生態護坡技術分析論文
生態護坡技術分析論文
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1概述
太浦河泵站位於江蘇省吳江市太浦閘南側，西距東太湖約2km，其修建目的主要是在枯水年份4~10月太湖水位較低時，透過太浦河泵站抽引太湖水，經由太浦河補充黃浦江上游水量，滿足上海市的供水要求，改善水質。工程規模為I等大（1）型，設計流量300m3/s。
太浦河泵站的進、出水渠為新開河道，由西向東佈置於太浦河的南側，其直線段與太浦河中心線平行，兩者中心線相距200m。進、出水渠全長890.13m，為梯形明渠，渠道邊坡1∶3，渠底高程分別為-2.50和-1.80m，渠頂高程分別為7.00和6.00m。進水渠堤在高程3.5m處設定寬5m的馬道。出水渠馬道寬3m，高程為3.20m。
為了體現環境水利的理念，美化泵站環境，由太浦河泵站建設指揮部牽頭，水利部上海勘測設計研究院（下簡稱上海院）與日本衝谷實業（深圳）有限公司就有關生態護坡的方案進行了討論和研究，並於20xx年10月在工地現場進行了現場試驗。
2生態護坡應用現狀
2.1生態護坡的發展趨勢
從20世紀80年代後期開始，地球環境及保護問題在各個方面為人們所重視，同時對關係到自然環境變化的生物多樣性下降問題也開始引起人們的擔心。尤其是人口密集的城市，人們越來越關注與己休慼相關的環境問題，因此，人們開始建造公園、公共綠地等來改善環境，同時在充分發揮公園、公共綠地原有功能的基礎上，也開始把它們作為保護生物多樣性及直接與生物相連的場地，而這些場地作為地球生態系的重要構成因素所發揮的作用也開始越來越受到人們的重視。
多自然型河流建設方法是目前國際上比較流行的一種河道環境綜和整治的新方法，它把水邊作為多種生物生息空間的核心，並把河流建設成儘量接近於自然的狀態。在建設多自然型河流中，重點是努力創造出具有豐富自然的並具有魅力水邊環境。在河道整治的各種方法中，應從生態學的觀點出發，應優先採用生物材料法，其次採用混合方法，即採用植物與木材或石料合用，最後才考慮剛性材料方法，即採用木材、石料和混凝土。
日本是生態設計用於水利工程較好的國家，其對河道生態設計的原則主要有以下五個方面：
（1）治水：主要透過修建護岸來實現；
（2）自然環境、生態系統的設定：主要透過水邊綠化、設定生物的生長區域和水質保護等實現；
（3）水邊景觀的設計：透過設定建築物來保證與周圍環境的和諧以及保證水邊景觀的連續性、自然性；
（4）親水空間的設計：透過水邊的臺階、纜繩、綠地等設施來實現；
（5）迴圈型空間的設計，：用木材、石頭、砂子等天然材料的多孔性構造，控制廢料的產生，儘量避免未來發生的處理問題及二次性環境汙染問題。
2.2國內河道護坡現狀
傳統的河道護坡結構往往只片面強調河道的防洪、引水、排澇、蓄水和航運等功能，較少地考慮河道的生態或環境功能，因此河道的護坡結構多數採用漿砌塊石或混凝土等剛性硬質材料，甚至有的地方追求所謂的“高標準”河道，對河道採用全斷面剛性材料襯砌，使河道的環境條件模式化，並使生物種類單一化，由此帶來的環境問題是很嚴重的。
隨著國家綜合國力的增強和人民生活水平的提高，我國也開始越來越重視環境保護問題。我國國民經濟和社會發展第十個五年計劃中提出，必須重視生態建設和環境保護，加強自然保護區和生態示範區建設，保護陸地和海洋生物的多樣性。人們在越來越注重城市環境和保護生物多樣性的同時，也開始注重水利工程的環境問題，在有些堤防和護岸的結構設計中開始注入環境水利的設計理念，如有些堤防護坡採用草皮，依靠草皮良好的根系而使護坡具有一定的固土和抗衝能力，另外在水土保持工程、防止坡地雨水沖蝕等方面也有一些應用。但總體來說，生態護坡在水利工程中的應用尚處於試驗和研究階段。
3生態護坡方案的可行性
生態護坡能依靠植物良好的根系而使護坡具有一定的固土和抗衝能力，同時生態護坡具有造價低、能美化環境的獨特效果，在國外已得到了廣泛的應用，在國內也有一些應用。
茂漁川工程位於日本北海道惠庭市，是由日本衝谷實業有限公司1990年設計的，該工程的護坡結構同太浦河泵站進、出水渠（水生植物種植區域），種植的植物為千屈菜、黃昌蒲、千歲梅花藻和豆牟菜。該工程河流的正常流速為0.4m/s～1m/s，洪水時河流的流速達3m/s。工程執行至今已有近12年，固土和抗衝能力效果良好，且美化了環境。由於利用石頭、砂子等天然材料的多孔性構造，透過水邊綠化、設定生物的生長區域，保護了生物多樣性，避免了材料的二次性環境汙染問題，同時利用水生植物對水體自淨能力，使水質得以改善。
衛運河生態護坡試驗段工程位於衛運河祝屯閘下險工段內，長170m，是海河水利委員會利用土工織物與生物工程措施相結合的護岸工程試驗研究段。試驗段灘頂高程28.30m，河底高程18.63m，在高程24.00m處設寬1m的馬道。馬道以上的設計邊坡為1:2.5，採用深栽柳護坡，柳樹縱橫株距均為1.5m，柳間栽爬根草；馬道以下的設計邊坡為1:2，採用土工織物排體護坡、護基，排體上面用混凝土預製塊組成框格壓載，在框格內填土、深栽柳，柳樹縱橫株距均為1.5m，柳間栽爬根草，其生態護坡剖面圖見圖1。該工程於1987年5月完工，經過兩個汛期400m3/s流量的考驗，目前框格內的草皮茂盛，且生長茂盛，柳樹的成活率95%以上，護坡效果良好。
從以上國內外兩個成功的工程例項可以看出，只要太浦河泵站的生態護坡結構設計和植物選擇得當，生態護坡方案在太浦河泵站工程中是可行的。
圖1衛運河生態護坡剖面圖
4生態護坡試驗與研究
4.1設計要點
太浦河泵站進、出水渠道除具有一般河道所具有的防洪、引排水和航運等功能外，它還具備與泵站有關的一些特點：太浦河泵站進出水渠為新開河道，進水渠為1級堤防，護坡應具備固土、抗衝能力，穩定要求較高；進、出水渠的地質條件不太理想，在堤底附近有一層較深厚的、呈流塑狀的淤泥質粉質粘土，而堤頂與堤底高差最大達9.5m（進水渠）；泵房的.施工期較長（達18個月），地下水位又較高，給施工期的進、出水渠的穩定帶來威脅（渠道中無水）。根據國內外生態護坡的成功經驗，結合泵站進、出水渠的特點，生態護坡的設計原則如下：
（1）生態護坡應滿足渠道功能和堤防的穩定要求，並降低工程造價；
（2）儘量減少剛性結構，增強護坡在視覺中“軟效果”，美化工程環境；
（3）進行水文分析，確定水位變幅範圍，結合植物調查結果，選擇合適的植物；
（4）應設定多孔性構造，為生物提供一個安全的生長空間；
（5）儘量採用自然的材料，避免二次環境汙染；
（6）佈置時考慮人們的親水要求。
4.2栽種植物的選擇
在栽種植物以前，應首先進行工程區域的植被調查，然後根據植被調查結果，充分考慮到栽種植物與周邊環境的協調、景觀、安全性、地域適應性及生態平衡的問題，並按以下條件進行嚴格的選擇：
（1）適合氣候、氣象條件的樹種；
（2）土壤要求低；
（3）原有品種；
（4）抗病蟲害能力強，對周圍環境的危害性小；
（5）壽命或者效果發揮時間長；
（6）具有能夠美化環景的效果；
（7）容易維護管理；
（8）具有市場性。
在現場選擇完全滿足上述條件的植物是困難的，但可選擇適合於河畔生長的和具有適合工程實際和生長能力的植物。在充分調查太浦河兩岸及蘇州地區現有植被的基礎上，經過認真論證，在水位變化區採用水生植物護坡，水生植物初選太浦河兩岸常見的千屈菜、香蒲和黃昌蒲，馬道以上噴植草坪護坡。
4.3生態護坡設計
根據渠道水位的變化範圍，在渠道的不同坡段選用合適的植物，是生態護坡設計的一項重要內容。太浦河泵站工程的主要功能是在枯水年份向上海供水，其進出水渠生態護坡的設定高程應以不影響進出水渠的過水能力為前提，同時儘量確保硬性護坡的淹沒時間最長，以提高工程的環境效益。
太浦河泵站進水池的設計執行水位為1.90m，此時進水渠入口水位為2.10m，考慮以高程1.90m作為分界，即進水渠高程-2.50m（渠底）至1.90m仍維持原漿砌塊石護坡結構，高程1.90m以上至堤頂採用生態護坡。其中，高程1.90m至馬道高程（包括馬道）部分採用幹砌塊石加水生植物護坡，馬道以上部分採用草皮護坡；泵站出水渠的最低執行水位為2.66m，設計水位為3.29m，最高執行水位為3.34m，根據有關文獻介紹，國內3級堤防的臨水側均可採用草皮護坡，為確保邊坡的抗衝穩定，考慮進、出水渠生態護坡景觀的連續性，以高程2.60m作為分界，出水渠高程-1.80m（渠底）至2.60m仍採用原漿砌塊石護坡結構，高程2.60m（包括馬道）以上至堤頂採用生態護坡。其中，高程2.60m至馬道高程（包括馬道）部分採用幹砌塊石加水生植物護坡，馬道以上部分採用草皮護坡。
生態護坡結構除滿足泵站正常執行期的穩定要求和固土抗衝要求外，還應滿足進、出水渠施工期的穩定要求，尤其是護坡的施工期滲透穩定。由於目前國內對生態護坡在工程中的應用尚處於試驗與研究階段，因此在生態護坡結構的設計中，參考了前述的日本茂漁川工程的護坡結構：在水生植物的種植區域護坡採用幹砌塊石加水生植物，具體做法是面層採用厚35cm的幹砌塊石，幹砌塊石下鋪厚10cm的碎石墊層，在碎石與土坡的交接處鋪設麻布一層，以形成反濾，確保施工期護坡的滲透穩定，；在面層幹砌塊石之間的縫隙內用土回灌後再種植水生植物（見圖3）。草坪噴植的方法與國內常見的三維網墊法不同，它利用一種專用機械用一定的壓力將草籽、粘結劑、養料和水的混合物噴灑在的護坡土表面，這種方法與三維網墊法相比，草坪更容易生長，且具有施工快、固土效果好、造價低等優點。
4.4生態護坡的穩定
進、出水渠護坡必須滿足穩定的要求。穩定一般包括邊坡的圓弧抗滑穩定、滲透穩定和抗沖刷穩定。
進、出水渠道的底寬是根據泵站設計流量的條件下，經技術經濟比較並結合了水工模型試驗的結果綜合確定的，同時渠道應滿足不衝、不淤流速的要求；進、出水渠馬道的寬度和高程的設定以及邊坡坡比，是根據堤防的抗滑穩定結合施工條件綜合確定的。對泵站的進、出水渠護坡，原護坡採用漿砌塊石結構，現部分改用生態護坡，經對邊坡抗滑穩定計算分析，即在不改變原護坡的坡比和尺寸的前提下，生態護坡的邊坡抗滑穩定仍能滿足規範要求。
護坡的抗沖刷穩定也是護坡設計的一項重要內容。根據英國建築工業研究與情報協會原型試驗結果以及英國奈特龍公司的資料（圖2），一般草皮的的抗沖刷的極限流速大於1m/s，而太浦河泵站的進、出水渠在設計水位情況下，最大流量300m3/s時渠道流速分別為0.82m/s、0.69m/s，均小於1m/s。又如前述的日本的茂漁川工程的例項，其護坡結構和選用的植物與太浦河泵站進、出水渠相似，洪水時河流的流速雖然高達3m/s，但生態護坡的固土抗衝效果良好。綜上所述太浦河泵站生態護坡的抗沖刷穩定是能保證的。
4.5現場試驗
為進一步驗證生態護坡結構方案的可行性以及所選植物對太浦河泵站現場的適應性，在泵站工地進行了現場試驗。試驗段選擇泵站下游亭子港堵壩臨太浦河側，邊坡的坡比以及護坡的結構設計完全模擬出水渠，也就是說在水位變化區域採用幹砌塊石加水生植物，植物選用千屈菜和香蒲，水位變化區域以上採用草坪噴植（見圖3），試驗的面積為120m2。20xx年10月14日進行水生植物種植和草皮噴植，10月16日、19日、24日和31日進行了四次人工灑水養護，10月31日拆除部分施工圍堰以引入太浦河水，保持圍堰內外水位的動態平衡。10月下旬，草坪噴植部分草籽開始發芽，11月上旬，水生植物部分長出新芽。隨著氣溫的下降，從11月底起，水生植物逐漸枯萎，但草坪部分仍保持綠色。隨著春天的來臨，水生植物日漸發芽，成活率在95%以上。至20xx年5月底6月初水生植物和草坪均基本長成，紅花綠草，護坡工程很好地融入了周邊的自然環境，試驗段生態護坡的景觀效應已初見成效。
從現場試驗的情況看，水生植物選用千屈菜和香蒲（或黃昌蒲，兩者習性相仿）以及噴植的草坪是能適應現場實際條件的，均能成活，生態護坡的結構是合適的，能滿足護坡的穩定要求。由於千屈菜和香蒲/黃昌蒲是屬於不耐寒的草本植物，因此在冬季基本枯萎，對工程的美觀性有所降低，但天氣轉暖後，植物又會發芽。冬季水生植物雖然枯萎，但其良好的根系仍然起到固土和具有抗衝能力。
圖3太浦河泵站生態護坡試驗段護坡結構剖面圖
4.6技術經濟比較
對生態護坡部分進行生態護坡方案和漿砌塊石護坡方案的投資比較，經投資估算，本工程進出水渠邊坡採用生態護坡方案的工程投資約213萬元，採用漿砌塊石護坡方案投資約353萬元，生態護坡方案可節約投資約140萬元。
綜上所述，生態護坡具有以下優點：
（1）克服了原漿砌塊石護坡的呆板和生硬，使工程與自然統一；
（2）利用不同季節的植物的形狀和顏色，可大大改善工程環境；
（3）避免採用非自然的材料，避免了二次環境汙染；
（4）生態護坡滿足了人們的親水要求；
（5）因設定了多孔性構造，對生物的生長和水質起到了保護作用；
（6）工程造價相對較低。
從工程維護角度分析，漿砌塊石護坡具有一次性投資、維護少等優點，但生態護坡一般在栽種後的一年內要進行一定補栽（一般為10%左右），在植物成活前要進行一定的養護，而後，植物主要是依靠自然的力量進行自然更新，通常情況下無需維護，所以維護工作量也不大。因此，尤其是人們越來越重視生態環境的今天，生態護坡在水利工程中具有廣闊的應用前景。
5結語
太浦河泵站工程在護坡結構最佳化設計方面作了積極的嘗試，引進了國外較為流行的生態護坡技術，有效地改善了泵站的環境效應。其以人為本、環境水利的設計理念和生態護坡的設計原則以及試驗研究成果，可以作為今後類似工程的設計提供借鑑。
參考文獻
[1]太浦河泵站初步設計修改報告·20xx年6月（水利部上海勘測設計研究院）
[2]太浦河泵站工程進出水渠護坡結構最佳化設計報告·20xx年1月（水利部上海勘測設計研究院上海市水利工程設計研究院）
[3]太浦河護岸諮詢設計報告書·20xx年6月（衝谷實業（深圳）有限公司）
[4]包承綱·堤防工程土工合成材料應用技術·中國水利水電出版社
[5]衛明·城市水環境建設中若干問題的探討·上海水務·20xx；4
[6]衛明·恢復城市水環境的自然生態