湖南南洲国家湿地公园南茅运河生态柔性护坡设计探讨

吴照柏，但维宇，但新球，卢 立

(1.国家林业局中南林业调查规划设计院，长沙 410014； 2.中南林业科技大学，长沙 410004)

湖南南洲国家湿地公园南茅运河生态柔性护坡设计探讨

吴照柏1，但维宇2，但新球1，卢 立1

(1.国家林业局中南林业调查规划设计院，长沙 410014； 2.中南林业科技大学，长沙 410004)

针对南洲国家湿地公园南茅运河地质基础，采用生态柔性护坡技术，打造现代生态健康河流。其技术的核心是通过使用高抗拉强度的生态袋，配合正三角工形工程固定扣、粘剂、锚杆等特有的加固法，形成牢固的坡体护坡结构；特点是构造成的边坡造型美观、结构稳定，流水不流土，能够对植物生长提供优良条件。

南洲国家湿地公园；南茅运河；生态柔性护坡；设计

引言

南茅运河位于湖南省南县，是1976年人工开挖而成的运河。南茅运河北起县城南洲镇，南止县城茅草街镇，全长54.9km，其中主河道长43.9km，河面宽78m，为国内第二大人工运河。该运河担负着排灌调蓄、交通运输、生态环保、文化旅游等功能，受益耕地面积达2万多hm2，受益人口近30万人。多年来，由于受地质及自然环境变化等因素的影响，南茅运河排灌设施日益老化，两岸边坡及混凝土护坡严重崩塌；河床上升，大大降低了运河航道的货物吞吐量。

2011年，湖南南洲湿地被批复为国家湿地公园。南茅运河作为湖南南洲国家湿地公园的重要组成和南县的母亲河，当地政府拟将南茅运河建成具有南方湖乡特色、与南县地域文化相协调的生态运河长廊，打造集排灌、运输、观光、产业发展于一体的生态运河品牌。

目前，在城南路以南，现已建设3000多m的运河挡土墙。由于挡土墙采用的是传统刚性边坡方法，不但工程费用高，达500万元/km，而且景观效果较差；另外，由于区域地质基础为洞庭湖淤积平原，被雨水侵蚀后易坍塌。基于此，笔者在进行湖南南洲国家湿地公园总体规划时，针对南茅运河的护坡地质基础，采用生态柔性边坡支护技术，旨在打造一条生态健康的南茅运河，为湿地公园建设中河流湿地的保护提供示范。

1 传统边坡支护处理技术

1.1 刚性护坡技术

1.1.1 方法

对边坡支护处理工程案例的研究分析，传统刚性边坡的支护综合起来有以下几种处理方法。

1) 天然土石(无限土)方法。根据土石方自身的抗压抗剪切强度设计和确定。

2) 硬体挡土墙方法。硬体材料主要有：水泥、石头、钢筋、生态混泥土、钢筋混凝土挡墙，水泥土护坡，喷浆或喷射混凝土防护、水泥预制块、格构梁、浆砌石等。

1.1.2 问题

这些刚性边坡面临的共同问题主要有以下几点:

1) 容易被雨水侵蚀而破坏和垮塌，存在很大的安全隐患，常常造成严重事故和高昂的维修费用。

2) 刚性护坡基础建设要求高，钢筋混凝土施工难度大，周期长；且水泥、钢筋、混凝土等是高能耗、高污染、高成本建筑材料，消耗大量能源，造成资源浪费。

3) 水泥、石灰、钢筋等传统边坡工程材料的老化和降解，带来碱性污染对原生态环境中的水体生态系统造成长期侵害，污染水系，恶化水质。

4) 不能生长植物，噪音和热能吸收能力弱，甚至其硬质表面会发生散射、反射作用，产生热导效应，加剧温室效应。

5) 混凝土与基础坡体兼容性较差，阻断与大地之间的交流，加上非原生成份的引入，导致原生态平衡被严重破坏。

6) 地基沉降时及雨季气候灾害时，排水能力有限，造成边坡承重超负荷，直至坍塌、滑坡。

7) 传统刚性边坡受限于材料及施工特点，工程面貌千人一面，缺乏美感，易造成视觉疲劳。

1.2 柔性护坡技术

1.2.1 方法

传统柔性护坡方法主要是加筋土方法，即利用少量具有极大抗拉伸性能的材料——土工格栅，与大量抗压缩材料——土结合构成的。国内外柔性防护技术对于中层滑动护坡，以前普遍采用石笼、加筋格栅系统来构筑。浅层滑动护坡，常采用喷植法、植生带法、草苗植生法、打桩编栅、格构梁植生来护坡，其功能仅为抗风化及抗冲刷的坡面保护，该支护工法并不承受侧向土压力，仅适用于平缓且稳定无滑动之虞的边坡上。

1.2.2 问题

传统柔性护坡方法的缺点是：因植生土壤厚度不足，往往致使植物无法获取必要的养分及水分，因而生长不良或枯萎，尤其是遭遇泥岩、黄土、风化砂岩等恶劣地质边坡时，整治失败的案例屡见不鲜。

鉴于以上传统边坡支护技术的不足[1，2〗，在湖南南洲国家湿地公园南茅运河河道治理规划中，对南茅运河的护坡采用生态柔性护坡技术。

2 生态柔性护坡技术

柔性生态边坡通过使用高抗拉强度的生态袋，配合正三角工形工程固定扣、粘剂、锚杆等特有的加固法，形成牢固的坡体护坡结构，是一种轻质、柔性、水土生态友好，边坡流水不流土，同时也能够对植物生长提供优良条件的一种新型柔性护坡技术，具有绿色环保、水质净化维护、造型美观、结构稳定和经济可行的特点。

3 南茅运河河道生态柔性护坡设计

湖南南洲国家湿地公园南茅运河河道采用的柔性生态护坡，可以有效地防止河道边坡水土流失及边坡坍塌，是替代传统高耗能、多缺陷的混凝土或砌石护坡技术的有效方法。

3.1 设计原则

依据“绿色施工，满足环保、净化水质等要求，实现工程综合效益最优化；建造永续稳固、有生命力的永久性生态边坡”的设计理念，在功能性、景观性、稳定性、与自然环境的和谐性等方面满足以下要求。

3.1.1 绿色环保

作为一个已在当地人民生活生产中发挥重要作用的人工河，升级改造时，继续发挥其排灌、航运、文化旅游和生态环保等功能是首要前提。这就要求在进行河道配套治理时，充分考虑到不改变现有的自然绿化效果，采用环保类型的边坡支护技术。

3.1.2 净化水质

南茅运河是当地人民的饮用水源之一，对水质进行净化尤为重要。在规划治理的时候，未雨绸缪，预设相应水质净化及保护措施，对未来的经营管理，无论在效率上还是在效益上作用都是巨大的。

3.1.3 造型美观

运河沿线周边是典型的平原乡村景色，河道边坡的景观设计应结合周围的自然环境，景观造型植物选用适宜当地水文、气候、地形地貌等条件。河道线长达40多km，在植被绿化时要做到错落有致，既要保证局部美观，又要防止大面积的重复而审美疲劳。

3.1.4 结构稳定

边坡景观设计应首先保证边坡结构的稳定与安全。南县地处长江中下游，系洞庭湖淤积地貌，地质沉降明显。如果应用传统的刚性护坡，随着时间的推移，会被地质沉降毁坏，基本上这种刚性防护方式一般在3～4a后需要推倒重建(这在很多工程实例中已经得到证实)。因此应结合当地的地质地貌，选用更耐久、更稳固、更有效的支护技术。

3.1.5 经济可行

边坡景观设计必须使其造价控制在合理的范围之内。同时，设计方案应结合具体的工程特点，考虑其实际的经济可行性。

3.2 关键技术设计

3.2.1 生态袋

生态柔性护坡技术的核心工程构件是使用高抗拉强度的生态袋。生态袋是采用一种无纺织的土工布料(主要成份为高分子聚合物——聚丙烯)制作，未填土时尺寸约为85cm×47cm，装填土后尺寸约为65cm×38cm×18cm，可填土约60kg,填土厚度根据装土时的夯实程度而定。

这种生态袋具有优异的物理及化学性能，根据土工合成材料研究所(GRI)做的4个加速实验，当本系统生态袋按规范安装且完全覆盖后，在25℃的水气界面，施加260kPa压力，本系统的工程强度寿命可达200a。该构件经有关单位测定，每个单元抗拉力强度已超过29700N，是目前生态工法的最高强度材料。

其关键技术: ①生态沙土袋横向连接，纵向通过新一代正三角工程固定扣互扣，形成边坡三角结构单元；由这些单元互连成结构稳定、透水不透土、环境友善的新型软体边坡。 ②在软体边坡与回填土之间用加筋结构，使两者得以紧密结合，使整体得到有效的保护。

3.2.2 挡土结构

实际应用中发现，简单堆叠整体结构不稳定，与原始边坡不能完全契合。针对这类问题，设计采用丁顺相错堆叠方法形成具有内加固紧锁结构的挡土结构。即按照每隔两层全顺堆叠法后加一层两顺一丁堆叠法，袋体之间设置加固层，使生态袋墙体整体受力，经有关单位测试，改进后的堆叠结构使袋体抗拉力可高达29700N。

3.2.3 主要设计技术参数

根据南茅运河河道的实际调查材料和生态建设要求，确定南茅运河河道生态柔性护坡设计参数如表1。

表1 南茅运河河道生态柔性护坡设计参数序号技术要求标准1纵横向断裂强度/(kN/m)纵向8.5/横向8.52纵横向标准强度对应伸长率/%40～803CBR顶破强力/N≥16504纵横向撕破强力/kN≥2106等效孔径095/mm0.05～0.207垂直渗透系数/(cm/s)≥2.0×10-18厚度/mm≥1.2

3.2.4 施工设计

1) 生态袋与生态袋之间用正三角工形工程固定扣连接，将单个生态袋连接成牢固的整体。正三角工形工程固定扣是三角中空固定扣，以3颗三棱形倒钩刺形成三角形受力面，加上连接扣上16个排水洞，使组件之间的连接更为稳固。为防受力不均，连接扣上下两面均设计有6颗三棱形倒钩刺且透孔，单个倒钩长度必须大于24mm。连接扣规格为(330mm×120mm×52mm)的上下面各有6个棘柱，单个棘柱在任意状况下所能承受的剪切力均大于400N。

2) 生态袋填充土可就近取土，要求适宜植物生长。根据土质情况，在每立方米的土中约掺入13～20kg基肥及约30%的砂；对于河水长期淹没的部分，需要适当增加其中的砂石量，更有效地防止流失。

3) 生态环保系统建造完毕后，表面可喷播、插播草种，铺草皮等；植被的选择应适应当地气候条件；喷播采用粘稠剂、保水剂、有机纤维、植生土与精选植物种子按一定比例配合并加水均匀拌合的混合物，喷播后及时覆盖透气防护膜并洒水养护，防止生态袋直接在阳光下曝晒。喷播时混合物用量为：有机纤维用量350～450g/m2，粘稠剂等用量8～12g/m2。

4) 在堆叠生态袋之前,需将边坡上的杂草等杂物清理，将凹凸不平的地方整理平顺。

5) 各锚杆插入边坡的锚孔应事先打好，锚孔形成后必须检查，在安装锚杆前往孔里灌注M30水泥砂浆作为锚固剂，使锚杆连接牢固。

6) 为使堆叠的生态袋坡面与坡体保持固定，沿横向每2m、竖向每1.7m各设置一根锚杆，并呈梅花形布置，连接锚杆垂直坡面，最底层的排锚杆距路面1.5～1.0m，锚杆采用螺纹钢，锚杆外露端弯折10cm作为端头。

7) 生态袋填充植生土后，用连接扣和锚杆连接堆砌，形成生态柔性边坡系统。

8) 边坡工程体系建造完后，表面绿化可采用抹喷播、抹播压播等绿化方式，应选择适宜当地气候及环境条件的草种。

9) 对完工后的边坡上部，若有承重要求或行车要求的，需使用土工格栅反包生态袋，形成生态袋加筋边坡，或者采用钢筋混凝土框架保证荷载的安全传递。

3.3 主要经济技术优点

综上所述，在南茅运河采用生态袋环保材料构筑的新型柔性生态边坡系统，具有以下主要经济技术优点。

1) 绿色环保。 生态袋选用聚丙烯人造纤维材料针刺成网的高强度平面稳定材料。这种特殊配制的聚丙烯可以抵抗紫外线的侵蚀，不受土壤中化学物质的影响，不发生质变或腐烂，永久不降解，并可抵抗虫害的破坏，使用寿命可达200a。由于生态袋具有透水不透土的过滤功能，不但能够防止袋内的充填物流失,也能够使植物生长所需的水分得到有效的保持和及时补充。

2) 水质净化。由于传统的河道治理时采用浆砌片石挡墙等方式进行边坡防护，土壤与河水不能直接接触，土壤中的微生物无法进入水中，2～3 a后河水就会逐渐恶化,恶化后果直接表现为河水发臭，鱼类、藻类植物存活率低。生态边坡系统采用绿色环保的生态袋，河水与边坡土壤可进行有机交换,边坡土壤中的微生物能进入水中，能大大改善现有的水质，并且能长期保持优良的河水水质，符合现代经济建设提倡的“节能减排、绿色生态、绿色生活、发展低碳经济”的要求。

3) 造型美观。生态袋上面可以直接根据需要播种灌乔草各类植物。可依照周边自然环境，选择符合当地水文、气候等要求的植物进行景观造型，在造型多变的要求下兼顾到自然生态，形成真正的运河生态风光带。

4) 结构稳定。设计使用横向联接的生态袋，并用锚杆与边坡之间进行加筋加固，使柔性边坡成为一个柔性整体，强化了其重力式挡土墙的整体功能；同时由于生态袋的环境友好特性，其上的绿化植物根系也将穿过生态袋的缝隙进入边坡，植物根系间的穿插将进一步加强柔性护坡的整体性，使袋体与坡体之间时间越长越加坚固。

5) 经济可行。柔性生态边坡系统是一次性投入、长期使用的生态产品，无后续高额的维护费用。如浆砌片石挡墙，几年后随着地质底层变化，会断裂变形，需要完全重新治理。生态柔性边坡采用的生态袋可保持200a而不会被降解损坏，柔性边坡在底层即使有轻微变动时也能很好地调整适应。

4 结论与讨论

生态柔性护坡是目前包括河流在内的水岸护坡的主流，正在逐步替代传统的刚性护坡。生态柔性护坡的核心是要选择使用高抗拉强度的生态袋，配合特有的加固法，形成牢固的坡体护坡结构，才能够达到设计的效果。

由于生态柔性护坡具有结构稳定、绿色环保、造型美观等特征，因此，特别适合在国家湿地公园建设中应用。

[1] 顾海华,杨晓康.河道生态护坡类型探讨[J].城市道桥与防洪,2011,(6):127-129.

[2] 韩红玉,姜成堃,于喜兵,等.生态护坡技术在河道综合治理中的应用[J].水利建设与管理,2007,(9):75-79.

TheDesignofEcologicalandFlexibleSupportforNanmaoCanalSlopeofNanzhouNationalWetlandParkinHunanProvince

WU Zhaobai1, DAN Weiyu2, DAN Xinqiu1, LU li1

(1. Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration, Changsha 410014，Hunan，China； 2. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004,Hunan，China)

Nanzhou National Wetland Park；Nanmao Canal Slope；flexible support for ecological slope；design

2012-03-15

2012-04-12

吴照柏(1978-)，男,安徽庐江人,研究生,工程师,从事林业调查规划工作。

TV223；P343.1

B

1003-6075(2012)02-0041-04

Abstyact： Ecological and flexible support for slope is a key technology in constructing eco-healthy rivers, and it is gradually replacing the traditional rigid support technology. The core of this technology is, by the use of high tensile strength of eco-bags，adhesives, anchor and the triangular-shaped fixed buckles, to form a reliable slope body protection structure which is characteristic of attractive appearance, structural stability and, above all, allowing the flow of water but keeping the soil, thus providing excellent conditions for the growth of plants.