風沙干旱地區粉細砂堤防生態護坡新技術研究與應用

閆鵬飛

(遼寧省綏中縣水利建筑工程公司，遼寧 綏中 125200)

粉細砂堤防由于其水土保持能力差，堤坡植被很難成活，堤防生態效果差，其裸露部分容易揚塵，也嚴重影響區域環境質量[1]。堤防經過長時間的風剝雨蝕后，堤身雨淋溝遍布，給堤防安全運行造成嚴重威脅[2]。生物護坡的載體對風沙干旱地區粉細砂堤防護坡的建設不適用，目前常見的生態護坡型式有生態聯鎖磚[3- 6]、生態混凝土等型式[7- 8]，生態聯鎖磚由于生態效果、抗沖刷、水保功能效果較為一般，在后期運維管理處于中等層次，從早期應用的工程實例效果來看，生態聯鎖磚的后期運維和建設周期均很難得到有效保障，工程實施效率不高；而生態混凝土雖然生態效果良好，但其建設工期較長、前期養護費用較高，與堤防內部土質相關性較低，較難采用內部涵養水分進行土體的補給，需要人工澆灌，后期養護費用很高[9- 11]。坡改平生態護坡技術是近年完成的一項水土保持科研成果。該技術是為解決目前在高速公路基礎設施中廣泛存在的土壤水土流失問題而開發的一項新式生態護坡技術[12- 15]，但在河道應用還較少，坡改平生態護坡技術的特殊結構決定了它特別適合公路、河道等野外粗放式管理的建設項目，完全可以靠天然植被恢復綠化邊坡，而且自然恢復的野草抗旱能力強且可耐瘠薄，對風沙干旱區的適應性能較好，可以有效縮減綠化成本和后期養護費用，降低工程相關成本。

1 風沙干旱地區粉細砂堤防堤坡破壞機理研究

風沙干旱地區粉細砂堤防堤坡破壞主要受氣候條件、土壤特性、植被覆蓋等因素影響。

1.1 氣候

風沙干旱地區降雨較少，堤坡土壤水分補給不足，堤坡植物較難存活，植被覆蓋率低。如遼寧省柳河彰武段屬于溫和半濕潤的季風大陸性氣候，四季分明，雨熱同季，光照充足，晝夜溫差大，春季風大且多，寒冷期長，年平均氣溫7.2℃，最高溫度37.4℃，最低溫度-30.4℃，平均風速3.8m/s，最大風速38m/s，年均降水量510.3mm，平均相對濕度61%，平均無霜期156d；柳河新民段屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，氣候溫和，平均溫度7.6℃，年降水量608mm，無霜期160d，常年主導風向為西南風，平均風速為4.1m/s，最大風速為20m/s，年平均日照為2753.2h。柳河兩岸堤防堤坡裸露，長時間經受風剝雨蝕后堤身破損嚴重。

1.2 土壤特性

粉細砂土料存在抗剪強度低、水土保持和抗沖性能差等問題，造成粉細砂堤防堤坡水土流失嚴重，土壤貧瘠，堤身容易受雨水淘刷形成雨淋溝，威脅堤防安全運行。柳河為多泥沙河流，柳河鬧德海以上流域植被稀少，土壤侵蝕嚴重，侵蝕模數在2000t/km2以上，河流含沙量都超過40kg/m3，是遼河流域產沙最多的地區。兩岸堤防堤身填土主要由河道兩岸的粉細砂夾粉土組成，呈黃—黃褐色，呈松散—稍密狀態。堤身土物理力學性質指標統計結果詳見表1。堤身、堤基粉細砂顆粒間無黏聚力，且內摩擦角較小，抗剪強度低；平均粒徑較小造成粉細砂抗雨水淘刷能力弱。

1.3 植被覆蓋

植被覆蓋和枯枝落葉可以有效降低雨滴濺蝕并可對一些降水量進行有效攔截，降低降雨產流量，具有保水效益，有效降低水土流失量。此外，植被可提高土壤孔隙比例和結構，增加土壤下滲水量，降低徑流量和水流速率。通過對徑流的天然調蓄作用，有效防止水流對土壤顆粒的沖刷作用。另外植物更細可以增加土壤的固結效應，防范坡面水土流失的形成，對斜坡和陡坡進行有效間隔，增強流域保沙能力。

考慮到氣候條件基本無法改變，筑堤土料摒棄沿線是取用方便、價格低廉的粉細砂，外購土料工程造價較高，經濟合理性差，要解決風沙干旱地區粉細砂堤防堤坡破壞問題，合理可行的途徑是利用生態護坡解決植被覆蓋率低的問題。

2 風沙干旱地區粉細砂堤防護坡型式探索

考慮到生物護坡的載體不適合風沙干旱區粉細砂筑堤的建設，因此需采用其他護坡方式進行生態加固，本文對當前2種河道治理工程中常用的生態護坡方式進行結構分析，從而探索適合于風沙干旱地區粉細砂筑堤的新的生態護坡型式。

2.1 生態聯鎖磚

生態聯鎖磚是由不同規格和型號組成的混凝土預制塊體的總稱，一般厚度為100mm，長400～500mm，寬約300mm，中間有1個或多個孔洞，用以填充種植土并栽植作物，由于其具有一定抗沖性能并為坡面植被生長提供空間，因此通常稱其為生態聯鎖磚，用以區分實心聯鎖磚與傳統的鎖磚，生態連鎖磚適合于小流域水土流失控制的堤防建設，聯鎖式護土磚具有獨特聯鎖功能，可有效降低水流沖擊下磚塊的整體穩定性，其柔性開孔的滲透性能可以有效降低沖擊水流的流速，降低水流壓力和提升排水性能，滲水和排水作用由于開孔得到增強，此外也可增加植被覆蓋度，生態效果明顯。

2.2 生態混凝土

生態是指生物體與其周邊環境(包括非生物環境和生物環境)的相互關系；混凝土(“砼”是其簡寫，同義詞)，由膠凝材料、水料和骨料按照一定比例進行配置產生，通過一定養護硬化后形成的人為材料，具有一定生態效益的混凝土稱作為生態混凝土，和傳統混凝土相比，這類混凝土水泥用量明顯減少，具有較好的透水性能和凈化水質的功能，友好環境和生物兼容性特點較為突出，其生態效應主要為可以附著生物，對生物成長影響程度低。

2.3 新的護坡型式探索

由于生態聯鎖磚保土抗沖性能、生態效果等均一般，前期養護以及后期養護管理費用均偏高，且后期養護很難有保證，工程效果保證率較低；而生態混凝土建設工期較長、前期養護費用較高，后期養護費用更高，作物需水主要通過降水外，還需要進行人工澆灌，內部土體可利用水分相對較少，因此，在部分對保土抗沖性能及生態效果要求較高的地區，探索一種新的生態護坡型式是十分必要的。經調研，坡改平生態護坡能滿足上述要求。

表1 堤身土顆分試驗成果統計表

坡改平生態護坡技術是近年完成的一項水土保持科研成果。該技術是為解決目前在高速公路、河道等基礎設施中廣泛采用的六角空心護坡磚存在的單塊磚內流失體積20%～80%的土壤的水土流失問題而開發的一項新式生態護坡技術。坡改平生態護坡技術的特殊結構決定了它特別適合公路、河道等野外粗放式管理的建設項目，完全可以靠天然植被恢復綠化邊坡，而且自然恢復的野草適應性強，抗干旱、耐瘠薄，除可節省大筆綠化費用外，還可以大大減少后期管護的費用，降低工程造價。

3 坡改平生態護坡技術原理及工藝

3.1 技術原理

其結構原理與生態聯鎖磚大體相同，均為通過混凝土預制塊的安裝和彼此連接完成對整個坡面的覆蓋，并通過預制塊中間的孔洞進行坡面生態恢復，除去外形上的差別外，2者最大的區別有2點，第一點為坡改平生態護坡砌塊上坡面是水平的，下坡面是傾斜的，也就是通過在坡面上施工將原本斜坡面改造成類似于梯田性質的連續臺階，進而達到保水降低坡面垂向水流流速的作用，也是坡改平名字的主要來源；第二點是坡改平生態護坡砌塊的下坡面有3道阻滑齒，進一步提高了與坡面的摩擦力，保證了穩定性。坡改平生態護坡砌塊結合內部結構，將坡面進行小平面剖分，與底部坡面進行融合，坡面上端處于水平狀態，坡面土壤穩定狀態得到保持，可以達到保水減沙效益。與老式六角空心磚相比，這項技術使土壤流失量降低90%以上，從而提高坡面防護標準。適宜栽種草本植物有高羊茅、葦狀羊茅、紫花苜蓿、無芒雀麥、五葉地錦、二月蘭等。

3.2 施工工藝

坡改平生態護坡砌塊施工順序為從下至上，即在坡面整平后，先在坡腳處做好漿砌石護腳，然后從護腳向上逐層施工，坡改平生態砌塊下部需要根據坡比的不同向坡面內下臥一定深度以保證頂部水平，上部與坡面緊密相接即可，在每塊坡改平生態護坡砌塊施工完后向內部填充拌合了草籽和肥料的種植土并壓實，待施工到接近坡面頂部不足一塊砌塊的空間時，采用上坡腳砌塊或現澆混凝土封頂，下部與護腳連接同樣在空隙處采用現澆混凝土封堵，避免雨水通過空隙直接接觸坡面造成接觸沖刷，砌塊內植被與種植土一方面可以減緩滲透進入堤防的水流流速，降低坡面水流流速，另一方面在堤內孔隙水通過坡面滲出時還可以起到反濾的作用，避免堤防內細顆粒土體流失，造成堤防臨水邊坡失穩。坡改平生態護坡砌塊為六角方格，每個外邊長均為20cm，單體重量在15kg左右，適合人工施工，根據調研，每平米(8塊)至工程現場落地價約為110元，人工擺放單價為20～25元/m2，種植土加草籽、肥料施工完為5～7元/m2，即坡改平生態護坡砌塊的建筑工程直接投資約為135～142元/m2。早期養護簡單是坡改平生態護坡砌塊的又一大特點，由于其對坡面的保水性較好，因此其灌水周期相對較長，對于降雨的收集率及利用率均較高。

4 工程實例

4.1 工程概況

柳河是遼河中下游右側的一條多泥沙支流，其流經的彰武縣境內缺乏黏性筑堤土料，基本采用粉細砂筑堤，現狀護岸主要為混凝土板護坡，堤防生態恢復差。經過雨淋水泡后，水土流失造成的堤防脫坡和局部塌陷等現象嚴重影響堤防安全運行。粉細砂堤防由于其水土保持能力差，堤坡植被很難成活，堤防生態效果差，其裸露部分容易揚塵，也嚴重影響區域環境質量；堤防經過長時間的風剝雨蝕后，堤身雨淋溝遍布，給堤防安全運行造成嚴重威脅。

鑒于風沙干旱地區粉細砂不適合直接作為生物護坡的載體，應通過其他工程措施對堤坡進行生態建設。

4.2 坡改平生態護坡結構優化

4.2.1坡頂封頂型式優化

目前，坡改平生態護坡工程中，坡頂基本都采用護坡砌塊直接與坡頂銜接的型式，由于坡改平特殊的六邊形結構，坡頂最上面的砌塊不一定能與頂面剛好接上，造成護坡與坡頂結合不緊密，在雨水淘刷下，坡頂處土容易流失，且存在施工不夠方便、外觀效果不好等問題。采用混凝土抹面封頂可以使護坡砌塊與坡頂更緊密的銜接，防止坡頂處水土流失，而且能增強護坡的抗滑穩定性及外觀效果。如圖1所示。混凝土抹面具體規格為：厚5cm，水平段長15cm，坡面段長度根據最上面的砌塊與坡頂的距離確定。

圖1 坡頂封頂型式優化示意圖

4.2.2砌塊內土壤改良

為了護坡砌塊內植物存活率高，坡改平護坡砌塊內的土料以耕植土為宜。對于以粉細砂為主的風沙干旱地區，耕植土稀少，外購成本較高，沿線土料主要為砂質土，取用方便、造價較低。其中，地表清基土料粉土含量相對較高，取用并進行改良，以滿足植被生長要求，可以取代外購耕植土，降低工程造價。

4.3 坡改平生態護坡實際效果檢驗

為了檢驗坡改平生態護坡的實際效果，我們在柳河彰武縣城段做了1個長100m的試驗段。

4.3.1施工前準備

現狀護坡拆除后，進行場地清理和邊坡整理，并外購護坡砌塊、耕植土等材料。采用的砌塊技術指標見表2。

表2 砌塊技術指標

4.3.2砌塊鋪設施工

(1)按照要求，沿坡度縱橫掛線，然后按線鋪裝，自下而上鋪設，相鄰護坡砌塊擠緊，做到橫、豎、斜線對齊，上表面水平。

(2)以垂向砌塊邊緣作為鋪設標準，沿水平方向依次進行磚塊鋪設，按照坡比對砌塊垂向埋深進行確定，相鄰的磚塊之間按照同一個橫向標準水平線進行鋪設，采用梅花型進行橫向磚塊的鋪設，相鄰2個磚塊之間的斜向高程在9cm左右，斜上方砌塊處于中間位置為最佳鋪設方位。

(3)坡腳第一排砌塊設置一道坡腳石，頂面與坡腳倚靠在坡腳石上且與頂面平齊。砌塊內填土以低于上邊緣2cm控制。

4.3.3護坡砌塊內植物栽植

(1)植物栽植。坡改平護坡砌塊安裝完成后，在砌塊孔內填充砂質土和農家肥，適當搗實，開始撒播草籽。撒播草籽標準：高羊茅撒播種籽約10粒/孔，苜蓿為撒播種籽約5粒/孔，然后覆土1cm，覆土后，每塊砌塊內土壤表面距磚上沿2cm。

(2)灌溉。施工完成后灌足水一次，灌水時采用噴灌、慢灌，以防水從砌塊內溢出對下層砌塊內的土壤和植物造成沖刷破壞。

(3)栽植植物養護管理。在施工后的前15d內，應視天氣和土壤墑情進行灑水灌溉，保持砌塊內土壤濕潤直至草種發芽并長出3片真葉后適當減少噴水次數。施工后一個月內視天氣和植物生長情況適當補充水分，注意保苗。施工完成后，經過3個月的觀察，護坡砌塊內的植物生長情況很好，坡面土壤流失問題得到解決。

4.3.4效果對比

工程實施后水土保持效果顯著。該技術與老式護坡磚相比減少土壤流失量可達到90%以上，特殊水平結構使磚內攔蓄降水和保水效果顯著增強。植物措施配置方法也較多，景觀效果好。該技術豐富了植物措施設計方案的選擇空間，使坡面綠化從單一草本綠化拓展到灌木與草本相結合進行綠化美化，并可以根據景觀需要在坡面上以灌木和草本組合出不同的圖案造型，使護坡工程與周邊環境融為一體。此外，后期管護投入少，自然植被長勢旺盛，蓄水保土和景觀效果良好，并可大大降低后期管護投入。

5 結語

(1)坡改平生態護坡適用于坡面水土流失嚴重的堤防護坡工程，此外坡改平生態護坡綜合單價約135元/m2，造價相對較高，比較適用于對生態景觀要求較高的城市段。

(2)護坡砌塊與坡頂可采用混凝土抹面進行銜接，可減少坡頂處水土流失，增加抗滑穩定性及外觀效果，對于耕植土缺乏的地區，采用地表清基的砂質土拌和農家肥代替耕植土可節約工期及工程投資。