水库消落带消浪植生型生态护坡技术应用

鲍玉海，唐 强 ，2，高银超

(1.中国科学院成都山地灾害与环境研究所山地环境演变与生态调控重点实验室，四川 成都 610041;2.中国科学院研究生院，北京 100049;3.西南大学资源环境学院，重庆 400715)

水库消落带是库区生态系统的重要组成部分，消落带生态系统的健康是库岸稳定和水库安全运行的重要保障，直接关系到库区社会经济的持续、稳定发展。同时，消落带是一种在人为干扰下的特殊生态环境，反复周期性的裸露和浸泡以及水位涨落，会使消落带的地形、土壤和水分状况发生一系列的变化[1]。此外，在大型水库和湖泊中，风浪常常引起库(湖)岸的侵蚀和崩塌。这种变化使区内原有的植被生态系统受到毁灭性的破坏，而新的植被生态系统又很难在短时间内建立起来，造成生态环境极端变化，库岸消落带植被恢复已成为世界性难题[2]。

消浪固土是消落带植被恢复的关键，而主要依靠植被来保护土壤的治理措施不能在长期淹没或持续波浪冲刷条件下稳定发挥作用。因此，需要借助一定的工程措施来保护坡面土壤。以保护堤岸为目标的消浪工程技术已经相当成熟，在海洋、江河、湖泊中应用十分广泛，但以保护沿岸带浅水区免受风浪侵蚀的工程技术却相当贫乏。现有的几种都属于人工刚性结构，如块石驳岸和混凝土护堤虽然在一定程度上暂时解决了沿岸带侵蚀问题，但是往往成本较高、施工复杂。此外，刚性结构还阻隔了土壤与外界环境的有机联系，造成了沿岸带土壤生态功能的严重破坏。笔者介绍一种消浪植生型生态护坡技术，采用生物—工程措施消浪固土护坡，可以彻底解决现有消落带生态护坡方式带来的土壤流失问题，可广泛应用于河道边坡防护、消落带植被恢复等领域，对生态环境改善和水土保持工作具有重要的现实和长远意义，具有显著的社会和生态效益。

1 消落带生态环境问题及生态护坡研究现状

1.1 消落带生态环境问题

水库蓄水后，消落带原有陆生植被会死亡，进而根系腐烂，固结作用消失;坡地岩土长期受浸泡，重量会增加，强度会降低。在风和船舶航行产生的波浪长期拍击下，土质库岸易遭侵蚀，特别是没有植物根系固结的土质库岸，松散堆积物会被分解为单个的岩土颗粒。在库水位周期性涨落引起的地下水水位变动、波浪的拍岸侵蚀和蓄水后岩土强度降低的共同作用下，消落带土壤侵蚀异常强烈，侵蚀方式多样。而消落带又是库区陆域与水库水体之间的生态过渡与缓冲带，这一区域的侵蚀产沙将直接进入水体，直接影响水库安全运行。另外，由于移民后靠政策的实施，消落带周边人口密度剧增，人类活动和经济活动持续增长，给消落带带来的压力也愈来愈大。如消落带土地资源的开发利用、土壤侵蚀、面源污染和水环境恶化等问题日渐突显，已经成为三峡水库蓄水后所面临的严峻生态问题[3]。因此，开展消落带土壤保持关键技术的研究，是保障流域水安全和水利水电工程安全的根本措施，极为紧迫且非常必要。

1.2 消落带生态护坡技术的研究现状

传统的水库消落带护坡技术主要有3种类型:一是单纯利用植物护坡，二是单纯使用工程措施进行坡面防护，三是植物、工程措施复合护坡技术。总体而言，目前针对水库消落带生态防护的研究多集中在适合水淹植物种类选择、控制农业面源污染和植被重建、城镇区域消落带工程防护等方面，而现有的研究成果难以完全满足实际需要。

目前消落带利用植物护坡的研究较多，主要集中在耐淹植物的遴选、繁殖和耐水淹机理研究以及消落带植被恢复应用技术体系研究等方面[4]。还有学者通过对消落带的特征及其植被作用的研究，提出了库区消落带梯度生态修复概念，为构建健康运行的库区生态系统提供了一种思路[5]，但是实践证明单纯的植被护坡的效果在消落带并不理想[6]。在波浪冲击的水道边用植物护坡的方法，只能适用于浪高不大(20～40cm)且频率不高的河道边坡上[7]。

消落带单纯的工程治理措施多分布在城市边缘、码头等，因考虑到防洪需要，消落带的处理大部分以硬质护坡为主，主要有浆砌或干砌块石、现浇混凝土、预制混凝土块体、泥灰土等刚性铺面材料。这些护坡工程的造价相对较高，且仅从满足岸坡的稳定性和行洪排涝功能的角度出发进行设计施工，适应性较差、容易塌方，而且一旦发生局部破坏，就容易发生连锁式破坏。另外，单纯的工程措施忽略了自然环境的再造恢复，很少考虑对环境和生态的影响，由致密材料制作的防护体阻断了土壤与外界的有机联系，进而导致土壤生态功能的丧失，背离了治理的初衷。

随着对消落带生态环境问题研究的不断加强，越来越多的学者认识到必须将工程措施和生物措施相结合[3]，如利用香根草与工程综合技术治理消落带的水土流失、水体富营养化、重金属污染、固体废弃物污染和垃圾渗滤液污染等。另外，网状织物、植被混凝土、防护垫等柔性铺面材料也在消落带坡面防护上广泛运用。但是柔性材料的防护措施不能在长期淹没或持续流态条件下稳定发挥作用。此外，土框架种植槽、预制板护岸槽、自然式覆土护岸种植、嵌式护岸种植、护岸植草砖、网袋式覆土护岸种植等生态护坡植生技术也被大量应用到护坡工程中，尤其是生态护坡砖更是被广泛推广。但是，通过长期的试验观测和调查发现，由于没有对生态植生砖空心部分填充的土壤做特定的防护设计，易受到雨水冲刷和波浪淘蚀。

2 消浪植生型生态护坡技术原理与构成要素

2.1 消浪植生型生态护坡技术原理

消浪植生型生态护坡是既满足固持消落带土壤的防护标准，又有利于消落带土壤—植被—水分系统恢复生态平衡的系统工程，体现了人与自然环境协调发展理念。通过设计一种自锁定消浪植生型生态护坡构件，铰链式平铺于消落带坡面，在水陆交界面形成一个连续的波浪缓冲带，最大限度地降低波浪冲刷力，保护消落带表层土壤。并在构件植物栽植孔中种植桑树、狗牙根、牛鞭草、李氏禾、野地瓜等水土保持植物，灌木和草本植被茂密的茎叶和根系分布在土壤表层，通过它们的水文效应与力学效应(根系锚固作用)来实现坡面的固土性及稳定性，从而对消落带边坡表层进行防护、加固，使之既能满足对边坡表层稳定的要求，又能恢复遭破坏的自然生态环境，实现生物—工程相结合的消落带生态护坡理念。

2.2 消浪植生型生态护坡构件

自锁定消浪植生型生态护坡构件是从生态护坡砖(鱼巢砖)延伸出的一种新型复合结构物，主要是依靠自嵌式砖体干垒而形成的柔性护坡结构。此结构无需砂浆砼施工，仅依靠带有凸缘的块与块之间嵌锁作用和自身重量来防止滑动倾覆。消落带自锁定消浪植生型生态护坡构件由基本形状为正方形的两种砖体组成(图1、图 2)，其中一种砖体的 4个侧边上分别设置有链接槽，砖体中部设置有栽植孔，栽植孔呈四周向上凸起的外翻弧形面槽体，且栽植孔槽体周围邻接处均设置有反弧悬挑凸体。反弧悬挑凸体的截面形状类似于等腰梯形，其上底大于下底，两腰为弧形。砖体正面设有人字形排列的凸棱，砖体底面设有用作揳入土壤的楔形体，并且砖体上开有渗水透气孔。另一种砖体的 4个侧边上分别设置有用于与链接槽(⑤)嵌接的链接楔合块(⑥)，除此以外，同样设置有栽植孔(①)、反弧悬挑凸体(②)、渗水透气孔(③)、楔形体和凸棱(④)。

2.3 实施方案

2.3.1 铺设自锁定消浪植生型生态护坡构件

根据设计坡比进行边坡基础处理，先清理场地，清除多余的杂草、树根等，在孔洞、淤泥和凹陷处填土压实，使边坡表面平整，符合设计边坡要求。从坡面下边沿开始连锁铺设自锁定护坡构件，用钢筋制作 U形锚钉，在下沿第一行和上沿最后一行间隔一定距离把U形锚钉插入护坡构件相邻的栽植孔内，同时在护坡体下沿随机插入木桩或钢钎并稍微高出护坡体，使护坡体与坡面相锚固，并在护坡构件空隙和开孔内填满土壤。

图3 自锁定消浪植生型生态护坡构件铺设效果示意图

2.3.2 布设植物措施

根据护坡构件栽植孔的不同大小，分别选择乔灌木和草本植物，采用无性繁殖或有性繁殖后直接种植或移植到工程区。乔灌木树种选择耐淹耐旱的桑树、柳树等，草本植物主要为狗牙根、牛鞭草、李氏禾等，这些乔灌木和草本植物均在三峡水库消落带通过了筛选试验[8]。种苗质量直接影响桑树和柳树的成活率与长势，因此要选用优质种苗。

2.3.3 消浪固土护岸系统的形成

栽植的灌木和草本植物经过一段生长，根系不断发育，形成分布于不同深度的根系层。随着时间的推移，其根系在坡面土体中盘根错节，使土体强度提高;地上部分簇生成丛，形成致密的绿篱带。通过植物体的根系、茎干，使土体、护坡构件、铰链式护坡体形成一个牢固而致密的生态护岸防浪系统。

3 消浪植生型生态护坡技术效益分析

3.1 护坡面稳定性高

本技术采用四面自锁结构来实现单体构件之间的连接，环环相扣，其稳定性优于传统的双面键槽结构。而且构件与构件之间通过相互楔合固定位置而非砂浆衬砌，块体间允许有一定的位移和变形，因此该系统对坡面小规模变形具有高度的适应性。此外，在护坡面铺设中，构件背面均匀分布的小楔形凸体可以揳入土壤之中，从而使构件更牢固地固定在坡面上。

3.2 消浪固土效果好

本技术设计的护坡构件栽植孔四侧分布悬挑凸体，凸体内(临栽植孔)外(临水侧)侧面的反弧形设计，一方面高效抵消了外侧的波浪能量，另一方面有利于构件栽植孔内的土壤保持，为水保植物的生长提供稳定的土壤环境。分布于构件块体正面均匀排列的人字形凸棱，大大增加了整个块体的粗糙度，可以从不同角度击碎波浪，极大地消耗了波浪的能量。

3.3 生态功能强，有利于土壤保持和植被恢复

本技术的另外一个优点是与传统边坡防护技术相比，突出考虑了原坡面生态环境的保护，尽可能为护坡面上栽植的水保植物提供良好的生存条件。消浪植生型生态护坡构件设计充分考虑了栽植植物的特性，可有几种不同孔径的栽植孔，分别为栽植乔木、灌木及草本植物使用，从而增加了植物措施生态系统的层次及稳定性，利于发挥更大的生态防护效益。同时，构件由高渗水性的粉煤灰、矿渣、煤渣等环保材料制成，再加上栽植孔四周均匀分布的8个渗水透气孔，形成高开孔率渗水型的铺面结构，可以最大限度地碎波和提高排水能力。

3.4 施工快速、便捷

消浪植生型生态护坡构件采用单块单孔设计，克服了传统边坡防护技术设计中单个构件体积过大的缺点，利于材料运输与工程施工。在施工应用时无特殊要求，只需注意两种护坡砖的正确搭配使用即可。同时，可根据水保植物措施方案，选择不同孔径的砖体进行组合，从而实现最佳的植物防护效果。另外，为加快施工进度，可以在整个工作区内分区同时进行施工。

3.5 可有效避免生态破坏

构件开孔部分一方面起到渗水、排水的作用，使得整个构件具有良好的通透性，从而保证了原坡面土壤与外界正常的物质能量交换，维护了原土壤的生态环境与正常生态功能的发挥，另一方面起到增加植被面积、美化环境的作用。同时，这种结构可以作为原坡面土壤水分的“调节器”，当旱季来临时，渗水透气孔可以预存储部分水分，整个构件块体可以有效防止原土壤水分的蒸发散失;当雨季来临时，渗水透气孔及构件块体可以防止过多水分进入土壤，从而有效防止因土壤水分过多所造成的原坡面崩滑等危险。

4 结 语

消浪植生型生态护坡技术提供了一种消落带自锁定消浪植生型生态护坡构件，可显著强化边坡防护面的稳定性，能够适合波浪侵蚀严重的消落带岸坡防护，且具有稳定性高、适应性强、消浪作用好以及环境友好的特点。同时，护坡构件设计中配置的乔木、灌木及草本植物使用的栽植孔，利于增加植物生态系统的层次及稳定性，发挥最大的生态防护效益。由高渗水性环保材料制成的护坡构件，形成高开孔率渗水型的铺面结构，具有良好的通透性，保证原坡面土壤与外界正常的物质能量交换。同时，工程实施后可以调节坡面土壤水分，旱季可有效防止土壤水分蒸发散失，雨季渗水透气孔及构件块体可有效排水防止过多水分进入土壤。

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[5]戴方喜，许文年，刘德富，等.对构建三峡库区消落带梯度生态修复模式的思考[J].中国水土保持，2006(1):34-36.

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