河道生態(tài)護(hù)坡技術(shù)研究現(xiàn)狀*

李凌云，野博超，劉心愿

(1.長江科學(xué)院河流研究所，湖北 武漢 430010；2.水利部長江中下游河湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010；3.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

我國早期河道護(hù)坡著重于提高岸坡的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，卻在很大程度上阻斷了水體和土壤的物質(zhì)交換，對(duì)江河生物多樣性的保護(hù)和發(fā)展是不利的，所以生態(tài)護(hù)坡應(yīng)運(yùn)而生。國外對(duì)生態(tài)護(hù)坡的研究可見于1965年德國對(duì)萊茵河的生態(tài)治理工程，我國可見于1990年赤峰市林業(yè)科學(xué)研究所對(duì)老哈河生態(tài)經(jīng)濟(jì)型護(hù)岸林的研究。我國雖然起步比較晚，但發(fā)展迅速。國外的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)多利用自然原生材料，側(cè)重于對(duì)河岸的生態(tài)恢復(fù)，國內(nèi)會(huì)統(tǒng)籌考慮岸坡的防護(hù)強(qiáng)度和生態(tài)效益，不限于使用自然原生材料。

1 國外河道生態(tài)護(hù)坡技術(shù)

歐洲一些國家將“生態(tài)護(hù)坡”稱為“水土生物工程”(soil and water bioengineering)，且不限于應(yīng)用在河道護(hù)坡。美國、巴西等將河道生態(tài)護(hù)坡稱為“土壤生物工程”(soil bioengineering)[1-2]。將國外的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)可以大致分為2類：1)單一技術(shù)形式的植生式護(hù)坡；2)幾種技術(shù)組合結(jié)構(gòu)形式的護(hù)坡。

1.1 單一技術(shù)形式的植生式護(hù)坡

1.1.1柳木樁(willow posts)

打柳木樁技術(shù)在美國密西西比中東部的哈蘭德溪(Harland Creek)護(hù)坡工程中得以應(yīng)用[3]。柳木樁排布較為密集，且可以生根發(fā)芽，樁身和后期長成的根莖、枝葉都可以減緩水流對(duì)岸坡的侵蝕，相當(dāng)于增加了岸坡的糙率。但這項(xiàng)技術(shù)實(shí)施后，柳木的成活率并不高，主要原因是蟲害以及靠近水域的柳木樁根部浸水而缺氧死亡，且工程初期易受到洪水影響，因此適用于水流平緩的小型河流。

1.1.2柳樁柵欄(willow spiling wall)

柳樁柵欄護(hù)坡技術(shù)應(yīng)用于英國東安格利亞斯圖爾河(River Stour，East Anglia)護(hù)坡[4]。它是利用粗柳枝作為樁身，將其三分之二插入土壤中，留出三分之一用長柳枝編在一起，形成一道圍欄，以防止岸坡侵蝕和崩塌(圖1)。該技術(shù)用材自然環(huán)保，活柳樁可以生根發(fā)芽，對(duì)土壤有固定作用，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，適用于水流平緩的小型河流岸坡或湖岸。

圖1 柳樁柵欄

1.1.3植物淤地壩(vegetative check dams)

植物淤地壩用于尼泊爾西瓦利克斯山(Siwaliks，Nepal)的某處山麓[5]，以減少洪水對(duì)山麓的沖刷。該植物淤地壩其實(shí)是一種寬0.6 m、高0.8 m、長4.0～16.0 m的用竹竿搭建的竹籠，竹籠內(nèi)部用沙袋或石頭填充。在淤地壩前后兩側(cè)及后方陸地上種植植物(圖2)。該技術(shù)適用于山間小型河道，其穩(wěn)固山麓、促淤和植生效果良好。

圖2 植物淤地壩

1.1.4液壓噴播(hydroseeding)

液壓噴播是一種使用液壓設(shè)備將混有植物種子的泥漿散噴在岸坡上的快速種植方式[6]。該種植方式提高了播種效率，能夠使種子均勻散布在岸坡上，但依然需要人工操作，因此坡度不宜過陡，且剛噴播的含有種子的泥漿容易被大雨沖蝕。

1.1.5國外其他常見技術(shù)

國外還有一些用于河岸防侵蝕的土壤生物工程方法[7]，其中單一技術(shù)形式的植生護(hù)坡有活性柴捆(live fascine)、活性木樁、柴席(brush mattress)、灌叢墊(brush layering)、椰殼纖維卷(coconut fiber rolls)、防侵蝕墊(erosion control blanket)等。

這些護(hù)坡技術(shù)雖然結(jié)構(gòu)較為簡單，但卻是護(hù)坡技術(shù)的基本形式，可以將這些技術(shù)結(jié)合實(shí)際工程情況組合使用。

1.2 幾種技術(shù)組合結(jié)構(gòu)形式的護(hù)坡

美國卡森河(carson river)的生態(tài)恢復(fù)工程采用加有杜松枝的活性柳條柴捆(live willow clumps with a juniper tree)、柴席、防侵蝕椰纖維織物(erosion control fabric)、灌叢墊以及拋石等護(hù)坡技術(shù)[8]。在防侵蝕椰纖維下埋有草籽，同時(shí)起到保護(hù)土壤不被沖蝕的作用。拋石會(huì)有一部分伸向河心，形成“倒刺”，類似于上挑丁壩的作用，使水流方向偏向河心，減弱水流對(duì)臨水岸坡的沖刷(圖3)。該技術(shù)適用于中、小型河流岸坡防侵蝕保護(hù)和生態(tài)修復(fù)。

圖3 卡森河生態(tài)恢復(fù)工程

Maxwald等[9]介紹一些應(yīng)用在中南美洲的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，如：應(yīng)用在厄瓜多爾拉斯馬拉維拉斯(Las Maravillas，Ecuador)河流護(hù)坡的活木垛墻(live crib wall)(圖4)，活木垛墻是由原木相互縱橫交錯(cuò)搭建的框架結(jié)構(gòu)，可在其結(jié)構(gòu)的空隙中填以土壤、巖石并植種。但采用該技術(shù)的護(hù)坡在洪水過后部分結(jié)構(gòu)被沖毀，可見其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有待提高。應(yīng)用在危地馬拉康塞普西翁(La Nueva Concepción，Guatemala)某條河流護(hù)坡的單層木枝柵(single walled crib wall)，是將長木枝成排固定在河坡上形成木柵，并在其上覆蓋一層土壤，插上活性枝條并固定，用于岸坡植被恢復(fù)(圖5)。巴西南圣克魯斯(Santa Cruz do Sul，Brazil)的某條河流護(hù)岸工程中組合使用植生拋石(vegetated riprap)、活性柵欄(living palisades)、錨固活枝和枯枝(anchoring of living and dead tree spurs)等護(hù)坡技術(shù)。其中植生拋石是將活灌木或活樹枝從石頭縫隙插進(jìn)土壤，后期植物生長的根莖和枝葉會(huì)對(duì)拋石和土壤起到一定的加固作用。

圖4 活木垛墻

圖5 單層木枝柵

2 國內(nèi)河道生態(tài)護(hù)坡技術(shù)

根據(jù)國內(nèi)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)對(duì)自然土壤的封閉程度可大致分為以下2類：1)植物護(hù)坡；2)半封閉式硬質(zhì)護(hù)坡。植物護(hù)坡主要是利用草木的根、莖、葉或結(jié)合一些加筋材料對(duì)岸坡土體進(jìn)行加固和侵蝕防護(hù)，對(duì)土壤封閉程度最低；半封閉式硬質(zhì)護(hù)坡是將硬質(zhì)材料作為發(fā)揮護(hù)坡結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主體部分，留有的空隙可以使水體和土壤進(jìn)行物質(zhì)交換，同時(shí)為動(dòng)植物提供生存空間。

2.1 植物護(hù)坡

2.1.1單純種植植物式護(hù)坡

單純的植物護(hù)坡如人工種植草木護(hù)坡、平鋪草皮護(hù)坡、液壓噴播植草護(hù)坡、客土噴播植草護(hù)坡、TBS植草護(hù)坡等。這些技術(shù)適用于水流平緩的城市小型河流的河岸生態(tài)修復(fù)和其他市政綠化。植物生長后也能對(duì)岸坡起到防侵蝕保護(hù)作用，減少水土流失。

人工種植草木護(hù)坡和平鋪草皮護(hù)坡具有施工簡單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。但人工播種和鋪設(shè)草皮都有可能被較大的水流沖走，需要定期養(yǎng)護(hù)，而且在較陡的岸坡上施工困難。

液壓或客土噴播植草護(hù)坡是對(duì)人工種植和鋪草皮護(hù)坡技術(shù)的改進(jìn)，它能用于較陡或土壤較少的岸坡，造價(jià)也低，但噴播初期強(qiáng)度低。TBS植草護(hù)坡技術(shù)的造價(jià)要比前兩種稍高，但由于基質(zhì)厚度較大，提高了初期噴播強(qiáng)度和坡面穩(wěn)定性。

2.1.2加筋式植物護(hù)坡

加筋式植物護(hù)坡技術(shù)包括新出現(xiàn)的植入型生態(tài)固灘技術(shù)[10]和十字塊壓護(hù)大網(wǎng)格土工格柵技術(shù)[11]等。

植入型生態(tài)固灘技術(shù)應(yīng)用于長江中游倒口窖心灘，效果良好。該技術(shù)是利用肥化處理的優(yōu)質(zhì)黏土對(duì)灘面的表層土壤進(jìn)行改良，再將草繩方格網(wǎng)固定在灘面上，草種植在網(wǎng)格內(nèi)，起到降低侵蝕和促淤作用。類似的還有在土壤中鋪設(shè)土工網(wǎng)、土工格柵等。該技術(shù)適用于諸如倒口窖心灘地形復(fù)雜、面積大而又多沙質(zhì)土、營養(yǎng)匱乏的灘地，主要用于生態(tài)修復(fù)。

十字塊壓護(hù)大網(wǎng)格土工格柵應(yīng)用于長江下游的狼山沙高灘防護(hù)，該高灘長有蘆葦?shù)韧λ参?。該技術(shù)是先鋪設(shè)一層耐久性較好的大網(wǎng)格土工格柵，然后將混凝土預(yù)制十字塊綁定于土工格柵上，每4個(gè)十字塊可拼接成一個(gè)38 cm2的框格，起到壓護(hù)作用。工程實(shí)施后植物生長茂盛，防護(hù)效果良好。該技術(shù)對(duì)土壤封閉程度較低，對(duì)灘地原本植物的生長影響較小，適用于對(duì)生態(tài)良好灘地的抗侵蝕保護(hù)。

2.2 半封閉式硬質(zhì)護(hù)坡

2.2.1自嵌磚式護(hù)坡

自嵌磚式護(hù)坡包括自嵌式擋土墻植生護(hù)坡[12]、聯(lián)鎖塊式護(hù)坡[13]等。該類技術(shù)的共同點(diǎn)是護(hù)坡塊體可自嵌，且磚體會(huì)留有較大的植物生長空間。

應(yīng)用在北京密云縣山區(qū)小型河道的自嵌式擋土墻是一種自嵌錨固式的重力結(jié)構(gòu)。自嵌磚彼此嵌套碼放，并由錨固棒連接，錨固棒又連接著埋在墻后土體中的土工格柵。土工格柵依靠與土體之間的摩擦力和土的抗剪力對(duì)墻體起到牽拉作用。但該技術(shù)可能會(huì)出現(xiàn)局部土工格柵斷裂導(dǎo)致?lián)跬翂Φ顾默F(xiàn)象。李永華等[14]認(rèn)為該現(xiàn)象是由于擋墻與墻后反濾層彈性模量不同，產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致土工格柵在二者交界處出現(xiàn)復(fù)合受力，極限抗拉強(qiáng)度降低而斷裂。該技術(shù)適用于防洪要求不高且岸坡較陡的小型山區(qū)河道或城市河道，且具有良好的植生效果和景觀效益。

聯(lián)鎖塊式護(hù)坡有二維和三維鋪面。二維鋪面是指聯(lián)鎖塊只在平面2個(gè)方向上進(jìn)行互嵌，且應(yīng)用較多，例如應(yīng)用于鰻魚沙右槽右河漫灘的立體網(wǎng)格生態(tài)護(hù)坡[15]等；三維鋪面除了在平面2個(gè)方向上進(jìn)行互嵌，還在豎直方向上有凸起部分，底面的凸起可嵌入土壤中，上面的凸起可起到消能減浪作用。三維鋪面會(huì)具有更好的抗滑穩(wěn)定性，但如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)太復(fù)雜，將不易制模，難以批量化生產(chǎn)。該技術(shù)適用于中、小型河道，具有一定的抗沖刷能力和穩(wěn)定性，且景觀和生態(tài)效益良好。

2.2.2網(wǎng)籠式護(hù)坡

應(yīng)用在長江中游段的生態(tài)卵石籠、網(wǎng)膜卵石排、鋼絲網(wǎng)石墊為網(wǎng)籠式護(hù)坡[16]。該種護(hù)坡技術(shù)的共同點(diǎn)是利用鋼絲網(wǎng)或者聚乙烯纖維網(wǎng)將石塊聚攏成一個(gè)整體，可防止堆石被水流沖散沖走。

生態(tài)卵石籠和網(wǎng)膜卵石排都用于水下護(hù)腳：生態(tài)卵石籠是將卵石裝入經(jīng)抗腐處理的低碳鋼絲編織的網(wǎng)箱內(nèi)，碼放在水下坡腳處；網(wǎng)膜卵石排是將卵石裝入束狀的聚乙烯纖維網(wǎng)袋中，成排放置于坡腳。鋼絲網(wǎng)石墊是將卵石裝入經(jīng)抗腐處理的低碳鋼絲編織的網(wǎng)墊內(nèi)平鋪于坡面，用于水上護(hù)坡。這些網(wǎng)籠式護(hù)坡都具有抗沖刷性能強(qiáng)、透水性好、適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，而石頭縫隙又可為一些小型水生生物提供棲息場所，可適用于水流速度較高的大型河道以及受沖刷嚴(yán)重的重點(diǎn)防護(hù)岸段。但目前經(jīng)抗腐處理的低碳鋼絲石籠或石墊，造價(jià)相對(duì)較高。

2.2.3加筋現(xiàn)澆生態(tài)混凝土式護(hù)坡

應(yīng)用在長江中游段的生態(tài)混凝土現(xiàn)澆網(wǎng)格護(hù)坡、寬縫加筋生態(tài)混凝土護(hù)坡[17]等為加筋現(xiàn)澆生態(tài)混凝土式護(hù)坡。該種護(hù)坡技術(shù)的共同點(diǎn)是將加筋C20混凝土預(yù)制件與現(xiàn)澆生態(tài)混凝土相結(jié)合。

生態(tài)混凝土現(xiàn)澆網(wǎng)格護(hù)坡主體結(jié)構(gòu)是將預(yù)制的加筋混凝土連桿縱橫交錯(cuò)布置形成大網(wǎng)格，錨定后再向網(wǎng)格內(nèi)現(xiàn)澆生態(tài)混凝土；寬縫加筋生態(tài)混凝土護(hù)坡是先將預(yù)制的加筋混凝土四方塊彼此留有寬縫放置在坡面上，并連接筋條，再向?qū)捒p內(nèi)澆筑生態(tài)混凝土，形成一個(gè)整體。該種護(hù)坡在生態(tài)性能方面依靠的是生態(tài)混凝土多孔和透水特性，且植物的生長依然需要土壤，因此在其表面或孔洞中要有土壤。優(yōu)點(diǎn)在于利用強(qiáng)度較高的混凝土預(yù)制件彌補(bǔ)了生態(tài)混凝土在力學(xué)性能上的不足，且具有良好的整體性、耐久性和抗沖性能，同樣適用于水流速度較高的大型河流護(hù)岸。現(xiàn)澆生態(tài)混凝土施工技術(shù)成熟，成本低，適合大規(guī)模建設(shè)。

2.2.4生態(tài)模袋護(hù)坡

應(yīng)用在江安河岸溫江區(qū)段[18]和上海市城市河道[19]的生態(tài)袋植草護(hù)坡均為生態(tài)模袋護(hù)坡。該類護(hù)坡的共同點(diǎn)是利用袋裝土和植物根莖提高岸坡的抗沖刷能力并對(duì)河岸進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。

生態(tài)袋植草護(hù)坡技術(shù)用途廣泛，在河道護(hù)岸中多碼放于常水位以上岸坡或擋土墻之上，碼放時(shí)需用標(biāo)準(zhǔn)扣將水平和豎直的相鄰生態(tài)袋鎖定，還可與混凝土框格梁組合使用。袋身常用高分子聚合物編織袋，裝填的植生材料可以為素土或改良后的客土，可在袋上噴播或扦插種植。植物存活后，根莖可扎進(jìn)袋中的植生材料中。應(yīng)根據(jù)植生袋所處水土條件選擇植物，靠近常水位處可選擇挺水植物，遠(yuǎn)離水面的岸坡上可選擇根系發(fā)達(dá)的旱生植物。該種護(hù)坡的優(yōu)點(diǎn)在于利用高分子聚合物編織袋為土體提供早期保護(hù)，可為植物提供較為穩(wěn)定的生長環(huán)境，具有很好的生態(tài)恢復(fù)效果和景觀效益，但工程中袋身的用材質(zhì)量難以把控，有出現(xiàn)老化破損的情況。適用于水流速度不高的城市或山區(qū)中小型河流護(hù)岸。

2.2.5人工魚巢

人工魚巢包括魚巢磚[20]、生態(tài)巢穴石[21]等。該種護(hù)坡技術(shù)的共同點(diǎn)是考慮為魚類提供繁衍和棲息的條件。

魚巢磚是一種鏤空自嵌式磚，常作為一種擋土墻應(yīng)用在城市或山區(qū)小型河流的護(hù)岸。魚巢磚中的鏤空部分可填充土壤，從而為水生植物提供生長條件，進(jìn)而為魚類提供棲息的環(huán)境。

生態(tài)巢穴石用于水下護(hù)腳，是一種四面帶孔洞的無蓋箱形大體積混凝土預(yù)制件，可替代拋石使用，內(nèi)部巢室可為魚類提供一個(gè)低流速的棲息環(huán)境[22]，但巢穴石的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性研究較少。適用于大、中型河流的水下護(hù)腳，也可碼放于枯水平臺(tái)之上。相比于傳統(tǒng)拋石具有更好的生態(tài)效益。

人工魚巢都為混凝土預(yù)制件，在設(shè)計(jì)其形狀時(shí)應(yīng)考慮制模難度，以降低成本。

3 河道生態(tài)護(hù)坡技術(shù)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

3.1 國外河道生態(tài)護(hù)坡

1)使用的材料多為自然原生型。這些自然原生材料大多可以降解或再生長，并注重利用當(dāng)?shù)貎?yōu)勢種和植物的根、莖、葉對(duì)岸坡進(jìn)行保護(hù)和生態(tài)修復(fù)，因此須注意當(dāng)?shù)氐耐寥罋夂驐l件。

2)在工程初期須及時(shí)養(yǎng)護(hù)。這些技術(shù)的關(guān)鍵是植物能夠存活，在植物生長初期較為脆弱，表層的土壤、種子或扦插的植物可能無法抵御暴雨的侵蝕，如果土壤、植株被沖走，需要及時(shí)維護(hù)。

3)抗沖刷強(qiáng)度小，耐久性較弱。植物護(hù)坡的抗沖刷強(qiáng)度不高，一些木質(zhì)材料在長期潮濕的環(huán)境下會(huì)腐爛，從而降低工程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性。所以這些技術(shù)多用于流速不高的小型河流或溪流，也包括一些路堤和山坡。

3.2 國內(nèi)河道生態(tài)護(hù)坡

1)技術(shù)形式多樣。國內(nèi)的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)涵蓋護(hù)灘、水下護(hù)腳、水上護(hù)坡等多種應(yīng)用形式，且使用材料多樣，應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意材料特性。

2)在工程初期即可對(duì)岸坡起到保護(hù)作用。這些技術(shù)由于結(jié)合了一定的硬質(zhì)材料，例如鋼絲網(wǎng)石墊、自嵌磚、生態(tài)混凝土等，在植物生長之前即可對(duì)岸坡起到一定程度的保護(hù)作用，但一些技術(shù)會(huì)出現(xiàn)植生效果差的問題。

3)有預(yù)制件類的護(hù)坡技術(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意制模、脫模工藝難度。例如自嵌磚式護(hù)坡和人工魚巢類護(hù)坡，礙于目前的制模和脫模技術(shù)，其結(jié)構(gòu)形式不宜設(shè)計(jì)太復(fù)雜。

4 結(jié)論

1)河道的受沖刷岸段需要硬化措施來保護(hù)和修復(fù)。由于植被的抗水流侵蝕能力有限，要想使岸坡有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性來抵抗水流侵蝕，在不采取丁壩、潛壩等更改水流方向、促淤減浪等工程措施的情況下，需要對(duì)岸坡進(jìn)行硬化來提高其強(qiáng)度，但同時(shí)須提供動(dòng)植物及微生物的生存條件。

2)河道生態(tài)護(hù)坡要結(jié)合實(shí)際情況。硬化措施對(duì)岸坡起到的防護(hù)作用和留予動(dòng)植物及微生物生存條件的生態(tài)作用是一種矛盾關(guān)系，要根據(jù)具體河段的防洪、航運(yùn)、生態(tài)等方面的要求調(diào)節(jié)二者之間的關(guān)系，要結(jié)合具體河流的水流條件、岸坡的不同位置、河道治理的需求選擇合適的護(hù)坡技術(shù)。

3)硬質(zhì)材料、土壤、生物更好的結(jié)合方式有待進(jìn)一步研究。例如現(xiàn)澆生態(tài)混凝土類護(hù)坡其上鋪設(shè)的一層土壤存在容易被沖刷、植物的根系扎不深等問題。另外，不同品種的沉水植物、挺水植物等根系的固土作用也需進(jìn)一步研究。

4)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，生態(tài)護(hù)坡應(yīng)在兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)朝著對(duì)自然環(huán)境更親近、更有利于河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)的方向發(fā)展。