境、生态、经济等条件,按以下顺序选用植物、土工合成材料、生态网格、绿化混凝土、干砌石、浆砌石、混凝土等护坡形式。下部护脚部分的结构形式应根据岸坡地形地质情况、水流条件和材料来源,采用抛石、石笼等,经技术经济比较选定。

2.2传统的护坡形式

河堤护坡是河流生态系统中一个极其重要的组成部分,它是河流生态系统向陆地生态系统过渡的一个重要通道。河道不仅仅具有防洪、航运等基本功能,还应具有生物栖息地和人文景观等功能。因此,对于河堤的保护不仅需要考虑堤防结构物的整体稳定性,同时也需要考虑整个水流生态系统的平衡,使河岸生态系统达到动态稳定,同时河堤工程与生态景观相互协调。然而,在以往众多城市河道的建设当中,为了充分发挥“防洪、排涝”的水利功能、确保城市安全,众多河道均采用了传统护坡形式,包括浆砌石或现浇混凝土护坡等,如图1～图2所示。这种传统的河堤护坡方式虽然结构稳定,具有防止水流和波浪对岸坡基土的冲蚀和淘刷作用,但水体封闭在河道中,切断了水体和近岸陆地土壤之间各生态要素间的物质、能量及信息系统的有机联系,破坏了原有水陆交错带的生物群落。水生植物、水生动物不能正常生长而消失,生物多样性急剧下降,从而影响整个河流的生态环境,其对城市景观、河道生态平衡、环境保护造成的负面影响仍未得到充分重视。

因此,通过与生态护坡形式进行比较可知,传统型护坡的优点是护坡能力较强,但缺点也较为明显,包括有一次性投资大、自然植被难以恢复、不利于生态环境的保护和水土保持等。同时,传统的生态护坡形式在外观上显得较为单调缺乏生机,与周边的生态景观难以协调,这有悖于目前所强调的生态环境保护的理念。因此,可想而知,传统的护坡形式在今后的工程建设中的应用将会面临更多的限制和挑战。

图1 浆砌石护坡工程实例

图2 普通混凝土护坡工程实例

2.3生态护坡形式

1) 联锁护坡砖

在2015年广东省某县区的中小河流治理工程中,设计单位明确规定采用联锁式镂空砼预制块护坡,设计如图3所示。实际上,联锁式护坡砖近些年来在中小河流治理以及城市河道护坡改造工程中均得到了较为广泛的应用。联锁式护坡砖是一种预制的混凝土块铺面砖,其抗压强度较高,联锁设计较为独特,每块护面砖与相邻的六块护面砖进行超强联锁。同时,高开孔率渗水型柔性结构铺面的开孔部分能够较大程度减小流水速率,降低流体压力,从而提高渗水、排水能力,遇水流作用时具有良好的整体稳定性和耐冲刷能力。砖与砖之间产生联锁铰接,整个铺面为一柔性体,轻微的变形不会导致铺面产生裂缝及落差破损等现象。这种联锁砖易于铺设,方便现场施工人员快速施工,其在提高施工效率、加快施工进度方面具有不可替代的优势。

图3 联锁护坡砖设计示意

联锁式护坡砖铺设在土工布的基面上,联锁块体中间以及相邻块体之间的孔隙内可以填土植草。当植被全面生根并在砖孔和砖缝中生长时,联锁块体与基面之间的连接力得到提高,铺面的耐久性和稳定性将进一步加强。另一方面植生的植被更有美化环境的作用。其工程应用实例如图4所示。

图4 联锁护坡砖的应用实例

2) 格宾石笼网箱

在2015年广东省某县区的中小河流治理工程中,设计单位明确规定采用格宾石笼网进行护坡,设计如图5～6所示,并作出如下说明：在施工现场使用石料填充格宾石笼网箱,用于建造如挡墙、河道固脚以及护坡等结构,其结构具有柔性、透水性及整体性等特点。

图5 格宾石笼网箱设计示意

图6 格宾石笼网箱护坡设计示意

根据2015年7月份印发的《广东省中小河流治理工程格宾石笼应用技术要求(试行)》中介绍,格宾网是指一种用抗腐蚀、耐磨损、高强度的低碳镀锌钢丝或铝锌合金镀层钢丝或铝锌混合稀土合金镀层钢丝,包覆聚合物或高防腐处理的以上同质钢丝,由机械绞合编织成的网片结构。格宾石笼结构是由格宾网片组成网箱,再在网箱内填充块体材料而成的,具有抗冲、护坡功能的新型材料结构形式,具有柔韧、抗冲耐磨、防锈、抗老化、耐腐蚀等特点。同时,格宾石笼结构具有挠性大、抗冲刷能力强等优点,允许岸坡一定的变形,并且填充其间的块石之间具有一定的级配孔隙,确保了水土与动植物之间交互联系。水生植物可以在块石孔隙之间自由茂密生长,繁茂的植物根须也可深入土壤中,起到保持水土的作用,从而增强岸坡的抗洪能力,进一步稳定岸坡及延长石笼的使用寿命。

而传统的混凝土和浆砌石为刚性结构,对地基承载力要求高、抗震性能差,不能适应河床变形,生态不友好。比较而言,格宾石笼结构具有如下优点：①多孔隙,透水透气,环境友好,适合水生动植物栖息,可建设生态良好、景观优美的近自然河岸结构；②结构柔韧性好,适应河床变形能力强；③就地取材,经济合理；④便于施工、修复、加固；⑤具有较好的抗冲护坡能力,因此,格宾石笼结构更适合用于中小河流护坡、护岸和护脚工程,其工程应用实例见图7。

图7 格宾石笼网的应用实例

3) 植生型生态混凝土

在2015年广东省某县区的中小河流治理工程中,设计单位明确规定生态护坡采用生态混凝土结构,设计如图8～9所示。混凝土框格式内填多空隙混凝土结构,混凝土框架采用无砂混凝土现浇,强度为C15,孔隙率不小于30%,渗透系数不小于0.1 cm/s。整个框架在顺水流方向上每隔19.4 m设置一宽度为20 mm的伸缩缝。混凝土框架内填多孔隙生态混凝土,厚0.15 m,下设0.1 m砂垫层及0.15厚种植土,上设0.1 m客土喷播层,防止涌及沙土等颗粒流失现象的出现。同时,生态混凝土的多孔结构也为动植物、微生物提供一定的栖息和活动空间,而且在一定程度上还可以有效地提高水质的自然净化能力。

植生型生态混凝土一般为无砂大孔混凝土,由单一粒径骨料、胶凝材料、水拌制而成的轻质混凝土,由于其无砂,浆体包裹粗骨料表面再在一定外力作用下形成粘结点相互胶结便形成了既有一定强度又有贯穿连通孔隙的“沙琪玛”状结构,其主体结构包括骨料、水泥浆体、贯穿大孔,容重在1 800左右,厚度在100～150 mm之间,孔隙率最高可以达到35%[5],其外观形状如图10所示。

植生型生态混凝土主要用于植被护坡,对混凝土自身的强度要求并不高,一般强度达到10～20 MPa即能满足要求。对于河道边坡的防护,生态混凝土抗压强度更是只需要达到10 MPa以上即可,其施工过程及工程应用实例如图11～12所示。据华南理工大学的赵洪[5]研究可知,较之传统混凝土材料,植生型生态混凝土具有的特点主要有以下四个方面：

1) 具有贯穿大孔结构。能够透水透气,既有传统混凝土的牢固又有土壤一般的孔隙结构,能够在道路交通边坡及水利边坡满足防护与防洪的需要,同时也可以在城市排水系统、人行道等处满足排水减轻城市道路的泄洪压力的需要。

图8 生态护坡设计断面示意

图9 生态混凝土示意

图10 植生型生态混凝土示意

2) 具有一定的反过滤能力。多孔混凝土本身具有良好的稳定性,在作为反过滤层的结构时,可以减少多层设置。

3) 经济性能好。目前我国常用护坡工艺有植被防护、浆砌片石、喷射混凝土,其中多孔混凝土的经济性显著,每方相比浆砌片石护坡能节省近50元,相比喷射混凝土能节省近100元。

4) 具有景观效益。由于多孔混凝土的多孔特性,可以使混凝土以下的土体透气、透水,一方面在雨水多的季节可以有一部分水入渗,减少径流,另一方面,枯水时可以反渗,形成水土互相涵养的一个过程,从而利于土壤微生物、植物等的生存,形成良好的种植景观效应。多孔混凝土形成的景观效应能有效填补和恢复原有地貌的植被特点,改变了传统混凝土留给人们的强硬、灰冷的单调形象。

图11 植生型生态混凝土施工过程示意

图12 植生型生态混凝土工程应用实例

4 结语

自2015年以来,广东省山区五市中小河流治理工程正在不断推进建设当中,众多生态护坡结构不仅应了建设管理单位的要求,同时也应了人文生态环境对景观的要求,得到了大力的推广应用。

本文通过论述生态护坡形式包括联锁生态砖、格宾石笼网箱和植生型生态混凝土在当前广东省中小河流治理工程中的应用,并与传统护坡形式进行比较,指出了传统护坡形式存在的缺点与不足,同时也突出了生态护坡形式无可比拟的优势。结合当前生态护坡形式优势及推广应用,本文对今后护坡工程提出几点合理化建议。

1) 生态护坡形式在满足河道的行洪、排涝功能的同时,改善了河道的生态环境,满足了人们对城市景观的需求,在今后的河道护坡工程应得到大力推广应用；

2) 结合人文生态学和城市景观学,建立起一套完善的生态型护坡生态功能的评价体系或标准,突出其与传统护坡形式的区别,为指导和评估护坡工程提供参考依据；

3) 在充分考虑结构稳定和经济成本的前提下,逐渐限制传统护坡形式的使用,还原生态,睡堤唤醒,改善人居环境,满足人们“回归自然、亲近自然”的自然意识。

随着社会经济的不断发展,人与自然和谐相处的呼声也越来越高。传统的护坡形式已经无法满足当前人们对生活生态环境的要求。并且,随着生态环保理念的不断深入,人们将不断提高对护坡工程生态环境效益的要求,传统的护坡形式必将向生态型护坡形式转变。总而言之,生态型护坡的出现不仅顺应了人与自然和谐相处的要求。同时,可以预想,随着生态护坡理念的不断推广以及深入应用,在今后城市河道工程建设中,必将成为主流,为还原人文景观、改善人居环境、营造和谐生态做出重大的贡献。

[1] 王宏俊.生态材料在河道生态工程治理中的应用[J].人民长江,2013,6(44):86-88．

[2] 李海东,林杰,张金池,等.生态护坡技术在河道边坡水土保持中的应用[J]. 南京林业大学学报,2008,1(32):119-123．

[3] 陈梅,邱郁敏.河流护坡工程生态材料的应用[J].广东水利水电,2005(2):18-19．

[4] 冯婷,贾亚军.生态护坡技术在城市河道整治中的应用[J].中国给水排水,2008,24(20):58-60．

[5] 赵洪.预制竹筋多孔混凝土板研究[D].广州:华南理工大学,2013．

[6] 何蘅,陈德春,魏文白.生态护坡及其在城市河道整治中的应用[J].水资源保护,2015,21(6):56-58．

(本文责任编辑 马克俊)

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

蔡杰龙(1987),男,硕士,工程师，从事水泥混凝土及外加剂等建筑材料研究。

TV861