一种新型植生型钢丝网格护坡结构研究

熊小元， 余新明，李 明，刘林双

(1.长江航道局 国家内河航道整治工程技术研究中心，武汉 430010; 2.长江航道规划设计研究院，武汉 430040)

荆江河段上起枝城，下迄洞庭湖出口处的城陵矶，全长约347.2 km。由于自身的复杂自然特性，加之三峡工程影响，部分河段河床演变剧烈，洲滩变迁频繁，航槽极不稳定，碍航情况频发[1-3]。为改善长江中游荆江河段的航道条件，2013年开始实施了荆江河段航道整治工程，工程包含了39 km高滩守护工程、21 km护岸加固工程，其功能主要是守护高滩滩缘岸线，稳定航道边界，遏制航道边界冲刷崩退，防止航槽过水断面宽浅化，保持航道条件稳定[4]。同时，随着国民经济的发展和人们对生态环境的重视，对航道整治的生态保护要求也越来越高，航道工程结构的生态属性越来越得到重视[5-7]。因此，在荆江河段航道整治工程中，大量采用了生态护岸护滩结构，其中采用最多的是钢丝网格结构。

钢丝网格结构具有较好的固土、渗透、生态种植性能好等特点，是一种普遍使用的工程结构[8-10]，在长江中游马家咀、瓦口子等航道整治工程中广泛使用，取得了较好的工程效果。但工程实践也发现，常规的钢丝网格结构存在护坡时机与植被生长时间不一致，也存在着护坡时机与植被生长时间冲突、消落带植被很难恢复等问题，工程效益和生态效益不佳。为此，研发了一种新型植生型钢丝网格结构。工程实践表明，这种结构可以较好地提高航道整治工程整治效益和生态效益。

1 新型植生型钢丝网格护坡结构研究

1.1 钢丝网格有效厚度分析

航道整治工程中钢丝网格主要用于护坡，其抗倾能力要求较高，对钢丝网格按照排体结构型式进行抗倾计算。

式中：V为钢丝网格边缘流速，m/s；Vcr为钢丝网格边缘临界流速，m/s，设计最大流速取3 m/s；θ为系数，取2；rR′为钢丝网格相对浮重度；g为重力加速度，取9.81(m/s2)；tm为等效厚度；rm为钢丝网格重度，取24 000(N/m3)；rw为水的重度，取10 000(N/m3)。计算表明钢丝网格的等效厚度为16.4 cm。即钢丝网格的有效厚度为17 cm就能够满足结构稳定性的要求。

从经济角度考虑，目前钢丝网格的标准厚度有17 cm和23 cm两种，如果采用块石填充网格，两种结构都是安全的。从经济角度看，采用17 cm厚的钢丝网格则更为经济。但为实现其生态功能，则应增加钢丝网格厚度，即在钢丝网格护坡实施完成后，在钢丝网格上方采用覆土、种草等方式进行绿化，但这种方式在流速较大的区域或水位上涨较快、植被还未完全生长出来的时候是很难达到效果的。

要实现钢丝网格的生态效应，就是要解决水流、土和植被之间的相互关系，尽可能的增加植被生长时间，减少水流对植被的淹没以及对土壤的淘刷时间，以促进植被的生长达到固土的作用，进而实现生态和绿化的效果。如果植被在水位上涨前有足够的生长时间，其根系和枝叶就会很发达，植被的根系可以起到固结土壤、将土壤连接成为整体、减少水流冲刷的作用，同时，枝叶可以降低水流的流速，减少水流的冲刷，起到保护土壤和自身的作用；如果水流淹没时间短，植被成活的几率就会增大，在下个生长期就可以巩固固土的效果。反之，岸坡的绿化效果就很难实现。

传统绿化工艺的缺陷主要是覆盖在钢丝网格上面的土、种子等没有得到保护，在水流的作用下容易流失。为达到预期的效果，必须对传统的绿化工艺进行改进，可考虑在岸坡工程结构施工的同时进行绿化的施工，也就是将土、种子等放在钢丝网格内部。

1.2 钢丝网格护坡结构研究

1.2.1 钢丝网格结构的改进

钢丝网格的盖板网孔较大，为6 cm × 8 cm，为保证后期效果，可考虑两种方法，一种为减小盖板网孔的大小，第二种为采用土工材料缝制的土工袋的方式将土和种子的混合物包裹起来。结构型式见图1。如考虑减小钢丝网格盖板网孔尺寸，有两种思路：一是在制造过程中，将6 cm×8 cm的孔距减小到一定幅度，如2 cm×4 cm；二是保持原网距大小不变，在盖板上通过附着其他材料的网状物体来达到减小孔距的目的。用于钢丝网格制作的钢丝都是镀高尔凡钢丝，造价较高，单纯的减小孔距会造成单价提高很多，因此，第一种方法不适合。采用第二种方法，提出了通过增加一层盖板，并进行错缝覆盖，以实现减小网孔的要求(见图2)，经过测算，错缝后的网孔大小约为3 cm×4 cm，此种方式可有效减小网孔，但造价仍较高，不适合作为改进的结构型式。

结合加筋三维网垫护高滩的使用效果，在第二种方法基础上，提出了盖板可采用加筋三维网垫进行代替。加筋三维网垫是将发丝状聚丙烯材料挤压于机编六边形双绞合钢丝网面上形成的，钢丝采用镀高尔凡钢丝。加筋三维网垫通过将塑料和金属材料相混合，优势互补，在不增加钢丝的基础上实现减小网格网孔的目的，适用于水流流速不大于3 m/s的护滩(坡)系统。加筋三维网垫厚度为12 cm，钢丝网格尺寸仍为6 cm×8 cm。通过在钢丝网格上增加聚丙烯材料后能大大减小网孔的空隙，能满足设计的要求，同时也不会导致成本过多增加。加筋三维网垫见图3。

图1 结构型式示意图Fig.1 Ecological steel mesh structure schematic图2 网孔错缝加盖示意图Fig.2 Mesh interlaced cover structure schematic图3 加筋三维网垫图Fig.3 Reinforced three-dimensional mesh mat

1.2.2 钢丝网格结构型式及尺寸

植生型钢丝网格，由六边形双绞合金属网和盖板构成的金属网垫结构，填充石料和土用于防止边坡冲刷及坡体快速绿化。植生型钢丝网格的边板、端板、隔板及底板是由一张连续不裁断的六边形双绞合钢丝网组成，盖板为加筋三维网垫。23 cm厚植生型网格填充石料厚17cm，填充石料后进行土和草种的填充，可采用人工踏实，土中草籽的种类需根据当地实际情况选取。植生型钢丝网格采用镀高尔凡防腐处理，网面抗拉强度为30 kN/m。

植生型钢丝网格的尺寸设计为6 m×2 m×0.23 m，网格尺寸为6 cm×8 cm，网格钢丝直径为2.0 mm，端钢丝直径为2.4 mm，边钢丝直径为2.7 mm，绞边钢丝直径为2.2 mm，钢丝采用厚镀高尔凡进行防腐蚀处理。采用卵石或块石进行填充，石料要求粒径在7～15 cm。

1.2.3 钢丝网格结构优点

植生型钢丝网格护坡优点包括：在草皮没有长成之前，可以保护土地表面免遭风雨的侵蚀和水流的冲刷；可以保持草籽均匀地分布在坡面的土层上，免受风吹雨冲而流失；黑色网垫能大量吸收热能，增加地湿、促进种籽发芽，缩短植物生长期，加快植被的生长；植物生长起来后形成的复合保护层，可经受高水位、大流速的冲刷(可经受4～5 m/s的流速)。

2 施工工艺设计

植生型钢丝网格的施工工艺主要包括钢丝网组装、钢丝网格安装、石料填充、填充土和草种、封盖作业和浇水、养护等环节。

2.1 钢丝网组装

取出完整的钢丝网，校正弯曲、变形部份。展开钢丝网，提拉隔板、边板、端板，使其与底板垂直。翻起边板，用点扎的形式固定隔板与边板以及边板与端板。用于转弯段的钢丝网格，可通过裁剪钢丝网格单元进行套接处理。

2.2 钢丝网格安装

在符合设计要求的岸坡上放线确定出钢丝网格摆放的位置。将组装好的钢丝网格按照一定的要求紧密整齐地摆放在恰当的位置上。摆放时钢丝网格用于坡面防护时隔板要平行于水流方向。坡面较陡或者坡面较为光滑容易引起施工过程中钢丝网格下滑的情况，建议在坡顶加木桩固定。用点扎的方式将相邻钢丝网格单元进行联接，防止各单元之间留有缝隙给后面的装填、封闭盖板造成不必要的麻烦。

2.3 石料填充

石料根据当地实际情况，可选择卵石或块石。石料必须从坡脚往坡顶方向进行装填；同时相临隔板、边板两侧的石料也宜同时进行装填。表面部分是关系到整个钢丝网格护坡外观效果的关键所在，宜选择粒径较大、表面较为光滑的石料进行摆放，且摆放得平整、密实。

2.4 填充土和草种

石料填充完成后，在其上方填充土、肥料和草种的混合物，厚度为6 cm，考虑到沉降、石料间缝隙、密实等因素，填充厚度应根据具体情况加大。

2.5 封盖作业

绞合盖子之前，检查钢丝网格是否装填饱满、密实，上表面是否平整；对钢丝网格外轮廓进行检查，对一些弯曲变形、隔板上边缘下埋、表面不平整等不符合施工要求的地方进行校正。用一定长度的绞合钢丝将加筋三维网垫盖板与边板、端板、隔板的上边缘联接在一起。绞合严格按照间隔10～15 cm单圈-双圈-单圈进行绞合，每绞合1 m长的边缘采用1.3～1.4 m长的绞合钢丝，且每根长钢丝连续绞合边缘的长度不超过1 m；相邻钢丝网格的端板或边板上边缘钢丝必须与盖板边缘钢丝紧密地绞合在一起。

2.6 浇水、养护

整个施工作业完成后，应及时浇水灌溉，洒水养护时间为15 d，待植被生长后，养护的间隔可适当加大，但要进行相应的灌溉、施肥、农药除虫等。

3 现场试验研究

3.1 现场试验方案

依托周天河段张家榨护岸工程局部区域，开展现场试验，工程平面布置主要为：在周天河段右岸张家榨一带4 924 m岸线进行护岸及加固，以进一步稳定周公堤水道过渡段的出口，使深槽离岸较近处均得到保护。现场试验于2014年4月初开展。根据荆江河段不同的高程布置不同的耐淹能力植物品种，考虑到植生型钢丝网格主要应用于枯水平台4 m以上，该区域较为适合灌木区域的生长，因此，本次植物品种有4种：狗牙根、枸杞、疏花水柏枝、秋华柳。具体方案为在桩号C58～C61平均分为A+4、B+4、C+4共计区域，长度分别为18 m(3个钢丝网格)，分别栽种枸杞+狗牙根、疏花水柏枝+牛鞭草、秋华柳+双穗雀稗。

3.2 现场试验效果分析

3.2.1 中期生长情况

于2014年6月13日对实验岸坡植被生长情况开展观测，此时水位在枯水平台上2～3 m。枸杞、疏花水柏枝、秋华柳新芽发育，全部成活，高度在5～10 cm之间，长势良好(图4)。

图4 植被生长图(2014-06) 图5 试验段总体情况(2014-11)Fig.4 Photo of vegetation growth state(2014-06) Fig.5 Photo of general condition (2014-11)

3.2.2 第一次退水后生长概况

于2014年11月5日对退水后的实验区域植被生长情况进行了跟踪观测。枸杞、疏花水柏枝、秋华柳新芽发育，根深扎于土壤，并漫生新株，高度在10 cm左右，长势良好，成活率达90%以上。傍生的狗牙根长势较好，但部分区域受水力冲刷，土壤流失较重，流失面积达30%～40%，植被覆盖率相比高水位区域较低。枸杞、疏花水柏枝、秋华柳灌木在一个洪水期后，生长良好，能够满足生态护坡要求；但苗源分布不集中，特别是疏花水柏枝、秋华柳苗源不足，如进一步推广应用，需设置培育苗源基地(图5)。

3.2.3 一年度后生长情况

2015年5月22日，对生长一年后的实验区域植被生长情况进行了跟踪观测。现场调查发现，经过一年生长期后，灌木区植被生长较好，灌木区有少量双穗雀稗、狗牙根、疏花水柏枝、秋华柳、牛鞭草、稗草等成活，其中狗牙根长势较好，但部分区域受水流冲刷，土壤流失较重，流失面积达30%～40%，植被覆盖率相比高水位区域较低。灌木区傍生了较多当地植被如五月艾、白车轴草、野紫苏、酸浆草等。灌木区植被生长受意外因素影响较大，特别是受人为影响较大，本次调查发现区域岸坡有放牧的情况，少量的灌木可能受到人为破坏(图6)。

6-a 双穗雀稗(Dallas grass)6-b 狗牙根(Bermuda grass)6-c 疏花水柏枝(Myricaria laxiflora)

6-d 秋华柳(Autumn willow)6-e 牛鞭草(Hemarthria altissima)6-f 稗草(Echinochloa crusgalli)图6 灌木区典型植被生长状况(2015-05)Fig.6 Vegetation growth state in shrub area (2015-05)

4 结语

针对传统钢丝网格存在的不足，从抗水流冲击，抗倾稳定，经济性和生态等角度分析了钢丝网格结构，提出了植生型钢丝网格结构。

(1)结构由六边形双绞合金属网和盖板构成的金属网垫结构，填充石料和土用于防止边坡冲刷及坡体快速绿化。植生型钢丝网格的边板、端板、隔板及底板是由一张连续不裁断的六边形双绞合钢丝网组成，盖板为加筋三维网垫。网格厚度为23 cm，植生型网格填充石料厚17 cm，填充石料后进行土和草种的填充，可采用人工踏实，土中草籽的种类需根据当地实际情况选取。植生型钢丝网格采用镀高尔凡防腐处理，网面抗拉强度为30 kN/m。

(2)植生型钢丝网格的尺寸设计为6 m×2 m×0.23 m，网格尺寸为6 cm×8 cm，网格钢丝直径为2.0 mm，端钢丝直径为2.4 mm，边钢丝直径为2.7 mm，绞边钢丝直径为2.2 mm，钢丝采用厚镀高尔凡进行防腐蚀处理。采用卵石或块石进行填充，石料要求粒径在7～15 cm之间。

(3)植生型钢丝网格具有保护土地表面免遭风雨的侵蚀、保持草籽均匀分布、吸收热能、促进种籽发芽、缩短植物生长期、植被和网格复合保护等特点。其施工工艺主要包括钢丝网组装、钢丝网格安装、石料填充、填充土和草种、封盖作业和浇水、养护等环节。

(4)依托周天河段张家榨护岸工程开展现场试验，种植后中期,枸杞、疏花水柏枝、秋华柳新芽发育，全部成活，高度在5～10 cm之间，长势良好，第一次退水期后，各类植物新芽发育，根深扎于土壤，并漫生新株，长势良好，成活率达90%以上。一年度后，各类植物基本成活，但部分区域受水流冲刷，放牧等影响，植被生长仍受到小幅影响。