生态护坡工程是能与自然融为一体,并体现人与自然和谐相处的一种河岸护坡技术。生态护坡以安全、经济为前提,以满足社会、资源、环境可持续发展和多功能为目的,逐步形成水草茂盛、河水清澈、具有多种多样生物物种相互依存并有自我净化的护坡生态系统。
1933年德国水利专家Seifert首次提出“亲河整治”概念;1982年Gray和Leiser提出了生态岸坡工程的设计原则和技术方法;1936年美国Kraebel将生态护坡技术应用在洛杉矶Crest高速公路护坡工程中,德国采用柳树和芦苇在莱茵河两岸进行了生物护坡试验。20世纪60年代初Schulueter提出河流生态化治理首先要满足人们对河流利用的需求,并且要保护河流生物多样性。1980年,德国的生物护坡法被瑞士州河川保护局建设部的Christian GEldi进一步发展、丰富为“自然型河流护坡生态修复技术”,将混凝土护坡改修成芦苇和自然石护坡,为鱼类、两栖类生物提供栖息的空间,将渠化的河道改为蛇形弯曲、深潭和浅滩相间的河道,让河流恢复到自然状态。1983年Bidner指出河道治理过程中首先要考虑河道的地质地貌特点、河流的自然特性和水力学特性,以减少河道整治对生态系统之间的相互影响。1985年Holzmann把河岸植被视为一种包含多种小生态环境的复杂生态结构,强调维持生态多样性在生态恢复的重要性,注重工程建筑与自然景观的和谐性。Rossoll认为亲近自然的治河思想最先要考虑保持河流生态系统内部生物的生产力。到了1989年Pabst则强调小河流是自然特性不应该人为过多地去保护,应该靠它自身的恢复力。1999年9月美国东北部遭遇弗洛伊德飓风袭击,处在美国东北部的拉里单河洪水位达到200年以来最高限,1995年在此修筑的生态护坡经受一次严峻的考验,结果表明生态护坡几乎完好无损,发挥了设计要求的功能。20世纪90年代日本在全国范围内推行“创造多自然河川计划”,并在1995年修改了《河川法》,将改善河流环境作为河流管理的目标之一,把生态型护坡技术应用于河道建设中,并在这方面进行了实践推出了植被型生态混凝土。日本利用此生态护坡工程方法治理河道,取得了理想的生态效果。
目前,在美国以及欧洲一些国家较为常用的技术是土壤生物工程(soil-bioengineering)护岸技术。该项技术是从最原始的柴捆防护措施发展而来的,经过多年的研究,现已形成一套完整的设计和施工方法,并得到了广泛应用。土壤生物工程护岸技术的原理是利用植物对气候、水文、土坡等的作用来保持岸坡稳定,其主要作用包括降雨截留、径流延滞、土坡增渗、土层固结、根系土壤的增强、土壤湿度调节、土体支撑、负重和风力传递作用等。常用土壤生物护岸技术主要包含如下几方面:
(1)土壤保持技术。它通过植物对坡面的有效覆盖,使其免受表面侵蚀和土壤退化,从而起到土壤保持的作用。主要包括草皮移植、草播种、乔灌树种直播、侵蚀控制网和活枝灌丛席。
(2)地表加固技术。它通过植物根系降低土壤孔隙水压来加固土层和提高抗滑力。主要包括灌丛席、灌丛层、原木式椰子、根系填塞、活性淤泥植物、草卷、活枝扦插、枝条篱墙、活枝柴捆、排水式活枝柴捆、垄沟式种植、压枝和枝干篱墙等。
(3)生物—工程综合保护技术。它通过植物与石块、水泥、钢筋、塑料和木材等相互搭配,稳固和加强河岸,提高它们的防护使用年限。主要技术包括:绿化干砌石墙、渗透式植被边、绿化网箱、绿化土工织物固土结构、绿化栅栏、活性栅栏等。
上述技术在欧美国家已得到广泛运用,如美国伊利诺伊州的鸦河流域的保护、美国阿拉斯加州Kenai河护岸、加拿大Jacques Cartier公园中河岸保护地区国家公园自然环境恢复项目、美国新泽西州加勒比地区的圣拉西亚岛西海岸公路建设项目、英国约克郡戴尔斯三峰雷里坦河保护工程。
我国开展生态护坡整治比较晚,但发展迅速,近几年来进行了很多生态工程技术的研究和实践工作。如北京凉水河人民渠段护坡生态治理,经过细致的规划和设计,生态恢复效果显著。上海市对苏州河进行生态治理,逐渐完善水利环境生态建设,使河道焕然一新,河水清澈,河岸青青,景色宜人。成都市政府通过建设人工湿地、生态护坡、生态河床等,成功地重建了成都府南河生态系统。绍兴市环城河综合整治工程,通过清淤疏浚、生态护坡、控制污染、绿化建设,将河道治理成集防洪、航运、休闲娱乐多功能于一体的生态河流。天津市水利科学研究所以植被生物学特性、生长发育规律为指导,以生态混凝土理论为基础,为解决河道整治中传统片面地追求河岸的硬化覆盖、忽略河流的资源功能和生态功能、破坏自然河流生态链的矛盾,推动传统水利向环境水利和大都市水利的转变。
在生态护坡理论研究上,吸收国外河道整治和其他领域生态护坡研究成果的基础上也取得了长足的发展。卢志灵根据上海市河道的具体特点,讨论了生态型护坡的结构型式;季永兴等综合分析了原有河道护坡结构及其对环境水利和生态水利的影响,并在吸取国内外有关河道整治和其他领域生态护坡经验的基础上,探讨了不同材料的生态护坡结构新方法。在引滦入唐工程中,陈海波等提出网格反滤生物组合护坡技术;胡海泓等人在广西漓江治理工程中提出了石笼挡墙、网笼垫块护坡、复合植被护坡等生态型护岸技术;另外,云南地理所周跃提出了“坡面生态工程”技术;俞孔坚等提出水位多变情况下的亲水生态护岸设计。下面介绍几种国内常用的生态型护坡技术。
发达根系植物固土护坡技术,既可以达到固土保土,防止水土流失,又可以满足生态环境的需要,还可进行景观造景。目前,国内很多河流治理及高速公路边坡防护建设中都使用了这一技术,如在吉林省西部嫩江流域治理工程中,吉林省水土保持科学研究所许晓鸿等选择出牛毛草、早熟禾、翦股颖等8种乡土草本植物作为当地的护坡植物,河柳等灌木为迎水坡脚防浪林的植物。这一技术主要是利用植物地上部分形成堤防迎水坡面软覆盖,减少坡面的裸露面积和外营力与坡面土壤的直接接触面积,起到护坡作用,利用植物根系与坡面土壤的结合,改善土壤结构,增加坡面表层土壤团粒体,提高坡面表层的抗剪强度,有效地提高了迎水坡面的抗蚀性,大大减少了坡面土壤损失,不仅其护坡效果显著,且投资仅为工程护坡的10.9%~22.1%,在取得了良好的经济效益的同时,其社会效益和生态效益也很明显。但此类做法对当地土质、自然气候及植物品种具有较高的要求,推广具有一定的局限性。
铁丝网与碎石复合种植主要由镀锌或喷塑铁丝网笼装碎石、肥料及种植土组成。镀锌铁丝网笼容易锈蚀,在河道护坡方面一般不宜选用,而应选用耐锈蚀的喷塑铁丝网笼。铁丝网与碎石复合种植一个最大的优点就是它比较适合于流速大的河道,抗冲刷能力强、整体性好、适应地基变形能力强,避免了预制的混凝土块体护坡的整体性差和现浇混凝土护坡与模袋混凝土护坡适应地基变形能力差的弱点,同时又能满足生态型护坡的要求,即使进行全断面护砌,生物与微生物都能照样生存。国外在这方面已有一定的工程实例。铁丝网笼可以做成不同形状,既可以用作护坡,又可以做成砌体挡土墙。但此类做法对于材料和施工水平的要求比较高,施工中对工人的技术要求较高,施工前需要对施工人员进行培训。
三维植被网技术以往多见于山坡及高速公路边坡的防护中,这一技术现在也开始被用于河道岸坡的防护上。它主要是指利用活性植物并结合土工合成材料等工程材料,在坡面构建一个具有自身生长能力的防护系统,通过植物的生长对边坡进行加固的一门新技术,根据边坡地形地貌、土质和区域气候的特点,在边坡表面覆盖一层土工合成材料并按一定的组合与间距种植多种植物,通过植物的生长活动达到根系加筋、茎叶防冲蚀的目的,可在坡面形成茂密的植被覆盖,在表土层形成盘根错节的根系,有效抑制暴雨径流对边坡的侵蚀,增加土体的抗剪强度,减小孔隙水压力和土体自重力,从而大幅度提高边坡的稳定性和抗冲刷能力。
三维植被网护坡技术综合了土工网和植物护坡的优点,起到了复合护坡的作用。边坡的植被覆盖率达到30%以上时,能承受小雨的冲刷,覆盖率达80%以上时能承受暴雨的冲刷。待植物生长茂盛时,能抵抗冲刷的径流流速达6m/s,为一般草皮的2倍多。土工网的存在,对减少边坡土坡的水分蒸发,增加入渗量有良好的作用。同时,由于土工网材料为黑色的聚乙烯,具有吸热保温的作用,可促进种子发芽,有利于植物生长。