水利工程生态护坡设计

赵鹏鹏

（安徽省阜阳市颍东区水利局，安徽 阜阳 236000）

1 工程背景

W水利工程在设计方面对人文景观及生态环境的保护有较高要求，厂房进水口边坡、料场、坝路边坡、导流渠坡等护坡工程是生态护坡治理的重点区域。工程所在地夏季多雨，工程边坡冲刷严重，所以在该水利工程建设过程中就在各类边坡处设置了外边长20 cm、壁厚3 cm、砖内深10 cm的传统六角形式的生态护坡砖，并种植了单一草种。但是该措施实施一年后的调查结果显示，护坡砖内土壤流失体积普遍在40%～80%，土壤的大规模流失使草种因失去了存活的基本条件而大批枯死，造成了生态护坡反而加剧土壤流失的尴尬局面，且地区内类似工程生态护坡治理效果均不明显。为此，必须摒弃传统生态护坡治理方式，寻求一种蓄水保土、涵养水源效果较好的新型生态护坡设计。

2 生态护坡设计

当前，连锁护坡砖、生态混凝土、土工格室及传统护坡砖等生态护坡技术使用较为广泛，主要原因在于此类生态护坡技术施工简便、造价低、开孔率高，但是此类生态护坡却存在较大的土壤流失弊端。在全面分析现有生态护坡技术优劣势的基础上，受到水平条、山区梯田等工程形式的启发，通过“坡改平”技术将水利工程坡面划分成若干水平面，在保证护坡工程土壤稳定的同时，有效控制坡面土壤流失。

2.1 生态护坡砌块设计

按照以上思路所设计出的新型生态护坡砌块为正六边形，中空部分按照圆形或正六边形设计，水平面与底端面形成的夹角为α，该角度与护坡坡度一致。为此，将所设计出的护坡砌块在水利工程坡面铺设时，能保证护坡砌块底部与坡面相契合，同时确保砌块顶面水平，砌块内土体表面也能基本保持稳定状态，取得较好的保土效果。所设计出的新型生态护坡砌块透视图见图1。新型生态护坡砌块施工过程与传统护坡砖基本一致，即结合实际坡长计算出趾墙的所在位置，并在坡下部设置趾墙，从下向上铺设，保证相邻护坡砌块挤紧且横竖斜线对齐。完成砌块铺设后在砌块中空区域填入种植土，并稍加拍实，在首次降雨或灌溉后砌块中空处种植土必将沉降，如果种植土表面低于砌块上沿的距离超出2 cm，则应补填，若种植土表面低于砌块上沿的距离小于1 cm，应将多余种植土挖除，以取得最大的蓄水保土效果。

图1 新型生态护坡砌块透视图

结合试验与分析，新型生态护坡砌块形式的调整和优化也使其结构自重增大，为避免砌块在自重分力的作用下产生下滑力，同时将避免因重量增大而对下部砌块造成挤压破坏，应在新型生态护坡砌块底端增设长度2～3 cm的阻滑齿（见图2），通过这种阻滑齿使上下层砌块牢固咬合，有效地将每块砌块的重力传递至坡面，降低砌块重力向下层结构体的传导。

图2 新型生态护坡砌块侧视图

2.2 护坡植被选择

新型生态护坡砌块将传统生态护坡形式下的坡面植物栽植转化为平面植物栽植，传统生态护坡砖栽植土壤容积一般为6 394 cm3，而对于标准形式下的新型砌块而言，其内部中空部分可栽植土壤的容积增大至13 256 cm3，为传统护坡砖的2.07倍，涵养水源能力明显提升，可为植被生长提供更充足的土壤条件。传统生态护坡砖结构一般以单一植草植被为主要护坡植被，而新型生态护坡砌块可实施灌木+植草+藤木+小乔木的组合型植被形式，优化植被防护功能的同时，提升景观效果。

2.3 性能分析

新型生态护坡砌块以混凝土为主要材料，考虑到混凝土材料和水利工程边坡基土之间的摩擦系数一般在0.60～0.65，同时还在砌块底部增设有削减斜面重力分量的阻滑齿，能大大增强砌块结构的整体稳定性。此外，这种新型砌块采用面-面镶嵌的连接形式，砌块外壁最大应力能满足稳定性方面的要求。采用压力机对两种生态护坡砖进行力学性能试验，结果表明，新型生态护坡砌块侧向压力远高于传统护坡砖，试验结果见表1。除横向抗压强度外，新型生态护坡砌块在砖内土体稳定性、植物保存率、后期管理成本、景观效果、土壤流失等方面均具有显著的优越性。

表1 生态护坡砖侧向压力试验结果表 单位：kN

根据表中结果，新型生态护坡砌块抗压强度最大可达到传统生态护坡砖的3.60倍，砌块护坡高度最大可达14.50 m，符合《开发建设项目水土保持技术规范》对削坡高度的要求。这种新型生态护坡砌块砌筑后会形成水平向蜂窝状镶嵌形态，且每个砌块同时在六个方向受到相邻砌块的制约，即使其中某个砌块破碎，也不会破坏这种挤密结构的稳定。从力学指标及稳定性方面来看，这种新型生态护坡砌块远比传统护坡砖优越。

3 应用效果

2019年5月在该水利工程厂房进水口左岸边坡处100 m×100 m的试验区内应用了这种新型生态护坡砌块，根据12个月的持续观测及试验结果，该试验区内并未发生土壤流失，保土效果十分显著，且因为这种技术下坡改平的特殊保水结构，为植被提供了较好的土壤及水分条件，植被从试验初期单一的人工绿化黑麦草发展成为目前的野生酸模叶蓼草、葎草、木麻黄等数十种植物，人工植被和野生植被的演替速度远远超过该水利工程其余边坡传统生态护坡措施。目前该试验区植被覆盖率达到95%以上，后期管理费用比相同条件下传统生态护坡减少90%以上，值得大规模推广。当前该水利工程边坡新型生态护坡砌块技术的推广应用面积已达到1.40 万m2，水土流失量减少400～850 t，蓄水保土及景观效果十分显著。

4 结论

综上所述，新型生态护坡砌块是在克服传统六角生态护坡砖土壤流失严重弊端的基础上而提出的一种新型生态护坡技术，结合应用效果可以看出，该种新型生态砌块土壤流失量比传统生态护坡砖能减少90%以上，拦蓄降水及保水效果更佳优异；施工过程简单，施工速度快，对于水利工程护坡加固十分适用；就植物配置方面而言，使传统生态护坡砖形式下的单一植草措施拓展为草本和灌木组合的形式，护坡砌块中种植土容积的增加也为灌木生长提供了良好的土壤环境。应用效果还表明，这种新型生态护坡砌块蓄水保土效果优良，植被自然长势旺盛，后期无需专门进行绿化处理，管护投入少，对于水利工程、野外高速公路、郊区河道等管护难度较大的工程护坡加固尤为适用。