峽江水利樞紐抬田工程邊坡梯級生態防護模式探討

胡志堅，萬迪文，趙佳鼎，段 劍

(1.江西省峽江水利樞紐工程管理局，江西 南昌 330000；2.江西省水土保持科學研究院，江西 南昌 330029；3.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029)

峽江水利樞紐工程是《全國“十一五”大型水庫規劃》的重點骨干工程，是江西省重點工程，是鄱陽湖生態經濟區建設的先導工程。主要建設內容包括樞紐主體工程、庫區7個防護工程和15片抬田工程[1]。工程建成以后，水庫正常蓄水位46 m，死水位44 m，防洪高水位49 m。“抬田”就是將淺淹沒區的耕地高程抬升(普遍抬高2～3 m)，高出水庫正常蓄水位0.5 ～1.0 m，再輔以配套完善的灌溉、排水設施，建成“旱能灌、澇能排”的高標準農田。峽江水利樞紐抬田工程總面積約2 500 hm2，共減少淹沒耕地2 519.4 hm2、林地245.2 hm2，減少大量因環境容量不足而被迫外遷的移民數量，為全國首例面積最大的“抬田工程”[2-3]。

抬田工程臨江田塊的邊坡為填方土質邊坡，長期受水力的作用，可能出現波浪(風浪、船行波)淘刷、行洪近岸水流沖刷、雨水沖刷等坡面侵蝕問題，從而影響邊坡的穩定性。提高邊坡的抗侵蝕能力、降低水對邊坡的作用強度是解決邊坡穩定性的關鍵[4-5]，然而目前在設計上，更多采用混凝土、漿砌石等傳統硬質護坡模式，缺乏對環境與生態功能的考慮，如傳統硬質護坡嚴重破壞了生物生存、棲息、繁衍的環境，隔斷了水域生態系統與陸地生態系統的交流與聯系，不利于河流水體自凈能力的發揮和自然生態系統的恢復[6-7]。隨著經濟社會的發展，水生態文明建設成了當今水利改革發展的重要課題，因此邊坡防護不僅需要具備防洪、防汛的基本功能，也需要兼顧景觀美學與生態效益等功能。生態護坡是基于土質邊坡穩定性和生態學原則的一種邊坡防護技術，具有防護邊坡、防治水土流失和改善生態環境等功能，同時能夠防控邊坡以上農田耕作引起的面源污染。在越來越重視環境保護和生活質量的今天，生態防護已成為土質邊坡防護的一種趨勢，也代表著土質邊坡防護的發展方向[8-9]。

1 抬田工程概況

峽江水利樞紐工程位于贛江中游峽江縣上游峽谷河段，是一座以防洪、發電、航運為主，兼顧灌溉等綜合利用的大(Ⅰ)型水利樞紐工程。為保護庫區土地資源、減少水庫淹沒損失，對庫區部分人口密集、耕地集中、具有防護條件的臨時淹沒區或淺淹沒區采取修筑堤防或抬田措施，主要分布在沙坊、八都、桑園、水田、槎灘、金灘、南岸、醪橋、烏江、水南背、葛山、磚門、吉州區、禾水、潭西，同江防護區、上下隴洲防護區、柘塘防護區、樟山防護區、槎灘防護區，共設有7個防護區，保護耕地3 700 hm2。對淺淹沒區實施抬田措施，將耕地高程抬高至水庫正常蓄水位以上0.5～1.0 m。防護區內外共設有20片抬田區，抬田總面積約2 500 hm2，先期實施了14.4 hm2作為抬田試驗研究區。

2 抬田區水位變化特點

峽江水利樞紐工程建成后，水庫在每年10月開始蓄水，至翌年3月(10月1日—3月31日)壩前水位為46.0 m，主汛期(4月1日—6月20日)壩前水位由46.0 m下降至43.0 m，后汛期(6月21日—9月30日)壩前水位為43.0～44.0 m。每年隨著水位在43.0～46.0 m之間變化，在抬田庫區臨江邊坡上會形成水位漲落高差達3 m且與水位自然漲落節律相反的水陸交錯帶(區)，抬田庫區水位變化曲線如圖1所示。

圖1 抬田庫區水位變化曲線

3 邊坡穩定性分析

3.1 不同水位條件下的靜水邊坡穩定性分析

研究區抬田工程臨江邊坡線長11.77 km，坡比1∶2，為土質填方邊坡，相關土層物理力學參數見表1。取典型斷面進行計算，當水庫運行水位為46.0 m(正常蓄水位)、44.0 m(死水位)和43.0 m(施工期水位)時，邊坡穩定性計算結果見表2。由表2可知，在不同水位條件下，抬田靜水邊坡安全系數分別為3.618、3.699、3.510，均大于規范允許安全系數(1.2)。因此，在靜水條件下抬田邊坡抗滑穩定性滿足要求。

表1 邊坡典型斷面各土層物理力學參數

表2 靜水條件下典型斷面邊坡安全系數

3.2 波浪對邊坡穩定性的影響

水庫波浪(以風浪為例)對土質岸坡的破壞是一種長時間的淘刷作用，波浪在岸線附近破碎，隨即形成向前的涌浪對直立土坎根部進行淘蝕，波浪回落時在沖刷面上形成的回流不斷將淘蝕的土體帶走，堆積在斜坡上。黏土本身具有一定的黏結強度，長時間淘刷后土坡坡腳沿岸線就會形成內凹的空洞，內凹達到一定深度時，空洞上部掛空的土體就會向下坍塌，接著波浪又對新形成的完整土質坡面進行淘蝕，形成新的內凹空洞，掛空土體再次發生塌落，久而久之，最終表現為整個土質岸坡的坍塌破壞。因此，有必要分析在波浪作用下臨江抬田邊坡的穩定性。

根據抬田區的氣象水文數據，分析抬田區水位46.0 m下風浪要素，并計算斜坡上的波流速分布，計算結果見表3、4。

由表3、4可知：①抬田邊坡在正常蓄水位條件下(未考慮回水高度)，風浪爬高至47.06 m，基本平田埂，但已高出抬田田面；②波流速最大為3.12 m3/s，出現在45.73 m坡面， 土質邊坡不足以抵抗沖刷； ③風浪水流回落時產生的滲透反力及風浪對坡腳的沖刷降低了土質邊坡抗滑力，但穩定性滿足要求。因此，采取護坡形式，需要考慮水位在46.0 m時風浪爬高對抬田區的影響。

表3 水位46.0 m條件下風浪要素

注：數據資料來源于吉水站氣象統計資料。

表4 斜坡上的波流速

注：H0為波峰高出靜水位的高度，d0為令波浪在斜坡上破碎時的臨界水深，ZB為最大波壓力作用點在靜水位以下的垂直距離，V1、V0、VB、VZ為高程46.8、46.0、45.73、45.05 m處的波流速。

4 邊坡梯級生態防護模式

4.1 防護功能分區

依據抬田區水位變化規律，將臨江土質邊坡劃分為3個生態防護功能區，詳見表5。考慮汛期泄洪水流流速較大等因素，將高程43.0～45.0 m劃分為固土抗沖區，主要功能為固定邊坡土壤，抵御水流淘刷；考慮枯水期正常蓄水位為46.0 m，水流流速相對較小，將高程45.0～46.0 m劃分為消浪減蝕區，以降低波浪爬高，減小坡面徑流侵蝕為主；對邊坡常露區46.0～47.8 m劃分為抗蝕景觀區，以增強土壤抗侵蝕性，提高生態景觀效益為主。

表5 臨江土質邊坡生態防護功能區劃分

4.2 不同功能區生態防護措施

根據水位調度進行邊坡梯級生態防護是目前抬田區臨江土質邊坡生態防護的核心思路，基于水位變動進行梯級植被重建分區設計是原則，植被生境創造與改善是保障(見圖2)。

圖2 抬田邊坡梯級生態防護模式(單位：m)

4.3 不同功能區護坡植物選擇

(1)高程43.0～45.0 m。采用植生混凝土、生態袋、植生卷材、抗沖毯等生態護坡技術進行防護，削弱水流沖刷與風浪淘蝕作用，增加邊坡穩定性。植物以耐淹耐旱的兩棲草本植物為主，主要有狗牙根、牛鞭草、李氏禾、蘆竹、類蘆、水蓼、空心蓮子草(水花生)、扁穗牛鞭草等。

(2)高程45.0～46.0 m。種植消浪植物籬，降低風浪爬高，保障抬田安全。植物需滿足耐旱耐淹與固土消浪等要求，主要有香根草、蘆葦、五節芒等。

(3)高程46.0～47.8 m。以灌木帶和花草植物為主，防止抬田道路侵蝕泥沙下泄，減少坡面侵蝕。以耐旱抗侵蝕的景觀植物為最佳。灌木選用杜鵑、紅葉石楠、紅花檵木、金邊黃楊、赤楠，草本選用假儉草、狗牙根、金雞菊、波斯菊、石竹、菊科野花組合草種等。

5 研究展望

以恢復生態學理論為指導，以庫區生態環境的調查為基礎，根據臨江邊坡生態系統特點和植物的生物生態學特性，篩選、馴化、培養、繁殖一些適宜不同水位條件下的生態護坡植物，并運用生態工程學方法構建臨江護坡植物的生存環境，試驗性地構建與恢復一定面積的較穩定且與環境相協調的植被群落，并提煉防護措施設計合理、種植技術科學和效益最大化的臨江土質邊坡生態防護技術體系，為江西省河流湖庫水陸交錯區邊坡生態防護提供技術支撐，為江西省生態鄱陽湖流域建設提供借鑒。

5.1 臨江土質邊坡不同水位生態護坡植物篩選

植物對水位變動的適應性取決于植物耐淹、耐旱的生理特性，臨江土質邊坡生態防護應充分體現沉水植物、兩棲植物、挺水植物與陸生植物相結合的原則，并根據植物生理學特性提出適宜水位變化的梯級生態恢復模式。

以南方紅壤區常見護坡植物為研究對象，采用人工降雨與徑流沖刷試驗等技術，研究不同植物措施下，降雨、徑流對邊坡土壤侵蝕量、土體抗沖刷性能、坡面流速等因素影響規律，分析不同供試植物的根系分布格局、根系抗拉強度及根土復合體抗剪強度；根據項目區氣象水文資料，設計植物消浪和波浪沖刷水槽概化模擬試驗裝置，研究不同植物措施下的風浪爬高與消浪系數；同時對供試植物進行不同時間與水深等因素的耐淹耐旱試驗。綜合以上三個方面的研究結果，分析供試植物的耐淹耐旱、消浪減蝕和固土抗蝕效應，綜合考慮篩選適宜臨江土質邊坡不同水位區域的優良生態護坡植物。

5.2 臨江土質邊坡適宜植物繁殖與栽培技術

為了使庫區消落帶植被能夠在水位下降后及時得到重建，應根據植物種類和立地條件的差異，引進國內外河岸邊坡防護先進技術，并在臨江土質邊坡上進行適應性研究。植物栽植可通過草本植物丸衣化、草地免耕營建、植苗造林、水生植物栽培等手段，篩選適宜臨江邊坡不同水位區域的關鍵種植技術，以達到快速綠化、提高成活率的目的。

5.3 臨江土質邊坡植被生態系統監測與管理技術

對已構建的生態護坡模式的植物適應性及生長情況、水土保持效益等進行分析，主要包括植被物種組成與結構的變化、植被構建后對環境的影響和群落演替的調控等，并在此基礎上，提出防護措施設計合理、種植技術科學和效益最大化的臨江土質邊坡生態防護技術模式。