风沙干旱地区粉细砂堤防生态护坡新技术研究与应用

闫鹏飞

(辽宁省绥中县水利建筑工程公司，辽宁 绥中 125200)

粉细砂堤防由于其水土保持能力差，堤坡植被很难成活，堤防生态效果差，其裸露部分容易扬尘，也严重影响区域环境质量[1]。堤防经过长时间的风剥雨蚀后，堤身雨淋沟遍布，给堤防安全运行造成严重威胁[2]。生物护坡的载体对风沙干旱地区粉细砂堤防护坡的建设不适用，目前常见的生态护坡型式有生态联锁砖[3- 6]、生态混凝土等型式[7- 8]，生态联锁砖由于生态效果、抗冲刷、水保功能效果较为一般，在后期运维管理处于中等层次，从早期应用的工程实例效果来看，生态联锁砖的后期运维和建设周期均很难得到有效保障，工程实施效率不高；而生态混凝土虽然生态效果良好，但其建设工期较长、前期养护费用较高，与堤防内部土质相关性较低，较难采用内部涵养水分进行土体的补给，需要人工浇灌，后期养护费用很高[9- 11]。坡改平生态护坡技术是近年完成的一项水土保持科研成果。该技术是为解决目前在高速公路基础设施中广泛存在的土壤水土流失问题而开发的一项新式生态护坡技术[12- 15]，但在河道应用还较少，坡改平生态护坡技术的特殊结构决定了它特别适合公路、河道等野外粗放式管理的建设项目，完全可以靠天然植被恢复绿化边坡，而且自然恢复的野草抗旱能力强且可耐瘠薄，对风沙干旱区的适应性能较好，可以有效缩减绿化成本和后期养护费用，降低工程相关成本。

1 风沙干旱地区粉细砂堤防堤坡破坏机理研究

风沙干旱地区粉细砂堤防堤坡破坏主要受气候条件、土壤特性、植被覆盖等因素影响。

1.1 气候

风沙干旱地区降雨较少，堤坡土壤水分补给不足，堤坡植物较难存活，植被覆盖率低。如辽宁省柳河彰武段属于温和半湿润的季风大陆性气候，四季分明，雨热同季，光照充足，昼夜温差大，春季风大且多，寒冷期长，年平均气温7.2℃，最高温度37.4℃，最低温度-30.4℃，平均风速3.8m/s，最大风速38m/s，年均降水量510.3mm，平均相对湿度61%，平均无霜期156d；柳河新民段属暖温带半湿润大陆性季风气候，气候温和，平均温度7.6℃，年降水量608mm，无霜期160d，常年主导风向为西南风，平均风速为4.1m/s，最大风速为20m/s，年平均日照为2753.2h。柳河两岸堤防堤坡裸露，长时间经受风剥雨蚀后堤身破损严重。

1.2 土壤特性

粉细砂土料存在抗剪强度低、水土保持和抗冲性能差等问题，造成粉细砂堤防堤坡水土流失严重，土壤贫瘠，堤身容易受雨水淘刷形成雨淋沟，威胁堤防安全运行。柳河为多泥沙河流，柳河闹德海以上流域植被稀少，土壤侵蚀严重，侵蚀模数在2000t/km2以上，河流含沙量都超过40kg/m3，是辽河流域产沙最多的地区。两岸堤防堤身填土主要由河道两岸的粉细砂夹粉土组成，呈黄—黄褐色，呈松散—稍密状态。堤身土物理力学性质指标统计结果详见表1。堤身、堤基粉细砂颗粒间无黏聚力，且内摩擦角较小，抗剪强度低；平均粒径较小造成粉细砂抗雨水淘刷能力弱。

1.3 植被覆盖

植被覆盖和枯枝落叶可以有效降低雨滴溅蚀并可对一些降水量进行有效拦截，降低降雨产流量，具有保水效益，有效降低水土流失量。此外，植被可提高土壤孔隙比例和结构，增加土壤下渗水量，降低径流量和水流速率。通过对径流的天然调蓄作用，有效防止水流对土壤颗粒的冲刷作用。另外植物更细可以增加土壤的固结效应，防范坡面水土流失的形成，对斜坡和陡坡进行有效间隔，增强流域保沙能力。

考虑到气候条件基本无法改变，筑堤土料摒弃沿线是取用方便、价格低廉的粉细砂，外购土料工程造价较高，经济合理性差，要解决风沙干旱地区粉细砂堤防堤坡破坏问题，合理可行的途径是利用生态护坡解决植被覆盖率低的问题。

2 风沙干旱地区粉细砂堤防护坡型式探索

考虑到生物护坡的载体不适合风沙干旱区粉细砂筑堤的建设，因此需采用其他护坡方式进行生态加固，本文对当前2种河道治理工程中常用的生态护坡方式进行结构分析，从而探索适合于风沙干旱地区粉细砂筑堤的新的生态护坡型式。

2.1 生态联锁砖

生态联锁砖是由不同规格和型号组成的混凝土预制块体的总称，一般厚度为100mm，长400～500mm，宽约300mm，中间有1个或多个孔洞，用以填充种植土并栽植作物，由于其具有一定抗冲性能并为坡面植被生长提供空间，因此通常称其为生态联锁砖，用以区分实心联锁砖与传统的锁砖，生态连锁砖适合于小流域水土流失控制的堤防建设，联锁式护土砖具有独特联锁功能，可有效降低水流冲击下砖块的整体稳定性，其柔性开孔的渗透性能可以有效降低冲击水流的流速，降低水流压力和提升排水性能，渗水和排水作用由于开孔得到增强，此外也可增加植被覆盖度，生态效果明显。

2.2 生态混凝土

生态是指生物体与其周边环境(包括非生物环境和生物环境)的相互关系；混凝土(“砼”是其简写，同义词)，由胶凝材料、水料和骨料按照一定比例进行配置产生，通过一定养护硬化后形成的人为材料，具有一定生态效益的混凝土称作为生态混凝土，和传统混凝土相比，这类混凝土水泥用量明显减少，具有较好的透水性能和净化水质的功能，友好环境和生物兼容性特点较为突出，其生态效应主要为可以附着生物，对生物成长影响程度低。

2.3 新的护坡型式探索

由于生态联锁砖保土抗冲性能、生态效果等均一般，前期养护以及后期养护管理费用均偏高，且后期养护很难有保证，工程效果保证率较低；而生态混凝土建设工期较长、前期养护费用较高，后期养护费用更高，作物需水主要通过降水外，还需要进行人工浇灌，内部土体可利用水分相对较少，因此，在部分对保土抗冲性能及生态效果要求较高的地区，探索一种新的生态护坡型式是十分必要的。经调研，坡改平生态护坡能满足上述要求。

表1 堤身土颗分试验成果统计表

坡改平生态护坡技术是近年完成的一项水土保持科研成果。该技术是为解决目前在高速公路、河道等基础设施中广泛采用的六角空心护坡砖存在的单块砖内流失体积20%～80%的土壤的水土流失问题而开发的一项新式生态护坡技术。坡改平生态护坡技术的特殊结构决定了它特别适合公路、河道等野外粗放式管理的建设项目，完全可以靠天然植被恢复绿化边坡，而且自然恢复的野草适应性强，抗干旱、耐瘠薄，除可节省大笔绿化费用外，还可以大大减少后期管护的费用，降低工程造价。

3 坡改平生态护坡技术原理及工艺

3.1 技术原理

其结构原理与生态联锁砖大体相同，均为通过混凝土预制块的安装和彼此连接完成对整个坡面的覆盖，并通过预制块中间的孔洞进行坡面生态恢复，除去外形上的差别外，2者最大的区别有2点，第一点为坡改平生态护坡砌块上坡面是水平的，下坡面是倾斜的，也就是通过在坡面上施工将原本斜坡面改造成类似于梯田性质的连续台阶，进而达到保水降低坡面垂向水流流速的作用，也是坡改平名字的主要来源；第二点是坡改平生态护坡砌块的下坡面有3道阻滑齿，进一步提高了与坡面的摩擦力，保证了稳定性。坡改平生态护坡砌块结合内部结构，将坡面进行小平面剖分，与底部坡面进行融合，坡面上端处于水平状态，坡面土壤稳定状态得到保持，可以达到保水减沙效益。与老式六角空心砖相比，这项技术使土壤流失量降低90%以上，从而提高坡面防护标准。适宜栽种草本植物有高羊茅、苇状羊茅、紫花苜蓿、无芒雀麦、五叶地锦、二月兰等。

3.2 施工工艺

坡改平生态护坡砌块施工顺序为从下至上，即在坡面整平后，先在坡脚处做好浆砌石护脚，然后从护脚向上逐层施工，坡改平生态砌块下部需要根据坡比的不同向坡面内下卧一定深度以保证顶部水平，上部与坡面紧密相接即可，在每块坡改平生态护坡砌块施工完后向内部填充拌合了草籽和肥料的种植土并压实，待施工到接近坡面顶部不足一块砌块的空间时，采用上坡脚砌块或现浇混凝土封顶，下部与护脚连接同样在空隙处采用现浇混凝土封堵，避免雨水通过空隙直接接触坡面造成接触冲刷，砌块内植被与种植土一方面可以减缓渗透进入堤防的水流流速，降低坡面水流流速，另一方面在堤内孔隙水通过坡面渗出时还可以起到反滤的作用，避免堤防内细颗粒土体流失，造成堤防临水边坡失稳。坡改平生态护坡砌块为六角方格，每个外边长均为20cm，单体重量在15kg左右，适合人工施工，根据调研，每平米(8块)至工程现场落地价约为110元，人工摆放单价为20～25元/m2，种植土加草籽、肥料施工完为5～7元/m2，即坡改平生态护坡砌块的建筑工程直接投资约为135～142元/m2。早期养护简单是坡改平生态护坡砌块的又一大特点，由于其对坡面的保水性较好，因此其灌水周期相对较长，对于降雨的收集率及利用率均较高。

4 工程实例

4.1 工程概况

柳河是辽河中下游右侧的一条多泥沙支流，其流经的彰武县境内缺乏黏性筑堤土料，基本采用粉细砂筑堤，现状护岸主要为混凝土板护坡，堤防生态恢复差。经过雨淋水泡后，水土流失造成的堤防脱坡和局部塌陷等现象严重影响堤防安全运行。粉细砂堤防由于其水土保持能力差，堤坡植被很难成活，堤防生态效果差，其裸露部分容易扬尘，也严重影响区域环境质量；堤防经过长时间的风剥雨蚀后，堤身雨淋沟遍布，给堤防安全运行造成严重威胁。

鉴于风沙干旱地区粉细砂不适合直接作为生物护坡的载体，应通过其他工程措施对堤坡进行生态建设。

4.2 坡改平生态护坡结构优化

4.2.1坡顶封顶型式优化

目前，坡改平生态护坡工程中，坡顶基本都采用护坡砌块直接与坡顶衔接的型式，由于坡改平特殊的六边形结构，坡顶最上面的砌块不一定能与顶面刚好接上，造成护坡与坡顶结合不紧密，在雨水淘刷下，坡顶处土容易流失，且存在施工不够方便、外观效果不好等问题。采用混凝土抹面封顶可以使护坡砌块与坡顶更紧密的衔接，防止坡顶处水土流失，而且能增强护坡的抗滑稳定性及外观效果。如图1所示。混凝土抹面具体规格为：厚5cm，水平段长15cm，坡面段长度根据最上面的砌块与坡顶的距离确定。

图1 坡顶封顶型式优化示意图

4.2.2砌块内土壤改良

为了护坡砌块内植物存活率高，坡改平护坡砌块内的土料以耕植土为宜。对于以粉细砂为主的风沙干旱地区，耕植土稀少，外购成本较高，沿线土料主要为砂质土，取用方便、造价较低。其中，地表清基土料粉土含量相对较高，取用并进行改良，以满足植被生长要求，可以取代外购耕植土，降低工程造价。

4.3 坡改平生态护坡实际效果检验

为了检验坡改平生态护坡的实际效果，我们在柳河彰武县城段做了1个长100m的试验段。

4.3.1施工前准备

现状护坡拆除后，进行场地清理和边坡整理，并外购护坡砌块、耕植土等材料。采用的砌块技术指标见表2。

表2 砌块技术指标

4.3.2砌块铺设施工

(1)按照要求，沿坡度纵横挂线，然后按线铺装，自下而上铺设，相邻护坡砌块挤紧，做到横、竖、斜线对齐，上表面水平。

(2)以垂向砌块边缘作为铺设标准，沿水平方向依次进行砖块铺设，按照坡比对砌块垂向埋深进行确定，相邻的砖块之间按照同一个横向标准水平线进行铺设，采用梅花型进行横向砖块的铺设，相邻2个砖块之间的斜向高程在9cm左右，斜上方砌块处于中间位置为最佳铺设方位。

(3)坡脚第一排砌块设置一道坡脚石，顶面与坡脚倚靠在坡脚石上且与顶面平齐。砌块内填土以低于上边缘2cm控制。

4.3.3护坡砌块内植物栽植

(1)植物栽植。坡改平护坡砌块安装完成后，在砌块孔内填充砂质土和农家肥，适当捣实，开始撒播草籽。撒播草籽标准：高羊茅撒播种籽约10粒/孔，苜蓿为撒播种籽约5粒/孔，然后覆土1cm，覆土后，每块砌块内土壤表面距砖上沿2cm。

(2)灌溉。施工完成后灌足水一次，灌水时采用喷灌、慢灌，以防水从砌块内溢出对下层砌块内的土壤和植物造成冲刷破坏。

(3)栽植植物养护管理。在施工后的前15d内，应视天气和土壤墒情进行洒水灌溉，保持砌块内土壤湿润直至草种发芽并长出3片真叶后适当减少喷水次数。施工后一个月内视天气和植物生长情况适当补充水分，注意保苗。施工完成后，经过3个月的观察，护坡砌块内的植物生长情况很好，坡面土壤流失问题得到解决。

4.3.4效果对比

工程实施后水土保持效果显著。该技术与老式护坡砖相比减少土壤流失量可达到90%以上，特殊水平结构使砖内拦蓄降水和保水效果显著增强。植物措施配置方法也较多，景观效果好。该技术丰富了植物措施设计方案的选择空间，使坡面绿化从单一草本绿化拓展到灌木与草本相结合进行绿化美化，并可以根据景观需要在坡面上以灌木和草本组合出不同的图案造型，使护坡工程与周边环境融为一体。此外，后期管护投入少，自然植被长势旺盛，蓄水保土和景观效果良好，并可大大降低后期管护投入。

5 结语

(1)坡改平生态护坡适用于坡面水土流失严重的堤防护坡工程，此外坡改平生态护坡综合单价约135元/m2，造价相对较高，比较适用于对生态景观要求较高的城市段。

(2)护坡砌块与坡顶可采用混凝土抹面进行衔接，可减少坡顶处水土流失，增加抗滑稳定性及外观效果，对于耕植土缺乏的地区，采用地表清基的砂质土拌和农家肥代替耕植土可节约工期及工程投资。