坡改平生態(tài)護(hù)坡技術(shù)在柳河彰武段堤坡中的應(yīng)用

盧 敬

(興城市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 興城 125100)

堤坡的土質(zhì)和保水能力較低，植被難以生存，削弱了堤壩的生態(tài)效應(yīng)，堤壩的空曠地帶容易出現(xiàn)灰塵，嚴(yán)重影響了該地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量。經(jīng)過長時(shí)間的風(fēng)蝕和雨水侵蝕，堤壩遍布全身，嚴(yán)重威脅堤防的安全運(yùn)行。生物護(hù)坡載體不適合建設(shè)在細(xì)沙堤護(hù)坡在干旱地區(qū)，當(dāng)前生態(tài)護(hù)坡類型包括生態(tài)聯(lián)鎖磚、生態(tài)混凝土等，生態(tài)聯(lián)鎖磚由于其具有一般的生態(tài)效果、抗侵蝕和水土保持功能，在后期處于中等層次的運(yùn)營和維護(hù)管理，從工程實(shí)例的早期應(yīng)用來看，后期難以有效保證生態(tài)聯(lián)鎖的運(yùn)營、維護(hù)和建設(shè)周期，項(xiàng)目實(shí)施效率不高。盡管生態(tài)混凝土具有良好的生態(tài)效果，但其施工周期長，早期維護(hù)成本高，與堤防內(nèi)部土壤質(zhì)量的相關(guān)性低。內(nèi)部保水很難進(jìn)行土壤補(bǔ)給，需要人工澆水，導(dǎo)致后期維護(hù)成本高。

坡改平生態(tài)護(hù)坡技術(shù)是水土保持科學(xué)研究成果近年來完成的，該技術(shù)是解決公路基礎(chǔ)設(shè)施常見土壤侵蝕問題的一種新的生態(tài)邊坡防護(hù)技術(shù)，然而，它在河道中的使用仍然有限。該技術(shù)的特殊結(jié)構(gòu)使其特別適用于需要大規(guī)模現(xiàn)場控制的建筑項(xiàng)目，如道路和河流工程。它可以完全依靠天然植被恢復(fù)綠色邊坡。自然恢復(fù)的雜草具有較強(qiáng)的抗旱性，能承受貧瘠的條件，能抵抗沙塵暴和干旱地區(qū)，有效地減少了景觀設(shè)計(jì)、未來維護(hù)費(fèi)用和項(xiàng)目成本[1-3]。

1 堤防堤坡破壞機(jī)理

1.1 氣候

在風(fēng)沙干旱地區(qū)，降雨量少，壩坡的土壤水分不足，植物難以生存，如遼寧柳河彰武段，氣候?qū)儆诎霛駶櫟拇箨懶约撅L(fēng)氣候，太陽輻射充足，晝夜溫差變化較大，春風(fēng)強(qiáng)而頻繁，冬季較長，年平均氣溫7.2℃，最高氣溫37.1℃，最低氣溫-30.3℃，平均風(fēng)速3.6m/s，最大風(fēng)速37m/s，柳河兩岸的堤壩長期暴露在自然環(huán)境中，普遍裸露在外，損壞嚴(yán)重。

1.2 土壤特征

細(xì)沙材料的抗剪強(qiáng)度低，土壤和水的保持力差，而且抗侵蝕性差等問題，導(dǎo)致細(xì)砂路堤的邊坡受到嚴(yán)重的土壤侵蝕。土質(zhì)較差，堤壩易受雨水侵蝕，形成雨水溝，嚴(yán)重威脅堤壩的安全運(yùn)行。柳河是泥沙含量較大的一條河流，上游鬧德海水庫植被稀疏，水土流失較為嚴(yán)重。侵蝕系數(shù)超過2000t/km2，河沙含量超過40kg/m3，是遼河流域的采砂最高的區(qū)域。路堤填充物主要由河流兩岸的細(xì)沙和粉質(zhì)土組成，黃色至黃褐色，疏松至微密狀態(tài)，細(xì)砂顆粒與基礎(chǔ)之間沒有內(nèi)聚力，內(nèi)摩擦角小，抗剪強(qiáng)度低，平均粒徑小，導(dǎo)致細(xì)沙對雨水侵蝕的抵抗力較弱。堤身土顆分試驗(yàn)成果詳見表1。

表1 堤身土顆分試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

1.3 植被覆蓋

植被覆蓋和枯枝落葉能有效減少雨滴侵蝕，有效攔截部分降雨，減少降雨量，保水性，有效地控制水土流失。植被還增加了土壤空隙的比例和結(jié)構(gòu)，有利于水滲入土壤，減少徑流的數(shù)量和速度，有效防止水對土壤顆粒的沖刷作用，形成自然的徑流調(diào)節(jié)效果。較細(xì)的植被還可以增加土壤壓實(shí)度，防止斜坡侵蝕，提供有效的斜坡護(hù)坡及護(hù)坡工程，并加強(qiáng)流域的沙土涵養(yǎng)能力。考慮到當(dāng)氣候條件基本不變，堤土沿著線應(yīng)該放棄，應(yīng)該采用方便和廉價(jià)的細(xì)沙，購買土材料的項(xiàng)目成本高和經(jīng)濟(jì)合理性差。為解決風(fēng)沙干旱帶細(xì)砂堤防邊坡破壞問題，為解決植被覆蓋率低問題的生態(tài)化考慮采用生態(tài)護(hù)坡是解決植被覆蓋率低問題的合理可行的途徑。

2 粉細(xì)砂堤防護(hù)坡型式

鑒于生太護(hù)坡介質(zhì)不適合在風(fēng)沙干旱地區(qū)的侵蝕控制壩建設(shè)，生態(tài)加固最好采用其他護(hù)坡方法，論文對河道治理工程中常用的兩種生態(tài)護(hù)坡方法的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。并研究了一種適用于風(fēng)沙干旱地區(qū)粉細(xì)砂建設(shè)的新型生態(tài)護(hù)坡方法。

2.1 生態(tài)聯(lián)鎖磚

生態(tài)聯(lián)鎖磚是不同規(guī)格型號的預(yù)制混凝土砌塊的總稱，厚度為100mm，長度為400～500mm，寬度約為300mm。中間的一個(gè)或多個(gè)洞用來填土和種植作物。由于其特殊的抗沖擊性和在斜坡上植被生長的空間，它通常被稱為生態(tài)聯(lián)鎖磚，以區(qū)別于傳統(tǒng)的實(shí)心聯(lián)鎖磚。生態(tài)聯(lián)鎖磚適用于小流域的堤防施工，以控制水土流失。聯(lián)鎖磚具有特有的聯(lián)鎖功能，有效地減少了磚在水中的整體穩(wěn)定性[4-5]。柔性開孔滲透性降低了沖擊水的速度，降低了水壓，改善了排水性能。由于有了開口，滲流和排水效果得到了增強(qiáng)；還可以增加植被覆蓋率，具有顯著的生態(tài)效應(yīng)。

2.2 生態(tài)混凝土

生態(tài)關(guān)注的是生物體和其直接環(huán)境之間的關(guān)系；混凝土由膠凝材料、水基材料和骨料按一定比例形成的，有一定養(yǎng)護(hù)和固化的人工材料，并具有一定生態(tài)效應(yīng)的混凝土，稱為生態(tài)混凝土[6-8]。與傳統(tǒng)混凝土相比，它的水泥用量明顯減少，具有良好的滲透性和水處理性能，具有生物兼容性[9-10]，它對生態(tài)的影響主要是附著生物，對生物的生長影響不大。

2.3 新護(hù)坡型式

生態(tài)聯(lián)鎖磚由于抗水土流失能力和生態(tài)效果一般，前期和后期維護(hù)管理成本相對較高，后期維護(hù)難以保證，導(dǎo)致工程保證率低；然而，生態(tài)混凝土的建造需要很長時(shí)間，初期維護(hù)成本較高，后期維護(hù)成本更高。由于大部分需水量來自降水，也需要人工澆水，內(nèi)部土壤用水量相對較少。因此，有必要探索一種新型的生態(tài)護(hù)坡在某些領(lǐng)域需要高耐水土流失和生態(tài)效應(yīng)。經(jīng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)坡改平生態(tài)堤壩的坡度滿足上述條件。

這是一種新型的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，旨在解決土壤侵蝕的問題，從20%～80%的土壤流失的六邊形空心護(hù)坡塊，被廣泛用于道路、河道和其他基礎(chǔ)設(shè)施。生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的特殊結(jié)構(gòu)使其特別適用于現(xiàn)場管理粗放的建設(shè)項(xiàng)目，如道路、河流等，天然植被的綠色邊坡可以完全恢復(fù)，自然再生的雜草具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和抗旱性，可以大大節(jié)省綠化成本，同時(shí)后期維護(hù)成本和項(xiàng)目成本可以大大降低。

3 坡改平技術(shù)工藝

3.1 技術(shù)原理

其施工原理與生態(tài)聯(lián)鎖磚的施工原理幾乎相同，通過預(yù)制混凝土砌塊的安裝互聯(lián)，完全覆蓋整個(gè)邊坡，并通過預(yù)制砌塊中間的孔洞對邊坡進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。除了外觀的不同，兩者最大的2個(gè)差別，①坡改平生態(tài)防坡塊的坡面為水平面，坡面為傾斜面，即通過將原坡面施工成與梯田性質(zhì)相似的連續(xù)臺階，然后實(shí)現(xiàn)節(jié)水效果，降低坡垂直流量，也是坡改平名稱的主要來源；②生態(tài)護(hù)坡塊體邊坡具有3個(gè)滑動阻力齒，為了確保斜坡的穩(wěn)定性，與斜坡的摩擦力進(jìn)一步增加。這種生態(tài)護(hù)坡塊將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與小平面上的斷坡相結(jié)合，與地面融為一體。坡體上端處于水平狀態(tài)，可以穩(wěn)定斜坡地面，這也有助于保留水分和減少沙子。與以前的六邊形空心磚相比。該技術(shù)減少了90%以上的水土流失，從而提高了護(hù)坡水平。適宜的牧場包括高羊茅、葦狀羊茅、魯山、夏芳草、五葉芳草和二月蘭。

3.2 施工工藝

該生態(tài)護(hù)坡塊的施工順序?yàn)樽韵露希催吰缕秸螅仍谄履_處砌體基座，再由基座向上逐層施工。坡改平的生態(tài)塊的下部應(yīng)以恒定的深度鋪設(shè)在具有不同坡度系數(shù)的斜坡上，這樣，上部是水平的，上部與斜坡相連。每個(gè)邊坡平整施工后，用混合草籽和肥料的種植土填充生態(tài)護(hù)坡塊，并壓實(shí)，當(dāng)施工到達(dá)靠近坡頂?shù)目臻g，對于少于一塊的空間，采用上坡腳塊或現(xiàn)澆混凝土封閉坡頂，下半部分與保護(hù)腳的接縫處還用現(xiàn)澆混凝土密封，防止雨水通過縫隙與坡面直接接觸而造成的接觸性侵蝕。塊內(nèi)種植的植被和土壤減緩了流入堤壩的水流，并降低了堤壩上的流速。另一方面，當(dāng)路堤內(nèi)部的孔隙水通過邊坡滲透時(shí)，也可以起到過濾作用，避免路堤內(nèi)部細(xì)土的流失。造成路堤迎水邊坡的失穩(wěn)。坡改平的生態(tài)護(hù)坡塊為六邊形正方形，每個(gè)外緣長度20cm，單塊重量約15kg，適合人工施工，據(jù)研究，每平方米(8片)到項(xiàng)目現(xiàn)場的落地價(jià)約為110元，人工澆筑單價(jià)約為20～25元/m2，種土、草籽、化肥的建設(shè)成本約為5～7元/m2，生態(tài)護(hù)坡塊體建設(shè)項(xiàng)目的直接投資約為136～143元/m2。簡單的早期維護(hù)是坡改平的生態(tài)護(hù)坡塊的另一個(gè)主要特征，由于在坡面上保水效果好，灌溉周期相對較長，雨水收集利用率高。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 工程概況

柳河在彰武縣境內(nèi)缺乏用于路堤建設(shè)的粘性土壤，建筑基本上是由細(xì)沙構(gòu)成的。目前，護(hù)岸主要采用混凝土板。河堤生態(tài)恢復(fù)較差。大雨過后，山體滑坡和因侵蝕而導(dǎo)致的局部斜坡塌陷對堤壩的安全運(yùn)行有很大影響。堤壩的土質(zhì)和保水能力較低，坡上的植被難以生存，堤壩的生態(tài)效應(yīng)較弱，堤壩的空地上會產(chǎn)生粉塵，嚴(yán)重影響該地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量。經(jīng)過長時(shí)間的天氣侵蝕，大堤上布滿了雨滴，對大堤的正常運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。細(xì)沙不適合作為斜坡生物保護(hù)的直接介質(zhì)，因此必須使用其他工程手段在堤岸斜坡上構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)，以創(chuàng)造干燥區(qū)域。

4.2 坡改平生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.2.1坡頂封頂型式優(yōu)化

目前，在的生態(tài)護(hù)坡工程中，大多數(shù)坡頂都是通過護(hù)坡塊與邊坡直接相連的，由于采用六邊形結(jié)構(gòu)，邊坡的頂部塊體可能無法直接與頂面連接，導(dǎo)致護(hù)坡與頂部連接松散，坡頂?shù)耐寥篮苋菀妆唤涤隂_走，使施工變得困難，而且不美觀。這是解決上述問題的好辦法。混凝土抹灰的具體規(guī)格為厚5cm，水平段長15cm，坡段長度根據(jù)頂塊與坡頂?shù)木嚯x確定。采用混凝土抹面進(jìn)行封頂，這使路堤塊和坡頂之間的連接更加緊密，防止了坡頂?shù)那治g，改善了路堤運(yùn)行的穩(wěn)定性和外觀。

4.2.2砌塊內(nèi)土壤改良

為提高保護(hù)區(qū)內(nèi)的植物存活率，建議使用耕作土作為坡改平內(nèi)的土壤材料進(jìn)行邊坡整平，對于以細(xì)沙為主的風(fēng)沙干旱地區(qū)，耕地稀缺，外購成本高。沿線土壤以砂土為主，獲取方便，成本低廉。其中，清表土材料中的淤泥含量相對較高，滿足植被生長要求的景觀設(shè)計(jì)可以取代購買的農(nóng)業(yè)用地，并減少項(xiàng)目成本。

4.3 坡改平生態(tài)護(hù)坡實(shí)際效果

4.3.1施工前準(zhǔn)備

拆除現(xiàn)有護(hù)坡后，進(jìn)行現(xiàn)場清理和整坡，從外部購買護(hù)坡塊、種植土等材料。所用砌塊的技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 砌塊技術(shù)指標(biāo)

4.3.2砌塊鋪設(shè)施工

(1)根據(jù)施工要求，沿坡度上下懸掛直線，然后按直線鋪設(shè)，從下往上鋪設(shè)，將相鄰的護(hù)坡塊擠緊，將水平線、垂直線和對角線對齊，保持上表面水平。

(2)按水平方向順序鋪設(shè)磚塊，以砌塊垂直邊緣為鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，砌塊垂直深度按坡度比確定，相鄰砌塊間磚按同一水平標(biāo)準(zhǔn)水平線鋪設(shè)。并要求絕對水平保證。水平鋪磚采用梅花形，相鄰磚之間的斜標(biāo)高有效控制在9cm左右，最佳鋪磚方向是將磚斜放在中間位置。

(3)坡腳第一排塊體設(shè)置趾石，頂面靠在趾石上，與頂面齊平。砌塊內(nèi)部的土壤填充應(yīng)控制在上邊緣以下2cm處。

4.3.3護(hù)坡砌塊種植植物

(1)植物栽植。坡改平護(hù)護(hù)坡砌塊安裝完成后，用砂土和農(nóng)家肥填充塊的孔洞，適當(dāng)壓實(shí)，并開始播種草籽，草籽播種標(biāo)準(zhǔn)：高羊茅每孔播種約10粒，苜蓿每孔播種約5粒，然后覆蓋1cm的土壤，覆土后，每塊磚內(nèi)部的土壤表面距離磚的頂部邊緣2cm。

(2)灌溉。施工完成后，應(yīng)一次性澆足量的水。應(yīng)使用灑水噴頭和慢速灌溉，確保水不會從砌塊上溢出，侵蝕或破壞砌塊下面的土壤和植被。

(3)栽植植物養(yǎng)護(hù)。灌溉應(yīng)在施工后15d內(nèi)進(jìn)行，這取決于天氣條件和場地的土壤含水量，在草籽發(fā)芽和出現(xiàn)3片真葉之前，保持土壤濕潤，可以將澆水減少到適度水平，在施工后1個(gè)月內(nèi)，應(yīng)根據(jù)植物生長情況進(jìn)行補(bǔ)水，然后對這些植物進(jìn)行管護(hù)，如果在施工結(jié)束后，經(jīng)過3個(gè)月的觀察，堤壩上的植物都很健康，生長良好，那么基本解決水土流失問題。

4.4 效果對比

實(shí)施后，水土保持效益明顯，與老式護(hù)坡磚技術(shù)相比，土壤流失可減少90%以上。而且磚的特殊水平結(jié)構(gòu)可顯著提高降雨量和水保效果。也有越來越多的方法來配置具有高景觀效益的種植安排，這項(xiàng)技術(shù)豐富了種植選擇，斜坡上的種植選擇范圍已從單一花卉擴(kuò)大到灌木和草坪的組合種植和重新植被。還可以根據(jù)景觀需要在斜坡上組合不同的灌木和草本植物標(biāo)本，并將斜坡保護(hù)項(xiàng)目與周圍環(huán)境相結(jié)合。它們還提供了后期管護(hù)投資、旺盛的自然植被生長、良好的保水和景觀效益，并大大減少了后期管護(hù)投資。

5 結(jié)語

坡改平生態(tài)堤壩設(shè)計(jì)適用于坡面水土流失嚴(yán)重的堤壩工程，生態(tài)堤壩設(shè)計(jì)的單價(jià)約為135元/m2，相對較高，適用于對生態(tài)景觀要求較高的城市地塊。混凝土抹面可以用來連接坡塊和坡頂，以減少坡頂?shù)哪嗌沉魇В纳瓶够€(wěn)定性和外觀。在耕地土壤匱乏的地區(qū)，在經(jīng)過表面處理的地基上使用混有肥料的沙質(zhì)土壤可以節(jié)省施工時(shí)間和投資。