一種新型植生型鋼絲網(wǎng)格護(hù)坡結(jié)構(gòu)研究

熊小元， 余新明，李 明，劉林雙

(1.長江航道局 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010; 2.長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430040)

荊江河段上起枝城，下迄洞庭湖出口處的城陵磯，全長約347.2 km。由于自身的復(fù)雜自然特性，加之三峽工程影響，部分河段河床演變劇烈，洲灘變遷頻繁，航槽極不穩(wěn)定，礙航情況頻發(fā)[1-3]。為改善長江中游荊江河段的航道條件，2013年開始實(shí)施了荊江河段航道整治工程，工程包含了39 km高灘守護(hù)工程、21 km護(hù)岸加固工程，其功能主要是守護(hù)高灘灘緣岸線，穩(wěn)定航道邊界，遏制航道邊界沖刷崩退，防止航槽過水?dāng)嗝鎸挏\化，保持航道條件穩(wěn)定[4]。同時(shí)，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視，對(duì)航道整治的生態(tài)保護(hù)要求也越來越高，航道工程結(jié)構(gòu)的生態(tài)屬性越來越得到重視[5-7]。因此，在荊江河段航道整治工程中，大量采用了生態(tài)護(hù)岸護(hù)灘結(jié)構(gòu)，其中采用最多的是鋼絲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

鋼絲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有較好的固土、滲透、生態(tài)種植性能好等特點(diǎn)，是一種普遍使用的工程結(jié)構(gòu)[8-10]，在長江中游馬家咀、瓦口子等航道整治工程中廣泛使用，取得了較好的工程效果。但工程實(shí)踐也發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的鋼絲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)存在護(hù)坡時(shí)機(jī)與植被生長時(shí)間不一致，也存在著護(hù)坡時(shí)機(jī)與植被生長時(shí)間沖突、消落帶植被很難恢復(fù)等問題，工程效益和生態(tài)效益不佳。為此，研發(fā)了一種新型植生型鋼絲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。工程實(shí)踐表明，這種結(jié)構(gòu)可以較好地提高航道整治工程整治效益和生態(tài)效益。

1 新型植生型鋼絲網(wǎng)格護(hù)坡結(jié)構(gòu)研究

1.1 鋼絲網(wǎng)格有效厚度分析

航道整治工程中鋼絲網(wǎng)格主要用于護(hù)坡，其抗傾能力要求較高，對(duì)鋼絲網(wǎng)格按照排體結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行抗傾計(jì)算。

式中：V為鋼絲網(wǎng)格邊緣流速，m/s；Vcr為鋼絲網(wǎng)格邊緣臨界流速，m/s，設(shè)計(jì)最大流速取3 m/s；θ為系數(shù)，取2；rR′為鋼絲網(wǎng)格相對(duì)浮重度；g為重力加速度，取9.81(m/s2)；tm為等效厚度；rm為鋼絲網(wǎng)格重度，取24 000(N/m3)；rw為水的重度，取10 000(N/m3)。計(jì)算表明鋼絲網(wǎng)格的等效厚度為16.4 cm。即鋼絲網(wǎng)格的有效厚度為17 cm就能夠滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求。

從經(jīng)濟(jì)角度考慮，目前鋼絲網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)厚度有17 cm和23 cm兩種，如果采用塊石填充網(wǎng)格，兩種結(jié)構(gòu)都是安全的。從經(jīng)濟(jì)角度看，采用17 cm厚的鋼絲網(wǎng)格則更為經(jīng)濟(jì)。但為實(shí)現(xiàn)其生態(tài)功能，則應(yīng)增加鋼絲網(wǎng)格厚度，即在鋼絲網(wǎng)格護(hù)坡實(shí)施完成后，在鋼絲網(wǎng)格上方采用覆土、種草等方式進(jìn)行綠化，但這種方式在流速較大的區(qū)域或水位上漲較快、植被還未完全生長出來的時(shí)候是很難達(dá)到效果的。

要實(shí)現(xiàn)鋼絲網(wǎng)格的生態(tài)效應(yīng)，就是要解決水流、土和植被之間的相互關(guān)系，盡可能的增加植被生長時(shí)間，減少水流對(duì)植被的淹沒以及對(duì)土壤的淘刷時(shí)間，以促進(jìn)植被的生長達(dá)到固土的作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生態(tài)和綠化的效果。如果植被在水位上漲前有足夠的生長時(shí)間，其根系和枝葉就會(huì)很發(fā)達(dá)，植被的根系可以起到固結(jié)土壤、將土壤連接成為整體、減少水流沖刷的作用，同時(shí)，枝葉可以降低水流的流速，減少水流的沖刷，起到保護(hù)土壤和自身的作用；如果水流淹沒時(shí)間短，植被成活的幾率就會(huì)增大，在下個(gè)生長期就可以鞏固固土的效果。反之，岸坡的綠化效果就很難實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)綠化工藝的缺陷主要是覆蓋在鋼絲網(wǎng)格上面的土、種子等沒有得到保護(hù)，在水流的作用下容易流失。為達(dá)到預(yù)期的效果，必須對(duì)傳統(tǒng)的綠化工藝進(jìn)行改進(jìn)，可考慮在岸坡工程結(jié)構(gòu)施工的同時(shí)進(jìn)行綠化的施工，也就是將土、種子等放在鋼絲網(wǎng)格內(nèi)部。

1.2 鋼絲網(wǎng)格護(hù)坡結(jié)構(gòu)研究

1.2.1 鋼絲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

鋼絲網(wǎng)格的蓋板網(wǎng)孔較大，為6 cm × 8 cm，為保證后期效果，可考慮兩種方法，一種為減小蓋板網(wǎng)孔的大小，第二種為采用土工材料縫制的土工袋的方式將土和種子的混合物包裹起來。結(jié)構(gòu)型式見圖1。如考慮減小鋼絲網(wǎng)格蓋板網(wǎng)孔尺寸，有兩種思路：一是在制造過程中，將6 cm×8 cm的孔距減小到一定幅度，如2 cm×4 cm；二是保持原網(wǎng)距大小不變，在蓋板上通過附著其他材料的網(wǎng)狀物體來達(dá)到減小孔距的目的。用于鋼絲網(wǎng)格制作的鋼絲都是鍍高爾凡鋼絲，造價(jià)較高，單純的減小孔距會(huì)造成單價(jià)提高很多，因此，第一種方法不適合。采用第二種方法，提出了通過增加一層蓋板，并進(jìn)行錯(cuò)縫覆蓋，以實(shí)現(xiàn)減小網(wǎng)孔的要求(見圖2)，經(jīng)過測算，錯(cuò)縫后的網(wǎng)孔大小約為3 cm×4 cm，此種方式可有效減小網(wǎng)孔，但造價(jià)仍較高，不適合作為改進(jìn)的結(jié)構(gòu)型式。

結(jié)合加筋三維網(wǎng)墊護(hù)高灘的使用效果，在第二種方法基礎(chǔ)上，提出了蓋板可采用加筋三維網(wǎng)墊進(jìn)行代替。加筋三維網(wǎng)墊是將發(fā)絲狀聚丙烯材料擠壓于機(jī)編六邊形雙絞合鋼絲網(wǎng)面上形成的，鋼絲采用鍍高爾凡鋼絲。加筋三維網(wǎng)墊通過將塑料和金屬材料相混合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在不增加鋼絲的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)減小網(wǎng)格網(wǎng)孔的目的，適用于水流流速不大于3 m/s的護(hù)灘(坡)系統(tǒng)。加筋三維網(wǎng)墊厚度為12 cm，鋼絲網(wǎng)格尺寸仍為6 cm×8 cm。通過在鋼絲網(wǎng)格上增加聚丙烯材料后能大大減小網(wǎng)孔的空隙，能滿足設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)也不會(huì)導(dǎo)致成本過多增加。加筋三維網(wǎng)墊見圖3。

圖1 結(jié)構(gòu)型式示意圖Fig.1 Ecological steel mesh structure schematic圖2 網(wǎng)孔錯(cuò)縫加蓋示意圖Fig.2 Mesh interlaced cover structure schematic圖3 加筋三維網(wǎng)墊圖Fig.3 Reinforced three-dimensional mesh mat

1.2.2 鋼絲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)型式及尺寸

植生型鋼絲網(wǎng)格，由六邊形雙絞合金屬網(wǎng)和蓋板構(gòu)成的金屬網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)，填充石料和土用于防止邊坡沖刷及坡體快速綠化。植生型鋼絲網(wǎng)格的邊板、端板、隔板及底板是由一張連續(xù)不裁斷的六邊形雙絞合鋼絲網(wǎng)組成，蓋板為加筋三維網(wǎng)墊。23 cm厚植生型網(wǎng)格填充石料厚17cm，填充石料后進(jìn)行土和草種的填充，可采用人工踏實(shí)，土中草籽的種類需根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選取。植生型鋼絲網(wǎng)格采用鍍高爾凡防腐處理，網(wǎng)面抗拉強(qiáng)度為30 kN/m。

植生型鋼絲網(wǎng)格的尺寸設(shè)計(jì)為6 m×2 m×0.23 m，網(wǎng)格尺寸為6 cm×8 cm，網(wǎng)格鋼絲直徑為2.0 mm，端鋼絲直徑為2.4 mm，邊鋼絲直徑為2.7 mm，絞邊鋼絲直徑為2.2 mm，鋼絲采用厚鍍高爾凡進(jìn)行防腐蝕處理。采用卵石或塊石進(jìn)行填充，石料要求粒徑在7～15 cm。

1.2.3 鋼絲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

植生型鋼絲網(wǎng)格護(hù)坡優(yōu)點(diǎn)包括：在草皮沒有長成之前，可以保護(hù)土地表面免遭風(fēng)雨的侵蝕和水流的沖刷；可以保持草籽均勻地分布在坡面的土層上，免受風(fēng)吹雨沖而流失；黑色網(wǎng)墊能大量吸收熱能，增加地濕、促進(jìn)種籽發(fā)芽，縮短植物生長期，加快植被的生長；植物生長起來后形成的復(fù)合保護(hù)層，可經(jīng)受高水位、大流速的沖刷(可經(jīng)受4～5 m/s的流速)。

2 施工工藝設(shè)計(jì)

植生型鋼絲網(wǎng)格的施工工藝主要包括鋼絲網(wǎng)組裝、鋼絲網(wǎng)格安裝、石料填充、填充土和草種、封蓋作業(yè)和澆水、養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)。

2.1 鋼絲網(wǎng)組裝

取出完整的鋼絲網(wǎng)，校正彎曲、變形部份。展開鋼絲網(wǎng)，提拉隔板、邊板、端板，使其與底板垂直。翻起邊板，用點(diǎn)扎的形式固定隔板與邊板以及邊板與端板。用于轉(zhuǎn)彎段的鋼絲網(wǎng)格，可通過裁剪鋼絲網(wǎng)格單元進(jìn)行套接處理。

2.2 鋼絲網(wǎng)格安裝

在符合設(shè)計(jì)要求的岸坡上放線確定出鋼絲網(wǎng)格擺放的位置。將組裝好的鋼絲網(wǎng)格按照一定的要求緊密整齊地?cái)[放在恰當(dāng)?shù)奈恢蒙?。擺放時(shí)鋼絲網(wǎng)格用于坡面防護(hù)時(shí)隔板要平行于水流方向。坡面較陡或者坡面較為光滑容易引起施工過程中鋼絲網(wǎng)格下滑的情況，建議在坡頂加木樁固定。用點(diǎn)扎的方式將相鄰鋼絲網(wǎng)格單元進(jìn)行聯(lián)接，防止各單元之間留有縫隙給后面的裝填、封閉蓋板造成不必要的麻煩。

2.3 石料填充

石料根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，可選擇卵石或塊石。石料必須從坡腳往坡頂方向進(jìn)行裝填；同時(shí)相臨隔板、邊板兩側(cè)的石料也宜同時(shí)進(jìn)行裝填。表面部分是關(guān)系到整個(gè)鋼絲網(wǎng)格護(hù)坡外觀效果的關(guān)鍵所在，宜選擇粒徑較大、表面較為光滑的石料進(jìn)行擺放，且擺放得平整、密實(shí)。

2.4 填充土和草種

石料填充完成后，在其上方填充土、肥料和草種的混合物，厚度為6 cm，考慮到沉降、石料間縫隙、密實(shí)等因素，填充厚度應(yīng)根據(jù)具體情況加大。

2.5 封蓋作業(yè)

絞合蓋子之前，檢查鋼絲網(wǎng)格是否裝填飽滿、密實(shí)，上表面是否平整；對(duì)鋼絲網(wǎng)格外輪廓進(jìn)行檢查，對(duì)一些彎曲變形、隔板上邊緣下埋、表面不平整等不符合施工要求的地方進(jìn)行校正。用一定長度的絞合鋼絲將加筋三維網(wǎng)墊蓋板與邊板、端板、隔板的上邊緣聯(lián)接在一起。絞合嚴(yán)格按照間隔10～15 cm單圈-雙圈-單圈進(jìn)行絞合，每絞合1 m長的邊緣采用1.3～1.4 m長的絞合鋼絲，且每根長鋼絲連續(xù)絞合邊緣的長度不超過1 m；相鄰鋼絲網(wǎng)格的端板或邊板上邊緣鋼絲必須與蓋板邊緣鋼絲緊密地絞合在一起。

2.6 澆水、養(yǎng)護(hù)

整個(gè)施工作業(yè)完成后，應(yīng)及時(shí)澆水灌溉，灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)間為15 d，待植被生長后，養(yǎng)護(hù)的間隔可適當(dāng)加大，但要進(jìn)行相應(yīng)的灌溉、施肥、農(nóng)藥除蟲等。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)研究

3.1 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

依托周天河段張家榨護(hù)岸工程局部區(qū)域，開展現(xiàn)場試驗(yàn)，工程平面布置主要為：在周天河段右岸張家榨一帶4 924 m岸線進(jìn)行護(hù)岸及加固，以進(jìn)一步穩(wěn)定周公堤水道過渡段的出口，使深槽離岸較近處均得到保護(hù)?，F(xiàn)場試驗(yàn)于2014年4月初開展。根據(jù)荊江河段不同的高程布置不同的耐淹能力植物品種，考慮到植生型鋼絲網(wǎng)格主要應(yīng)用于枯水平臺(tái)4 m以上，該區(qū)域較為適合灌木區(qū)域的生長，因此，本次植物品種有4種：狗牙根、枸杞、疏花水柏枝、秋華柳。具體方案為在樁號(hào)C58～C61平均分為A+4、B+4、C+4共計(jì)區(qū)域，長度分別為18 m(3個(gè)鋼絲網(wǎng)格)，分別栽種枸杞+狗牙根、疏花水柏枝+牛鞭草、秋華柳+雙穗雀稗。

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)效果分析

3.2.1 中期生長情況

于2014年6月13日對(duì)實(shí)驗(yàn)岸坡植被生長情況開展觀測，此時(shí)水位在枯水平臺(tái)上2～3 m。枸杞、疏花水柏枝、秋華柳新芽發(fā)育，全部成活，高度在5～10 cm之間，長勢(shì)良好(圖4)。

圖4 植被生長圖(2014-06) 圖5 試驗(yàn)段總體情況(2014-11)Fig.4 Photo of vegetation growth state(2014-06) Fig.5 Photo of general condition (2014-11)

3.2.2 第一次退水后生長概況

于2014年11月5日對(duì)退水后的實(shí)驗(yàn)區(qū)域植被生長情況進(jìn)行了跟蹤觀測。枸杞、疏花水柏枝、秋華柳新芽發(fā)育，根深扎于土壤，并漫生新株，高度在10 cm左右，長勢(shì)良好，成活率達(dá)90%以上。傍生的狗牙根長勢(shì)較好，但部分區(qū)域受水力沖刷，土壤流失較重，流失面積達(dá)30%～40%，植被覆蓋率相比高水位區(qū)域較低。枸杞、疏花水柏枝、秋華柳灌木在一個(gè)洪水期后，生長良好，能夠滿足生態(tài)護(hù)坡要求；但苗源分布不集中，特別是疏花水柏枝、秋華柳苗源不足，如進(jìn)一步推廣應(yīng)用，需設(shè)置培育苗源基地(圖5)。

3.2.3 一年度后生長情況

2015年5月22日，對(duì)生長一年后的實(shí)驗(yàn)區(qū)域植被生長情況進(jìn)行了跟蹤觀測?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一年生長期后，灌木區(qū)植被生長較好，灌木區(qū)有少量雙穗雀稗、狗牙根、疏花水柏枝、秋華柳、牛鞭草、稗草等成活，其中狗牙根長勢(shì)較好，但部分區(qū)域受水流沖刷，土壤流失較重，流失面積達(dá)30%～40%，植被覆蓋率相比高水位區(qū)域較低。灌木區(qū)傍生了較多當(dāng)?shù)刂脖蝗缥逶掳?、白車軸草、野紫蘇、酸漿草等。灌木區(qū)植被生長受意外因素影響較大，特別是受人為影響較大，本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)區(qū)域岸坡有放牧的情況，少量的灌木可能受到人為破壞(圖6)。

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

6-d 秋華柳(Autumn willow)6-e 牛鞭草(Hemarthria altissima)6-f 稗草(Echinochloa crusgalli)圖6 灌木區(qū)典型植被生長狀況(2015-05)Fig.6 Vegetation growth state in shrub area (2015-05)

4 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)鋼絲網(wǎng)格存在的不足，從抗水流沖擊，抗傾穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)等角度分析了鋼絲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，提出了植生型鋼絲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

(1)結(jié)構(gòu)由六邊形雙絞合金屬網(wǎng)和蓋板構(gòu)成的金屬網(wǎng)墊結(jié)構(gòu)，填充石料和土用于防止邊坡沖刷及坡體快速綠化。植生型鋼絲網(wǎng)格的邊板、端板、隔板及底板是由一張連續(xù)不裁斷的六邊形雙絞合鋼絲網(wǎng)組成，蓋板為加筋三維網(wǎng)墊。網(wǎng)格厚度為23 cm，植生型網(wǎng)格填充石料厚17 cm，填充石料后進(jìn)行土和草種的填充，可采用人工踏實(shí)，土中草籽的種類需根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選取。植生型鋼絲網(wǎng)格采用鍍高爾凡防腐處理，網(wǎng)面抗拉強(qiáng)度為30 kN/m。

(2)植生型鋼絲網(wǎng)格的尺寸設(shè)計(jì)為6 m×2 m×0.23 m，網(wǎng)格尺寸為6 cm×8 cm，網(wǎng)格鋼絲直徑為2.0 mm，端鋼絲直徑為2.4 mm，邊鋼絲直徑為2.7 mm，絞邊鋼絲直徑為2.2 mm，鋼絲采用厚鍍高爾凡進(jìn)行防腐蝕處理。采用卵石或塊石進(jìn)行填充，石料要求粒徑在7～15 cm之間。

(3)植生型鋼絲網(wǎng)格具有保護(hù)土地表面免遭風(fēng)雨的侵蝕、保持草籽均勻分布、吸收熱能、促進(jìn)種籽發(fā)芽、縮短植物生長期、植被和網(wǎng)格復(fù)合保護(hù)等特點(diǎn)。其施工工藝主要包括鋼絲網(wǎng)組裝、鋼絲網(wǎng)格安裝、石料填充、填充土和草種、封蓋作業(yè)和澆水、養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)。

(4)依托周天河段張家榨護(hù)岸工程開展現(xiàn)場試驗(yàn)，種植后中期,枸杞、疏花水柏枝、秋華柳新芽發(fā)育，全部成活，高度在5～10 cm之間，長勢(shì)良好，第一次退水期后，各類植物新芽發(fā)育，根深扎于土壤，并漫生新株，長勢(shì)良好，成活率達(dá)90%以上。一年度后，各類植物基本成活，但部分區(qū)域受水流沖刷，放牧等影響，植被生長仍受到小幅影響。