生態(tài)型護(hù)岸工程的設(shè)計要點

1、1生態(tài)型護(hù)岸工程的設(shè)計要點趙進(jìn)勇孫東亞董哲仁中國水利水電科學(xué)研究院防洪減災(zāi)所 北京100038摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展， 生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)問題日益引起人們的重視，傳統(tǒng)的河流護(hù)岸技術(shù)主要側(cè)重于工程的安全和人類的單方面需要，沒有綜合考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的整體性和健康。從生態(tài)工程的角度出發(fā)，在分析常規(guī)護(hù)岸型式對環(huán)境和生態(tài)負(fù)面影響的基礎(chǔ)上，歸納了生態(tài)型護(hù)岸工程的幾個設(shè)計要點：工程設(shè)計的原則目標(biāo)、工程實施前的調(diào)查、植物種類的選擇、反 濾層的設(shè)計、岸坡穩(wěn)定分析、及工程實施后的監(jiān)測，并對生態(tài)型護(hù)岸示范工程的實施給出了 參考性意見。關(guān)鍵詞：生態(tài)型護(hù)岸；設(shè)計要點1.概況護(hù)岸工程主要是防止水流和波浪對岸坡基土的沖蝕和淘刷，

2、可分為坡式護(hù) 岸、壩式護(hù)岸、墻式護(hù)岸以及復(fù)合形式護(hù)岸等。其中較常采用的坡式工程一般以 枯水位為界分為兩部分，枯水位以上稱作護(hù)坡工程，以下稱作護(hù)腳工程。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到河岸是河流自然生態(tài)系統(tǒng)中的一個組成部分，它形成了從河道水流環(huán)境到陸地環(huán)境的一種過渡。 選擇護(hù)岸型式及材料時應(yīng)考慮有 效性、環(huán)境因素及經(jīng)濟(jì)因素。河道不僅僅具有防洪、航運等基本功能，還應(yīng)具有 生物棲息地和人文景觀等功能。為了適應(yīng)這種需要，河道整治工程中的護(hù)岸技術(shù) 也應(yīng)由原來的以安全為單一目標(biāo)逐步向生態(tài)型護(hù)岸技術(shù)轉(zhuǎn)變。圖1工程總費用對比圖3常規(guī)護(hù)岸工程技術(shù)主要考 慮河道行洪速度、河道沖刷、 岸坡穩(wěn)定等，環(huán)境因素考慮較 少

3、，主要有拋石、漿砌或干砌 塊石，預(yù)制混凝土塊體、現(xiàn)澆 混凝土、澆注瀝青、鉸鏈混凝 土沉排以及土工模袋等型式。這些型式的護(hù)岸工程造價都相對較高， 且不能滿足生態(tài)和景觀的要求。這些硬質(zhì) 化結(jié)構(gòu)，阻礙了河岸帶生物棲息地功能的發(fā)揮， 使生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體性受到影 響，最終導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，繼而對人們的生活質(zhì)量和身心健康帶來不 利影響 2 。由于護(hù)岸形式的單一性，使河流棲息地的多樣性受到破壞，而生境多 樣性是生物群落多樣性的基礎(chǔ)，從而進(jìn)一步破壞了生物群落的多樣性， 影響河流 生態(tài)系統(tǒng)的健康 2 。同時，混凝土等硬質(zhì)化結(jié)構(gòu)的視覺效果也與人們回歸自然的 追求相違背。生態(tài)型護(hù)岸技術(shù)在滿足有效性的前提下

4、， 與常規(guī)方法相比，工程總 體投資較低（圖 1），并且能夠提供多樣性的棲息地環(huán)境，更具自然外觀和美學(xué) 意義。2生態(tài)型護(hù)岸設(shè)計的要點2.1 工程設(shè)計的原則目標(biāo) 在生態(tài)水利工程的設(shè)計中，建議遵循下列原則：工程安全性和經(jīng)濟(jì)性；提高 河流形態(tài)的空間異質(zhì)性；生態(tài)系統(tǒng)的自設(shè)計、自修復(fù)；景觀尺度及整體性；反饋 調(diào)整式設(shè)計 4 。根據(jù)護(hù)岸工程的特點，結(jié)合生態(tài)水利工程設(shè)計原則，在生態(tài)型護(hù) 岸設(shè)計中應(yīng)依照岸坡穩(wěn)定、正常行洪、表面異質(zhì)、材質(zhì)自然、內(nèi)外透水、及成本 經(jīng)濟(jì)等原則來進(jìn)行。生態(tài)型護(hù)岸設(shè)計的最終目標(biāo)應(yīng)是在滿足人類需求的前提下， 使工程結(jié)構(gòu)對河流的生態(tài)系統(tǒng)沖擊最小化， 不僅對水流的流量、流速、沖淤平衡、 環(huán)境外

5、觀等影響最小 5 ，而且要適宜于創(chuàng)造動物棲息及植物生長所需要的多樣性 生活空間。2.2 工程實施前的調(diào)查對于所提出的各種生態(tài)護(hù)岸設(shè)計方案， 在選用之前應(yīng)對工程區(qū)進(jìn)行調(diào)查，以 確定生態(tài)工程技術(shù)是否適用。建議調(diào)查以下幾個方面的問題：氣候條件，水文條 件，河勢的變化規(guī)律和趨勢，岸坡土體的物理和力學(xué)性質(zhì)，工程區(qū)關(guān)鍵物種的分 布，工程管理狀況，現(xiàn)場可用或容易取得的施工材料，有無嚴(yán)重的土質(zhì)和水質(zhì)污 染，工程施工是否會帶來新的生態(tài)問題， 以及是否需要相應(yīng)的補償措施等。水文 調(diào)查的重點之一是對當(dāng)?shù)氐恼Ｋ患白罡摺?最低水位有一個了解，掌握水位的 季節(jié)變化規(guī)律。工程管理狀況的調(diào)查內(nèi)容建議包括能否采取措施防止人

6、為或動物 破壞。調(diào)查關(guān)鍵物種時應(yīng)明確不同植物類型對河流采光的影響程度。 同時，應(yīng)與 當(dāng)?shù)丨h(huán)境部門進(jìn)行協(xié)商，尤其注意項目實施是否影響當(dāng)?shù)氐臐竦氐貐^(qū)2.3植物種類的選擇D 歷時（天）筋5 S 淹沒帶圖2河岸的植被分層7選擇合適的植物種類對于項目的成功實施非常必要。采用天然材料護(hù)岸時， 特別是通過植被措施護(hù)岸時，不同植物材料的有效性很大程度上取決于它們對于 水位和底土土 質(zhì)的適應(yīng)性。可 根據(jù)不同水位， 結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r， 將河流岸坡分 為干燥、偶然的 洪泛帶，潮濕、 季節(jié)性洪泛帶， 沿岸水位變動帶，淹沒帶等幾個區(qū)域，在不同區(qū)域選取適合的植物種類（圖 2）。一般來說， 混合使用幾種不同的植物往往比使用單一

7、植物種類更為有利 。另外，現(xiàn)場或現(xiàn) 場附近已有物種對于護(hù)岸工程中植物種類的選擇具有很好的參考作用，可在當(dāng)?shù)孛缙苑N植培育所需植物種類，但要考慮到工程施工中的時間因素。2.4反濾層的設(shè)計在生態(tài)型護(hù)岸工程中，除考慮傳統(tǒng)的技術(shù)要求外，還要兼顧生物棲息地的加 強和改善等要求，因此要引入一些新的結(jié)構(gòu)型式，以利于植被的生長發(fā)育，如石 籠、間插植被的堆石、空心混凝土塊、生態(tài)磚、魚巢磚等。如這些結(jié)構(gòu)直接作用 于土坡上，在水流和波浪的淘刷作用，下墊土層在植被完全發(fā)育之前將會受到嚴(yán) 重的侵蝕，從而使防護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，影響棲息地結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性，不利于生態(tài)系 統(tǒng)的修復(fù)。因此，在這些防護(hù)結(jié)構(gòu)下面設(shè)置土工合成材料或碎石反濾層

8、十分必要。在土工合成材料作為反濾層的生態(tài)型護(hù)岸工程中，除了對土工合成材料的保 土性、透水性、防淤堵性、及強度有所要求外9，對于土工合成材料的可栽種性 也應(yīng)有所要求，可栽種性指的是相對植物向上生長的可長穿性或植物向下扎根的 可植根性。對于土工合成材料層，其可栽種性通常與力學(xué)和水力性能要求相矛盾。 從可栽種性的角度出發(fā)，大孔徑或大網(wǎng)眼的土工材料比較適宜， 而與此相對的是 力學(xué)和水力性能要求，特別是在有粘性的細(xì)粒土壤中要求相應(yīng)的土工材料孔徑更 小。土工材料的可栽種性是由許多不同因素決定的， 它不僅與土工材料的孔隙直 徑、厚度、構(gòu)造等特性有關(guān)，而且還與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、曝露情況、降雨、土壤 濕度、養(yǎng)分含

9、量等因素相關(guān) 10 。在生態(tài)型護(hù)岸工程中最好使用可被生物分解的土 工合成材料層， 其分解后可促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成， 如黃麻、椰殼纖維、 木棉、稻草、 亞麻等天然纖維制成的材料。此外，不同的植被方式、期望使用年限、腐爛時的 分解產(chǎn)物等問題也會影響工程效果。 因此，對于所使用的土工材料， 除了進(jìn)行傳 統(tǒng)的物理性能指標(biāo)、 力學(xué)性能指標(biāo)、 水力性能指標(biāo)、 及土工材料與土相互作用性 能指標(biāo)的測試外，還應(yīng)進(jìn)行試驗以確定土工材料的可栽種性。2.5 生態(tài)型護(hù)岸工程中的岸坡穩(wěn)定分析在生態(tài)型護(hù)岸工程中， 主要措施之一是在河道岸坡上合理引入植被， 包括草 本植物及木本植物等。 利用植被加固河道岸坡的方法自古有之， 近幾

10、十年又在歐 洲、北美、亞洲等地河流生態(tài)修復(fù)工程中廣泛應(yīng)用，成為穩(wěn)定邊坡、控制侵蝕和 修復(fù)生境的重要工程手段 8 。植被的作用主要體現(xiàn)在植物根系對坡岸的穩(wěn)定作 用、對河道坡岸棲息地的改善、 減少底棲動物對坡岸的破壞、 改善人居生活環(huán)境 和質(zhì)量、降低河道坡岸造價等方面。 不過，植被可能會造成較高的水力糙率，從 而影響河道的行洪能力。 植物的莖最好具有足夠的柔性， 以防止洪水期間植被形 成的阻力會將植物連根拔起，引起岸坡局部失穩(wěn) 6 。木本植物對河道岸坡的穩(wěn)定 性既有正面作用， 也有負(fù)面影響， 但總體上對岸坡穩(wěn)定性是有利的， 其影響機理 突出表現(xiàn)在以下幾個方面：根系加固、調(diào)節(jié)土體含水量、拱柱支撐、附

11、加荷載作 用、根系楔入作用、轉(zhuǎn)動作用等，后三個方面屬于岸坡穩(wěn)定的負(fù)面影響因素。近 年已有一些針對木本植物根系在河岸防護(hù)中所起作用的研究， 并開發(fā)了相應(yīng)的穩(wěn) 定預(yù)測模型，如 GWEDGEM 11 。通過現(xiàn)場調(diào)查、照片對比等方式對岸坡狀態(tài)進(jìn)行的定性評估可以為其整體穩(wěn) 定性分析提供重要依據(jù)， 除了可對其破壞機理進(jìn)行識別外， 也可對其整體穩(wěn)定性 進(jìn)行初步判斷。對于植被型岸坡穩(wěn)定狀態(tài)的定量分析仍可基于抗剪強度和剪應(yīng)力 分析來進(jìn)行評價， 抗剪強度由土體凝聚力和摩擦作用提供。 目前，根據(jù)不同的理 論基礎(chǔ)，抗剪強度的確定方法有以下幾種 12,13，14 ： 2.5. 1 基于根系加筋原理的抗剪強度增量：將邊坡

12、土體可看作是根系 - 土體復(fù)合 結(jié)構(gòu)，根系在土中起到加筋作用。 這種方法存在以下的假設(shè)： 根系破壞的原因為根系斷裂從而以一個統(tǒng)一的抗拉強度來模擬根系拉斷、拉伸及滑動三種情況；根 據(jù)一些試驗研究成果，可以假定在發(fā)生剪切之前，根系與滑動面垂直15;根系不改變土體的內(nèi)摩擦角。2.5.2基于非飽和土理論的抗剪強度增量： 實際上，有植被生長的邊坡大部分都 在地下水位以上，屬于非飽和土坡。因此非飽和土的強度模式更符合實際情況， 非飽和土的強度模式可采用Fredl und和M orge nstern等人(1978)提出的廣義莫爾n庫倫破壞準(zhǔn)則，表示為：T=C' + (" Ua)tan 0+

13、(Ua - uw)tan©，其中：T- 土體抗剪強度(kN/m2)； c-_ 土體有效凝聚力(kN/m2)；-法向應(yīng)力(kN/m2)； Ua-I破壞面上的孔隙氣壓力；Uw-破壞面上的孔隙水壓力； 4-當(dāng)(ua - Uw)為常 數(shù)時強度隨(°-山)而變的第一有效內(nèi)摩擦角；4''-當(dāng)(°-山)為常數(shù)時強度隨 (Ua-Uw)而變的第二有效內(nèi)摩擦角。當(dāng)土體中含有根系時，根據(jù)根系加筋原理， 將會增加土體的凝聚力，則抗剪強度表達(dá)式為：Tf = c'+( a- Ua)tan M+? t+ (Ua - Uw)tan 4，其中，Tf _ 土體抗剪強度(kN/

14、m 2)；? t-由于根系加固作用而增加的抗剪強度(kN/m2)。通過公式變形，Tf =c+( Ua) tan 4，其中，c- 土體的總凝聚力，由于抗剪強度公式保持了傳 統(tǒng)形式，因而也沿用傳統(tǒng)飽和土的邊坡穩(wěn)定分析程序求解植被型岸坡穩(wěn)定問題， 如畢肖普等方法。力聚凝庫侖曲線摩爾曲線法向總應(yīng)力(T2.5. 3基于摩爾強度包線的抗剪強度 增量：前兩種理論觀點將有根系土體抗 剪強度的增加歸結(jié)為土體凝聚力的增 加，及不飽和土中基質(zhì)吸力的作用。與 之不同，有的理論認(rèn)為植被根系對于岸 坡的防護(hù)作用主要來自于兩個方面：土顆粒之間的摩擦力，這些土顆粒將剪應(yīng)圖3摩爾強度包線和庫侖強度線力從土體轉(zhuǎn)移到根系加固體系；

15、在有根系加固作用的柱狀土體和沒有根系加固的 區(qū)域之間存在拱效應(yīng)。在法向總應(yīng)力較小的范圍內(nèi)，抗剪強度的庫侖近似值和摩 爾強度包線值有很大不同，內(nèi)摩擦角也有較大變化(圖3)。因此，應(yīng)考慮土體7屬性改變引起的土體內(nèi)摩擦角的增大對土體抗剪強度的作用。另外，對于非飽和土中的基質(zhì)吸力，這種觀點認(rèn)為因基質(zhì)吸力作用而增加的凝聚力僅僅是短暫的， 可不考慮其對抗剪強度的影響。2.6工程實施后的監(jiān)測和評價生態(tài)型護(hù)岸工程建設(shè)完成后，應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測和維護(hù)，尤其在工程完成后的第一 年，以確保植被有充分的成活率，并應(yīng)提前評估干旱或洪水等惡劣天氣對工程所 產(chǎn)生的影響。制定監(jiān)測計劃應(yīng)包括明確目標(biāo)、確定監(jiān)測對象、制定監(jiān)測方案、收 集

16、數(shù)據(jù)及整理結(jié)果等幾個主要部分。某些監(jiān)測對象的可測量屬性和評估技術(shù)參見 表1 0表1監(jiān)測對象的測量屬性和評估技術(shù)監(jiān)測對象測量屬性評估技術(shù)岸坡穩(wěn)定狀態(tài)橫斷面形狀和河道平面形態(tài)橫斷面調(diào)查、航空攝影、河道深泓 線調(diào)查對上游和下游地貌的 影響橫斷面形狀和河道平面形態(tài)橫斷面調(diào)查、航空攝影、河道深泓 線調(diào)查高速水流時的情況局部流態(tài)、水流與河岸夾角、 沖刷活躍區(qū)、水流歷史（包括 洪峰重現(xiàn)期）、木頭殘骸堵塞 河道的發(fā)生情況錄像、照片、調(diào)查、水文分析魚類棲息地喂養(yǎng)型棲息地（數(shù)量/質(zhì)量）、 產(chǎn)卵棲息地（數(shù)量/質(zhì)量）河流水溫、水深和流速、遮蔽層比 例和遮蔭狀況、棲息地繪圖、魚類 和無脊椎動物類的數(shù)量估計植被覆蓋情況植

17、物存活率、植物多樣性、遮 蔽層的均勻性、鳥類和野生動 物的出現(xiàn)情況植被覆蓋比例、物種組成和密度、 大小分布、齡級/種類分布3.生態(tài)型護(hù)岸示范工程的實施生態(tài)型護(hù)岸示范工程可以幫助總結(jié)生態(tài)型護(hù)岸技術(shù)在工程應(yīng)用中的優(yōu)缺點，并可優(yōu)化類似情況下的設(shè)計和施工方案。示范工程的規(guī)模應(yīng)盡量較小，以減小工程風(fēng)險，并利于現(xiàn)場調(diào)整，可使工程現(xiàn)場長度保持在50-200米的范圍。在工程實施前應(yīng)對多種方案進(jìn)行比較，以便根據(jù)現(xiàn)場條件選擇最優(yōu)方案。生態(tài)型護(hù)岸 技術(shù)種類多樣，可根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況在設(shè)計時進(jìn)行調(diào)整，如土體生態(tài)工程技術(shù)（soil bioengineering）、生態(tài)磚/魚巢磚等構(gòu)件、石籠席、天然材料墊、土工布包裹、

18、混凝土塊、土工格室、間插枝條的拋石護(hù)岸、椰殼纖維捆、木框墻、三維土工網(wǎng) 墊等。工程實施過程中應(yīng)形成規(guī)劃、設(shè)計、施工、監(jiān)測等各方合作的機制，以根 據(jù)現(xiàn)場情況對施工細(xì)節(jié)做出適時調(diào)整，并應(yīng)根據(jù)監(jiān)測方案收集數(shù)據(jù)以對各種方案 做出合理評價。4結(jié)語隨著人們生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)意識的增強以及對自然的重新認(rèn)知，利用生態(tài)工程技 術(shù)進(jìn)行護(hù)岸已成為一種趨勢。尤其在歐美等發(fā)達(dá)國家，這方面的研究工作、工程 實踐以及管理方法取得了長足進(jìn)步。但應(yīng)注意的是，生態(tài)工程技術(shù)的應(yīng)用不應(yīng)單 純是技術(shù)問題，而是涉及到公眾意識、政府政策及管理理念等各方面的復(fù)雜問題。 并且在某些情況下，生態(tài)工程技術(shù)應(yīng)與傳統(tǒng)的護(hù)岸方式相結(jié)合才能取得預(yù)期效 果，同時

19、應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況采用某種護(hù)岸形式或某幾種護(hù)岸形式的組合方 式。此外，由于河岸帶在河流生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用17，利用生態(tài)技術(shù)進(jìn)行護(hù)岸 也是河流生態(tài)修復(fù)工程的重要組成部分，尤其在對氣候、水文、水力、河流地貌 等方面的因素對棲息地的影響不甚了解的情況下，利用生態(tài)工程技術(shù)進(jìn)行岸坡防護(hù)是河流生態(tài)修復(fù)的最直接有效方式之一。主要參考文獻(xiàn)：1、 包承剛，土工合成材料在堤防工程中的應(yīng)用，北京，中國水利水電出版社19992、 董哲仁，河流形態(tài)多樣性與生物群落多樣性，水利學(xué)報，2003，113、Coppin N.J., Richards I.G ., Use of Vegetation in Civil Eng

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