寒冷地區堤防岸坡生態修復技術研究與應用

韓 雷，狄高健

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

北方寒冷地區有著獨特的氣候條件，護岸結構比非寒冷地區有著更加復雜的受力環境，在凍脹、融沉、靜冰壓力等因素影響下，許多傳統的護岸結構被破壞，急需能夠解決上述問題同時又兼顧生態效應的新型護岸結構。在我國南方溫暖地區適用的結構型式，在我國北方寒冷地區不一定適用，這就需要探討寒冷地區的環境特點，找到適合的生態護岸結構并對應用中的關鍵技術開展研究。項目組開展了生態型護岸技術在寒區應用的相關研究工作，研究成果有針對性地探索了這些問題，并率先把這些生態護岸結構型式在寒冷地區進行應用和示范。

1 生態護岸結構寒區適用性研究

1.1 幾種典型寒區生態護岸結構型式

針對寒冷地區的特殊環境，綜合國內外的成功經驗或失敗教訓，集成了兩種生態護岸結構，即：格賓結構護坡、鉸鏈式護坡。

1.1.1 格賓結構護坡

格賓產品技術起源于意大利，又稱鍍鋅低碳鋼絲編織六角網，是采用高強度的鍍鋅低碳鋼絲，由機械編織成的雙絞六角形鋼絲網，采用雙扭結網目(見圖1)，即使局部斷裂也不影響整體穩定[1]。鋼絲外面可以覆抗老化的PVC膜，保護鋼絲，增加網箱的工程壽命。根據鍍鋅量的不同，格賓產品的壽命為10～100 a。格賓網可以做成箱體，內部填充塊石等材料，作為建筑構件使用。通常箱體厚度小于50 cm的稱為格賓網墊(或雷諾護墊)，厚度大于50 cm的稱為格賓網箱[1]。格賓產品在國外已經使用了幾十年，近些年由馬克菲爾公司引入中國，格賓網箱構件示意圖見圖2。

圖1 格賓網箱(網墊)網面示意圖

圖2 格賓網箱(網墊)構件示意圖

格賓產品結構類型有格賓網箱擋墻結構、格賓網墊護坡結構、加筋格賓擋墻結構、格賓網箱固腳結構、格賓網落石防護結構，以及公路加筋網結構等。格賓產品目前在國外已經廣泛應用于水利、航道、橋梁、港口、涵洞、公路，以及鐵路等領域。格賓產品在水利工程中可以用作江河、湖泊、水庫、渠道等的護岸、護坡，也可以用作山體掛網防護、山區水土保持及泥石流治理等。

格賓網箱或格賓網墊中的填充材料，根據當地材料的不同而不同，在石料豐富的山區，一般填充河卵石或塊石；在缺乏石料的平原地區可以襯土工布后填充土壤；在城市也可以用建筑垃圾填充。由于就地取材，材料價格低廉，因此可以有效降低工程造價。

格賓結構有著工程造價低、施工簡單、結構穩定、貼近自然、工期靈活等諸多優點。雖然該結構引入中國時間較短，但推廣應用的前景十分廣闊。尤其在我國北方寒冷地區，傳統的硬質護岸結構有著諸多的不適應性，可以嘗試著用格賓結構代替。

1.1.2 鉸鏈式護坡

鉸鏈式護坡技術是一種連鎖型預制高強混凝土塊鋪面技術，用于防止由于沖刷引起的土壤流失[2]，該技術由美國舒布洛克公司引進我國。黑龍江省水利科學研究院與水利部科技推廣中心、江蘇優凝舒布洛克公司合作開展了該技術的引進、研究和推廣工作，并且在江蘇省等地推廣應用，取得了良好的經濟效益、社會效益和環境效益。

這種護坡是由一組尺寸、形狀和重量一致的預制混凝土塊用一系列繩索相互連接而形成的連鎖型矩陣。鉸鏈式護坡塊有兩種主要類型：中間開孔式和中間封閉式，兩種類型的混凝土塊都有不同的尺寸和厚度以適應各種水流情況[3]。鉸接塊示意圖見圖3。壓實整平的土基上面鋪好符合土質要求的反濾土工布或用于防滲的復合土工膜后便可鋪設連鎖混凝土塊。鉸鏈式護坡塊保留了傳統柔性護坡系統的滲水、柔性、能植草并改善生態環境等優點，和傳統剛性護坡系統的防沖刷、穩定等優點。

圖3 鉸接塊示意圖(單位：mm)

混凝土鉸接塊的連接繩可采用鋼絞線或聚乙烯繩索，連接繩索具有不需預留孔道、不必灌漿、施工簡便、節省材料、隨便彎曲等特征。能夠很好地將混凝土鉸接塊連接為一個整體，使混凝土鉸接塊形成整體柔性結構。

用繩索連接各獨立塊，在一定程度上可以提高鋪面系統的整體穩定性。通常在鉸接塊護坡系統設計時不考慮繩索的影響，以單塊穩定為設計依據，所以萬一繩索出現問題不會影響系統的工作性能。在運輸時，可以用連接繩索將鉸接塊連接成整體，便于運輸。在施工時，繩索的主要作用是提高施工精度，保證各獨立塊位置的正確性，防止出現由于個別塊的移走而引起整體系統不穩定，并幫助實現機械化施工[4]。

1.2 寒區生態護岸關鍵技術研究

1.2.1 格賓網墊防護結構凍脹適應性凍土力學模型試驗

(1) 格賓網墊。格賓網箱構件示意圖見圖2。

(2)試驗目的。通過凍土力學模型試驗，探討格賓網墊結構在不利工況條件下適應基土凍脹變形的能力，為現場試驗提供理論依據和分析成果。模型試驗布置見圖4。

圖4 格賓網墊護岸凍土力學模型試驗

(3)試驗結果。①格賓網墊屬一種柔性蜂窩式結構，可以增加熱阻，減少能量傳遞，且護墊下臥土體溫度場分布均勻，可有效減小凍深及凍脹量，并抑制不均勻凍脹的發生。②在有水分充分補給的條件下，最大凍脹量位置發生在渠底固腳處，其次是渠坡距坡腳1/3處，設計時應充分考慮該位置的凍脹變形。③凍脹殘余變形最大值在渠底固腳位置，渠坡發生融沉變形，說明格賓網墊結構本身具有自愈的功能，有比較顯著的適應凍融變形的效果。

1.2.2 鉸鏈式護坡結構的凍土力學模型試驗

(1)鉸鏈式護坡結構簡介。鉸接塊示意圖見圖3。

(2)試驗目的。通過凍土力學模型試驗，探討鉸鏈式護坡結構在不利工況條件下適應基土凍脹變形的能力，為現場試驗提供理論依據和分析成果。模型試驗布置見圖5。

圖5 鉸鏈式護坡結構凍土力學模型試驗

(3)試驗結果。①在有水分充分補給的條件下，最大凍脹量產生在渠底位置處。渠坡距坡腳1/3位置處由于水分遷移的原因，凍脹量較大。②凍脹殘余變形最大值在渠底固腳位置，渠坡及渠頂殘余變形較小，見圖6。鉸鏈式護坡結構屬柔性蜂窩式結構，整體性較強，能較好地適應凍融變形。

圖6 凍融循環后渠道斷面殘余變形示意圖(單位:mm)

1.2.3 鉸鏈式護坡在靜冰壓力作用下穩定性試驗

(1)試驗目的。檢驗鉸鏈式護坡在寒冷環境中，在靜冰壓力作用下的穩定性。本物理模型試驗在低溫試驗室中進行，見圖7，按照模型比尺確定試驗降溫速率和試驗時間等試驗參數，并通過實測環境溫度和冰蓋厚度等試驗數據驗證試驗的相似性。試驗通過觀測坡面變形、靜冰壓力等數據，分析、評價鉸鏈式護坡在靜冰壓力作用下的穩定性。

圖8 靜冰壓力與鉸接塊位移關系曲線

(2)試驗結果。在寒冷地區冬季環境下(試驗環境溫度為-27 ℃)，鉸接塊護岸結構在靜冰壓力作用下沿坡面位移變形率不超過1%，春季殘余位移變形率不超過0.1%，見圖8。鉸鏈式護坡系統能夠適應靜冰壓力作用而不破壞，體現出了其柔性護岸結構的特點。

1.3 小 結

通過模擬寒冷地區冬季的氣候環境，在對鉸鏈式護坡結構進行了凍土力學試驗、靜冰壓力試驗、凍脹變形的影響試驗后，我們得到以下結論:

(1)凍脹殘余變形最大值在渠底固腳位置，渠坡及渠頂殘余變形較小，說明鉸鏈式護坡結構屬柔性蜂窩式結構，整體性較強，能較好地適應凍融變形[5]。但設計中要考慮固腳的穩定。

(2)經過冰蓋的一個凍融循環，鉸鏈式護坡系統在靜冰壓力作用下沿坡面位移變形和春季殘余位移變形都很小[6]。鉸鏈式護坡系統具有顯著的柔性護岸結構特點，在冰蓋靜冰壓力發生、增大和消減的過程，能夠適應岸基的變形而不被破壞。

(3)凍融循環對混凝土鉸接塊防護體系有較大的影響，經過凍融循環后與常溫時相比，摩擦角減小，黏聚力降低。在寒區工程中采用鉸鏈式護坡，應注意基土的凍融循環對邊坡穩定性的影響并采取相應的措施。

2 硬質護岸生態修復技術研究

2.1 硬質護坡表層覆蓋土壤厚度、成分對植物生長影響的試驗與研究

2.1.1 試驗目的

土壤基質是植物生長的基本條件，它能為植物生長提供必要的水分和營養源，但由于硬質護坡表面缺乏土壤基質，且與坡面底層的土壤水循環系統和營養源被隔絕，致使一般的植物在硬質護坡上很難生長，因此，要恢復硬質護坡上的植被，首先需在坡面上敷設一定厚度的土壤基質，以滿足植物的生長。但考慮到土壤基質敷設厚度和成分會影響河流行洪能力和工程經濟實用性，敷設多厚的土壤基質，采用何種成分的土壤才能在真正意義上滿足植物的生長呢，本實驗就是針對這樣的一個實際問題展開的一些試驗研究，本著“在確保植物能夠正常生長前提下基質敷設厚度盡可能薄，采用的土壤價格盡可能便宜”的原則，試圖使土壤基質敷設厚度和成分達到最優化，以指導硬質護岸生態修復工程的設計。

2.1.2 試驗內容

通過定期測試土壤含水率和植物株高，觀察植物表觀和綠度，比較同一成分土質不同覆土厚度對植物生長影響以及同一覆土厚度不同成分土質對植物生長的影響。試驗現場施工及試驗池見圖9和圖10。

圖9 試驗池現場施工圖

圖10 試驗中的試驗池

2.1.3 試驗結果與分析

(1) 同一成分土質、不同土層厚度對植物生長影響。覆土厚度厚，植物保持綠度的時間長，葉片更舒展。對于同一種成分的土質，土層厚度越厚，對植物生長株高的促進作用越好，只有加入B保水劑的普通種植土，在夏季的時候，較薄土層對植物株高的促進作用才好于較厚的土層。對于普通種植土和加入普通種植土的草炭土來說，土層厚度越厚土壤含水率越高，對于加入A保水劑的普通種植土來說，在秋季的干旱期，覆土厚度越厚，對土壤的保水效果越好，在夏季的干旱期，覆土厚度越薄，對土壤的保水效果越好，對于加入B保水劑的普通種植土來說，保水劑對土層厚度30 cm的土壤的保水效果最好。

(2)同一覆土厚度，不同成分土質條件下對植物生長的影響。向土壤中加入B保水劑可以使植物保持綠度的時間更長，其次為加入草炭土和加入A保水劑的普通種植土，最差的為普通種植土。普通種植土+草炭土對植物生長株高的促進作用一直要好于其他三種土質成分的土壤。從植物后期的生長狀況來看，對植物株高的促進作用最好的土質成分為加入草炭土的普通種植土，其次是加入A保水劑的普通種植土，普通種植土，加入B保水劑的普通種植土對植物株高沒有任何促進作用。從植物生長期的生長狀況來看，對較厚土層30 cm和40 cm，對植物株高的促進作用最好的土質成分為加入草炭土的普通種植土，其次為普通種植土，加入保水劑的普通種植土對株高沒有任何促進作用。對較薄土層，除了加入草炭土之外，加入保水劑B對植物的株高有一定的促進作用，要好于普通種植土。

2.2 碎石覆蓋對植物生長影響的試驗與研究

2.2.1 試驗目的

混凝土板、漿砌石等硬質護岸不利于動物、植物和微生物的生存。硬質護岸的生態修復方法之一是在護坡襯砌材料表面覆蓋上一層土壤，種植植物。由于土層較薄，所以土壤的保水性和土溫成為影響植物生長的重要因素。本試驗基于硬質護坡生態修復中的特點，提出一種在河流硬質護坡生態修復中的碎石覆蓋技術，通過試驗桶和試驗池兩個試驗方案，分析碎石覆蓋處理對土壤保水性能、土溫和植物生長的影響，意在提出一種經濟適用并可推廣應用的河流硬質護坡生態修復技術。

2.2.2 試驗內容

(1)試驗池方案。通過定期測試土壤含水率、土體溫度、植物株高、葉片失水率、莖/根比及生物量各項指標比較不同碎石覆蓋條件下對土壤保水性能、土溫、植物生長的影響。試驗現場施工及試驗池見圖11和圖12。

圖11 試驗池現場施工圖

圖12 試驗中的試驗池

(2)試驗桶方案。通過定期測試土壤含水率、土壤溫度指標比較不同碎石覆蓋條件下對土壤保水性能和土溫的影響。

2.2.3 試驗結果與分析

(1)不同碎石覆蓋條件下對土壤保水性能的影響。碎石覆蓋處理相對于裸土能夠有效地提高土壤的保水能力，有碎石覆蓋的土壤在不同的土層深度含水率變化不大，而裸土在淺層的土壤含水率明顯低于深層。粒徑為1～2 cm、3～5 cm，厚度為5 cm、8 cm的4種組合情況對土壤的保水作用效果很好，但4種組合之間的保水效果差別不大。

(2)不同碎石覆蓋條件下對土溫的影響。從各個處理的土壤表層溫度來看，碎石覆蓋處理的土壤表層溫度與裸土的表層溫度沒有明顯的區別。從各個處理的15 cm深處土壤的溫度變化來看，當外界溫度降低時，裸土的溫度下降的最快，有碎石覆蓋的土壤溫度下降緩慢，從而可見，有碎石覆蓋的土壤相對于裸土對15 cm深處的土壤有一定的保溫性。

(3)不同碎石覆蓋條件下對植物生長的影響。碎石覆蓋處理土壤相對于裸土可以減少土壤水分的蒸發，有利于促進植物的生長。同一碎石覆蓋厚度條件下，經過小碎石覆蓋處理的苗高和生物量要好于大碎石的覆蓋處理。同一覆蓋碎石粒徑條件下，8 cm厚的碎石覆蓋要好于5 cm厚的碎石覆蓋。裸土相對于碎石覆蓋處理的土壤不利于植物苗高和生物量的生長。

2.3 小 結

護坡工程中，要想護坡植物保持綠度的時間更長些，可以增加覆土厚度或向普通種植土中加入草炭土和保水劑，但不同種類的保水劑的效果不同。要想植物生長株高高，可增加覆土厚度或向普通種植土中加入草炭土。增加土層厚度可以提高普通種植土和加入草炭土的普通種植土的含水率，不同的保水劑對不同土層厚度的普通種植土的保水效果不同。向土壤中加入草炭土和保水劑可以提高后半年的土壤的含水率，夏季干旱期，較薄土層的普通種植土的保水性很差，可向土壤中加入保水劑或草炭土以提高土壤的保水性。考慮工程造價的因素，建議采用20 cm厚的普通種植土+草炭土，可以有利于早熟禾這種護坡植物的生長。

碎石覆蓋處理土壤相對于裸土可以有效地提高土壤的保水能力、保溫能力，減少土壤水分的蒸發，有利于促進植物的生長。同一碎石覆蓋厚度條件下，經過小碎石覆蓋處理的苗高和生物量要好于大碎石的覆蓋處理，同一覆蓋碎石粒徑條件下，8 cm厚的碎石覆蓋處理的苗高和生物量要好于5 cm厚的碎石覆蓋處理。因此，在硬質護岸的生態修復工程中，考慮工程造價因素，推薦在土壤表面覆蓋一層粒徑為1.5～2 cm、厚度為5 cm的卵石，此措施將會提高土壤的保水保溫性能，有利于植物的生長。

3 生態型護岸工程應用實例

3.1 示范工程概況

項目組在我國東北地區選擇了3處地點建設生態護岸示范工程，通過原型試驗觀測評價生態護岸結構在寒區實際工程應用效果。

試驗通過對三處試驗工程中不同厚度的格賓網墊護岸、鉸鏈式護坡、土工格室碎石護岸進行原型觀測與分析，評價其在不同環境下適應岸基凍融變形能力，為今后這幾種護岸結構在北方寒冷氣候條件下的應用及設計提供參考。

(1)大慶防洪工程安肇新河老—庫段示范工程。本項示范工程位于大慶市。此處應用了混凝土鉸接塊(12 cm厚)護坡和格賓網墊(17 cm厚)護坡。示范工程于2011年建設完成并開始試驗觀測。

(2)吉林哈達山輸水干渠防凍脹試驗工程。本項示范工程位于吉林省哈達山灌區。此處應用了3種護坡結構型式:封閉式混凝土鉸接塊(15 cm厚)護坡、蜂窩碎石(20 cm厚)護坡、格賓網墊(23 cm和30 cm厚)護坡。示范工程于2009年建設完成并開始試驗觀測。

(3)牡丹江鐵嶺河大橋格賓生態護岸示范工程。本項示范工程位于牡丹江市城市堤防鐵嶺河大橋段。此處應用了格賓網墊(30 cm厚)護坡和格賓網箱固腳，示范工程于2006年建設完成并開始試驗觀測。

3.2 示范工程觀測

(1)氣溫觀測。在試驗示范護坡工程附近設置氣溫觀測點，每天人工記錄最高、最低氣溫及時間。觀測日期為每年的10月份到次年的6月份。

(2)凍深觀測。在試驗示范護坡工程附近埋設凍深器，人工每天觀測一次并記錄。凍深觀測從開始有凍深到凍深管全部融透。

(3)凍脹融沉量觀測。凍脹融沉量采用對觀測點進行高程觀測的方法。

3.3 成果分析

3.3.1 大慶防洪工程安肇新河老-庫段生態護岸示范工程

根據觀測結果分析，得出以下結論:

(1)格賓網墊護坡和鉸鏈式護坡結構是柔性護坡結構，整體性好，具有自愈的功能，能夠很好的適應凍脹變形。經過一年運行，格賓方案中岸基最大凍脹量為30.3 cm，格賓網墊護砌結構沒有破壞情況發生；鉸鏈式護坡結構中，岸基最大凍脹量為29.5 cm，護砌結構整體性完好。

(2)本次觀測最大凍脹量均發生在渠坡距坡腳1/2位置處。

3.3.2 哈達山輸水干渠生態護岸試驗工程

根據觀測結果分析，得出以下結論:

(1)鉸鏈式護坡段，最大凍脹量為19.4 cm，最大殘余變形為4.2 cm。格賓網墊護坡段，23 cm、30 cm厚格賓網墊最大凍脹量分別為13.8 cm、19.4 cm。23 cm、30 cm厚格賓網墊最大殘余變形分別為5.6 cm、3.4 cm。蜂窩碎石護坡段，最大凍脹量為21.1 cm，最大殘余變形為8.3 cm。可以看出這三種結構是柔性護坡結構，在較大的凍脹量變形及較大的殘余變形后，其整體性仍然非常好，并且具有自愈的功能，能夠很好的適應凍脹融沉變形。

(2)本次觀測最大凍脹量均發生在渠坡距坡腳1/4～1/3處。

3.3.3 牡丹江鐵嶺河大橋生態護岸示范工程

在幾年的連續觀測過程中，沒有發現壩肩、坡面及固腳處有局部的沉降，雖然反映出豎直向上的位移各點在1～9 cm不等，豎直向下的位移各點在1～19.5 cm不等，但可以確定格賓網墊相互之間形成的柔性體結構，可以整體隨著地基的變形而產生相應的變形，能夠適應凍脹、融沉及地基土自然沉降密實所帶來的影響，充分反映了格賓網墊結構的整體穩定性及柔性的特點。

3.4 小 結

通過三處試驗工程觀測分析數據(表1)可以得出，格賓網墊護坡及鉸鏈式護坡承受的凍脹量最大達到30.3 cm、19.5 cm，結構完整，沒有破壞；在哈達山輸水干渠中采用了土工格室填碎石護坡結構，可以看出其可以承受的凍脹量最大達到21.1 cm，適應凍脹變形的能力較強，整體結構未出現破壞。

由此，格賓網墊護坡、鉸鏈式護坡、蜂窩碎石護坡3種生態護岸結構在北方寒冷氣候環境下能夠適應岸基凍融變形，通過連續幾年的觀測，護岸結構均沒有出現破壞，起到了對岸坡的防護作用。

表1 不同厚度生態護岸結構凍脹量

4 結 語

寒冷地區有著特別的工程環境，對生態護岸有著特殊的要求。本項目通過室內模型試驗和野外原型試驗，對生態護岸在寒區的應用開展一些針對性的研究。研究成果表明，一些具有柔性結構、整體性好、透水結構、材料抗凍融破壞能力強的生態護岸結構適合在寒區應用，如格賓網墊(或雷諾護墊)、鉸鏈式護坡結構、土工格室等，本次研究也將其應用在基礎示范工程中。在應用過程中發現的一些難以解決的問題，需要技術人員開展更多的研究工作，早日提出可行的辦法。