寒冷地区堤防岸坡生态修复技术研究与应用

韩 雷，狄高健

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

北方寒冷地区有着独特的气候条件，护岸结构比非寒冷地区有着更加复杂的受力环境，在冻胀、融沉、静冰压力等因素影响下，许多传统的护岸结构被破坏，急需能够解决上述问题同时又兼顾生态效应的新型护岸结构。在我国南方温暖地区适用的结构型式，在我国北方寒冷地区不一定适用，这就需要探讨寒冷地区的环境特点，找到适合的生态护岸结构并对应用中的关键技术开展研究。项目组开展了生态型护岸技术在寒区应用的相关研究工作，研究成果有针对性地探索了这些问题，并率先把这些生态护岸结构型式在寒冷地区进行应用和示范。

1 生态护岸结构寒区适用性研究

1.1 几种典型寒区生态护岸结构型式

针对寒冷地区的特殊环境，综合国内外的成功经验或失败教训，集成了两种生态护岸结构，即：格宾结构护坡、铰链式护坡。

1.1.1 格宾结构护坡

格宾产品技术起源于意大利，又称镀锌低碳钢丝编织六角网，是采用高强度的镀锌低碳钢丝，由机械编织成的双绞六角形钢丝网，采用双扭结网目(见图1)，即使局部断裂也不影响整体稳定[1]。钢丝外面可以覆抗老化的PVC膜，保护钢丝，增加网箱的工程寿命。根据镀锌量的不同，格宾产品的寿命为10～100 a。格宾网可以做成箱体，内部填充块石等材料，作为建筑构件使用。通常箱体厚度小于50 cm的称为格宾网垫(或雷诺护垫)，厚度大于50 cm的称为格宾网箱[1]。格宾产品在国外已经使用了几十年，近些年由马克菲尔公司引入中国，格宾网箱构件示意图见图2。

图1 格宾网箱(网垫)网面示意图

图2 格宾网箱(网垫)构件示意图

格宾产品结构类型有格宾网箱挡墙结构、格宾网垫护坡结构、加筋格宾挡墙结构、格宾网箱固脚结构、格宾网落石防护结构，以及公路加筋网结构等。格宾产品目前在国外已经广泛应用于水利、航道、桥梁、港口、涵洞、公路，以及铁路等领域。格宾产品在水利工程中可以用作江河、湖泊、水库、渠道等的护岸、护坡，也可以用作山体挂网防护、山区水土保持及泥石流治理等。

格宾网箱或格宾网垫中的填充材料，根据当地材料的不同而不同，在石料丰富的山区，一般填充河卵石或块石；在缺乏石料的平原地区可以衬土工布后填充土壤；在城市也可以用建筑垃圾填充。由于就地取材，材料价格低廉，因此可以有效降低工程造价。

格宾结构有着工程造价低、施工简单、结构稳定、贴近自然、工期灵活等诸多优点。虽然该结构引入中国时间较短，但推广应用的前景十分广阔。尤其在我国北方寒冷地区，传统的硬质护岸结构有着诸多的不适应性，可以尝试着用格宾结构代替。

1.1.2 铰链式护坡

铰链式护坡技术是一种连锁型预制高强混凝土块铺面技术，用于防止由于冲刷引起的土壤流失[2]，该技术由美国舒布洛克公司引进我国。黑龙江省水利科学研究院与水利部科技推广中心、江苏优凝舒布洛克公司合作开展了该技术的引进、研究和推广工作，并且在江苏省等地推广应用，取得了良好的经济效益、社会效益和环境效益。

这种护坡是由一组尺寸、形状和重量一致的预制混凝土块用一系列绳索相互连接而形成的连锁型矩阵。铰链式护坡块有两种主要类型：中间开孔式和中间封闭式，两种类型的混凝土块都有不同的尺寸和厚度以适应各种水流情况[3]。铰接块示意图见图3。压实整平的土基上面铺好符合土质要求的反滤土工布或用于防渗的复合土工膜后便可铺设连锁混凝土块。铰链式护坡块保留了传统柔性护坡系统的渗水、柔性、能植草并改善生态环境等优点，和传统刚性护坡系统的防冲刷、稳定等优点。

图3 铰接块示意图(单位：mm)

混凝土铰接块的连接绳可采用钢绞线或聚乙烯绳索，连接绳索具有不需预留孔道、不必灌浆、施工简便、节省材料、随便弯曲等特征。能够很好地将混凝土铰接块连接为一个整体，使混凝土铰接块形成整体柔性结构。

用绳索连接各独立块，在一定程度上可以提高铺面系统的整体稳定性。通常在铰接块护坡系统设计时不考虑绳索的影响，以单块稳定为设计依据，所以万一绳索出现问题不会影响系统的工作性能。在运输时，可以用连接绳索将铰接块连接成整体，便于运输。在施工时，绳索的主要作用是提高施工精度，保证各独立块位置的正确性，防止出现由于个别块的移走而引起整体系统不稳定，并帮助实现机械化施工[4]。

1.2 寒区生态护岸关键技术研究

1.2.1 格宾网垫防护结构冻胀适应性冻土力学模型试验

(1) 格宾网垫。格宾网箱构件示意图见图2。

(2)试验目的。通过冻土力学模型试验，探讨格宾网垫结构在不利工况条件下适应基土冻胀变形的能力，为现场试验提供理论依据和分析成果。模型试验布置见图4。

图4 格宾网垫护岸冻土力学模型试验

(3)试验结果。①格宾网垫属一种柔性蜂窝式结构，可以增加热阻，减少能量传递，且护垫下卧土体温度场分布均匀，可有效减小冻深及冻胀量，并抑制不均匀冻胀的发生。②在有水分充分补给的条件下，最大冻胀量位置发生在渠底固脚处，其次是渠坡距坡脚1/3处，设计时应充分考虑该位置的冻胀变形。③冻胀残余变形最大值在渠底固脚位置，渠坡发生融沉变形，说明格宾网垫结构本身具有自愈的功能，有比较显著的适应冻融变形的效果。

1.2.2 铰链式护坡结构的冻土力学模型试验

(1)铰链式护坡结构简介。铰接块示意图见图3。

(2)试验目的。通过冻土力学模型试验，探讨铰链式护坡结构在不利工况条件下适应基土冻胀变形的能力，为现场试验提供理论依据和分析成果。模型试验布置见图5。

图5 铰链式护坡结构冻土力学模型试验

(3)试验结果。①在有水分充分补给的条件下，最大冻胀量产生在渠底位置处。渠坡距坡脚1/3位置处由于水分迁移的原因，冻胀量较大。②冻胀残余变形最大值在渠底固脚位置，渠坡及渠顶残余变形较小，见图6。铰链式护坡结构属柔性蜂窝式结构，整体性较强，能较好地适应冻融变形。

图6 冻融循环后渠道断面残余变形示意图(单位:mm)

1.2.3 铰链式护坡在静冰压力作用下稳定性试验

(1)试验目的。检验铰链式护坡在寒冷环境中，在静冰压力作用下的稳定性。本物理模型试验在低温试验室中进行，见图7，按照模型比尺确定试验降温速率和试验时间等试验参数，并通过实测环境温度和冰盖厚度等试验数据验证试验的相似性。试验通过观测坡面变形、静冰压力等数据，分析、评价铰链式护坡在静冰压力作用下的稳定性。

图8 静冰压力与铰接块位移关系曲线

(2)试验结果。在寒冷地区冬季环境下(试验环境温度为-27 ℃)，铰接块护岸结构在静冰压力作用下沿坡面位移变形率不超过1%，春季残余位移变形率不超过0.1%，见图8。铰链式护坡系统能够适应静冰压力作用而不破坏，体现出了其柔性护岸结构的特点。

1.3 小 结

通过模拟寒冷地区冬季的气候环境，在对铰链式护坡结构进行了冻土力学试验、静冰压力试验、冻胀变形的影响试验后，我们得到以下结论:

(1)冻胀残余变形最大值在渠底固脚位置，渠坡及渠顶残余变形较小，说明铰链式护坡结构属柔性蜂窝式结构，整体性较强，能较好地适应冻融变形[5]。但设计中要考虑固脚的稳定。

(2)经过冰盖的一个冻融循环，铰链式护坡系统在静冰压力作用下沿坡面位移变形和春季残余位移变形都很小[6]。铰链式护坡系统具有显著的柔性护岸结构特点，在冰盖静冰压力发生、增大和消减的过程，能够适应岸基的变形而不被破坏。

(3)冻融循环对混凝土铰接块防护体系有较大的影响，经过冻融循环后与常温时相比，摩擦角减小，黏聚力降低。在寒区工程中采用铰链式护坡，应注意基土的冻融循环对边坡稳定性的影响并采取相应的措施。

2 硬质护岸生态修复技术研究

2.1 硬质护坡表层覆盖土壤厚度、成分对植物生长影响的试验与研究

2.1.1 试验目的

土壤基质是植物生长的基本条件，它能为植物生长提供必要的水分和营养源，但由于硬质护坡表面缺乏土壤基质，且与坡面底层的土壤水循环系统和营养源被隔绝，致使一般的植物在硬质护坡上很难生长，因此，要恢复硬质护坡上的植被，首先需在坡面上敷设一定厚度的土壤基质，以满足植物的生长。但考虑到土壤基质敷设厚度和成分会影响河流行洪能力和工程经济实用性，敷设多厚的土壤基质，采用何种成分的土壤才能在真正意义上满足植物的生长呢，本实验就是针对这样的一个实际问题展开的一些试验研究，本着“在确保植物能够正常生长前提下基质敷设厚度尽可能薄，采用的土壤价格尽可能便宜”的原则，试图使土壤基质敷设厚度和成分达到最优化，以指导硬质护岸生态修复工程的设计。

2.1.2 试验内容

通过定期测试土壤含水率和植物株高，观察植物表观和绿度，比较同一成分土质不同覆土厚度对植物生长影响以及同一覆土厚度不同成分土质对植物生长的影响。试验现场施工及试验池见图9和图10。

图9 试验池现场施工图

图10 试验中的试验池

2.1.3 试验结果与分析

(1) 同一成分土质、不同土层厚度对植物生长影响。覆土厚度厚，植物保持绿度的时间长，叶片更舒展。对于同一种成分的土质，土层厚度越厚，对植物生长株高的促进作用越好，只有加入B保水剂的普通种植土，在夏季的时候，较薄土层对植物株高的促进作用才好于较厚的土层。对于普通种植土和加入普通种植土的草炭土来说，土层厚度越厚土壤含水率越高，对于加入A保水剂的普通种植土来说，在秋季的干旱期，覆土厚度越厚，对土壤的保水效果越好，在夏季的干旱期，覆土厚度越薄，对土壤的保水效果越好，对于加入B保水剂的普通种植土来说，保水剂对土层厚度30 cm的土壤的保水效果最好。

(2)同一覆土厚度，不同成分土质条件下对植物生长的影响。向土壤中加入B保水剂可以使植物保持绿度的时间更长，其次为加入草炭土和加入A保水剂的普通种植土，最差的为普通种植土。普通种植土+草炭土对植物生长株高的促进作用一直要好于其他三种土质成分的土壤。从植物后期的生长状况来看，对植物株高的促进作用最好的土质成分为加入草炭土的普通种植土，其次是加入A保水剂的普通种植土，普通种植土，加入B保水剂的普通种植土对植物株高没有任何促进作用。从植物生长期的生长状况来看，对较厚土层30 cm和40 cm，对植物株高的促进作用最好的土质成分为加入草炭土的普通种植土，其次为普通种植土，加入保水剂的普通种植土对株高没有任何促进作用。对较薄土层，除了加入草炭土之外，加入保水剂B对植物的株高有一定的促进作用，要好于普通种植土。

2.2 碎石覆盖对植物生长影响的试验与研究

2.2.1 试验目的

混凝土板、浆砌石等硬质护岸不利于动物、植物和微生物的生存。硬质护岸的生态修复方法之一是在护坡衬砌材料表面覆盖上一层土壤，种植植物。由于土层较薄，所以土壤的保水性和土温成为影响植物生长的重要因素。本试验基于硬质护坡生态修复中的特点，提出一种在河流硬质护坡生态修复中的碎石覆盖技术，通过试验桶和试验池两个试验方案，分析碎石覆盖处理对土壤保水性能、土温和植物生长的影响，意在提出一种经济适用并可推广应用的河流硬质护坡生态修复技术。

2.2.2 试验内容

(1)试验池方案。通过定期测试土壤含水率、土体温度、植物株高、叶片失水率、茎/根比及生物量各项指标比较不同碎石覆盖条件下对土壤保水性能、土温、植物生长的影响。试验现场施工及试验池见图11和图12。

图11 试验池现场施工图

图12 试验中的试验池

(2)试验桶方案。通过定期测试土壤含水率、土壤温度指标比较不同碎石覆盖条件下对土壤保水性能和土温的影响。

2.2.3 试验结果与分析

(1)不同碎石覆盖条件下对土壤保水性能的影响。碎石覆盖处理相对于裸土能够有效地提高土壤的保水能力，有碎石覆盖的土壤在不同的土层深度含水率变化不大，而裸土在浅层的土壤含水率明显低于深层。粒径为1～2 cm、3～5 cm，厚度为5 cm、8 cm的4种组合情况对土壤的保水作用效果很好，但4种组合之间的保水效果差别不大。

(2)不同碎石覆盖条件下对土温的影响。从各个处理的土壤表层温度来看，碎石覆盖处理的土壤表层温度与裸土的表层温度没有明显的区别。从各个处理的15 cm深处土壤的温度变化来看，当外界温度降低时，裸土的温度下降的最快，有碎石覆盖的土壤温度下降缓慢，从而可见，有碎石覆盖的土壤相对于裸土对15 cm深处的土壤有一定的保温性。

(3)不同碎石覆盖条件下对植物生长的影响。碎石覆盖处理土壤相对于裸土可以减少土壤水分的蒸发，有利于促进植物的生长。同一碎石覆盖厚度条件下，经过小碎石覆盖处理的苗高和生物量要好于大碎石的覆盖处理。同一覆盖碎石粒径条件下，8 cm厚的碎石覆盖要好于5 cm厚的碎石覆盖。裸土相对于碎石覆盖处理的土壤不利于植物苗高和生物量的生长。

2.3 小 结

护坡工程中，要想护坡植物保持绿度的时间更长些，可以增加覆土厚度或向普通种植土中加入草炭土和保水剂，但不同种类的保水剂的效果不同。要想植物生长株高高，可增加覆土厚度或向普通种植土中加入草炭土。增加土层厚度可以提高普通种植土和加入草炭土的普通种植土的含水率，不同的保水剂对不同土层厚度的普通种植土的保水效果不同。向土壤中加入草炭土和保水剂可以提高后半年的土壤的含水率，夏季干旱期，较薄土层的普通种植土的保水性很差，可向土壤中加入保水剂或草炭土以提高土壤的保水性。考虑工程造价的因素，建议采用20 cm厚的普通种植土+草炭土，可以有利于早熟禾这种护坡植物的生长。

碎石覆盖处理土壤相对于裸土可以有效地提高土壤的保水能力、保温能力，减少土壤水分的蒸发，有利于促进植物的生长。同一碎石覆盖厚度条件下，经过小碎石覆盖处理的苗高和生物量要好于大碎石的覆盖处理，同一覆盖碎石粒径条件下，8 cm厚的碎石覆盖处理的苗高和生物量要好于5 cm厚的碎石覆盖处理。因此，在硬质护岸的生态修复工程中，考虑工程造价因素，推荐在土壤表面覆盖一层粒径为1.5～2 cm、厚度为5 cm的卵石，此措施将会提高土壤的保水保温性能，有利于植物的生长。

3 生态型护岸工程应用实例

3.1 示范工程概况

项目组在我国东北地区选择了3处地点建设生态护岸示范工程，通过原型试验观测评价生态护岸结构在寒区实际工程应用效果。

试验通过对三处试验工程中不同厚度的格宾网垫护岸、铰链式护坡、土工格室碎石护岸进行原型观测与分析，评价其在不同环境下适应岸基冻融变形能力，为今后这几种护岸结构在北方寒冷气候条件下的应用及设计提供参考。

(1)大庆防洪工程安肇新河老—库段示范工程。本项示范工程位于大庆市。此处应用了混凝土铰接块(12 cm厚)护坡和格宾网垫(17 cm厚)护坡。示范工程于2011年建设完成并开始试验观测。

(2)吉林哈达山输水干渠防冻胀试验工程。本项示范工程位于吉林省哈达山灌区。此处应用了3种护坡结构型式:封闭式混凝土铰接块(15 cm厚)护坡、蜂窝碎石(20 cm厚)护坡、格宾网垫(23 cm和30 cm厚)护坡。示范工程于2009年建设完成并开始试验观测。

(3)牡丹江铁岭河大桥格宾生态护岸示范工程。本项示范工程位于牡丹江市城市堤防铁岭河大桥段。此处应用了格宾网垫(30 cm厚)护坡和格宾网箱固脚，示范工程于2006年建设完成并开始试验观测。

3.2 示范工程观测

(1)气温观测。在试验示范护坡工程附近设置气温观测点，每天人工记录最高、最低气温及时间。观测日期为每年的10月份到次年的6月份。

(2)冻深观测。在试验示范护坡工程附近埋设冻深器，人工每天观测一次并记录。冻深观测从开始有冻深到冻深管全部融透。

(3)冻胀融沉量观测。冻胀融沉量采用对观测点进行高程观测的方法。

3.3 成果分析

3.3.1 大庆防洪工程安肇新河老-库段生态护岸示范工程

根据观测结果分析，得出以下结论:

(1)格宾网垫护坡和铰链式护坡结构是柔性护坡结构，整体性好，具有自愈的功能，能够很好的适应冻胀变形。经过一年运行，格宾方案中岸基最大冻胀量为30.3 cm，格宾网垫护砌结构没有破坏情况发生；铰链式护坡结构中，岸基最大冻胀量为29.5 cm，护砌结构整体性完好。

(2)本次观测最大冻胀量均发生在渠坡距坡脚1/2位置处。

3.3.2 哈达山输水干渠生态护岸试验工程

根据观测结果分析，得出以下结论:

(1)铰链式护坡段，最大冻胀量为19.4 cm，最大残余变形为4.2 cm。格宾网垫护坡段，23 cm、30 cm厚格宾网垫最大冻胀量分别为13.8 cm、19.4 cm。23 cm、30 cm厚格宾网垫最大残余变形分别为5.6 cm、3.4 cm。蜂窝碎石护坡段，最大冻胀量为21.1 cm，最大残余变形为8.3 cm。可以看出这三种结构是柔性护坡结构，在较大的冻胀量变形及较大的残余变形后，其整体性仍然非常好，并且具有自愈的功能，能够很好的适应冻胀融沉变形。

(2)本次观测最大冻胀量均发生在渠坡距坡脚1/4～1/3处。

3.3.3 牡丹江铁岭河大桥生态护岸示范工程

在几年的连续观测过程中，没有发现坝肩、坡面及固脚处有局部的沉降，虽然反映出竖直向上的位移各点在1～9 cm不等，竖直向下的位移各点在1～19.5 cm不等，但可以确定格宾网垫相互之间形成的柔性体结构，可以整体随着地基的变形而产生相应的变形，能够适应冻胀、融沉及地基土自然沉降密实所带来的影响，充分反映了格宾网垫结构的整体稳定性及柔性的特点。

3.4 小 结

通过三处试验工程观测分析数据(表1)可以得出，格宾网垫护坡及铰链式护坡承受的冻胀量最大达到30.3 cm、19.5 cm，结构完整，没有破坏；在哈达山输水干渠中采用了土工格室填碎石护坡结构，可以看出其可以承受的冻胀量最大达到21.1 cm，适应冻胀变形的能力较强，整体结构未出现破坏。

由此，格宾网垫护坡、铰链式护坡、蜂窝碎石护坡3种生态护岸结构在北方寒冷气候环境下能够适应岸基冻融变形，通过连续几年的观测，护岸结构均没有出现破坏，起到了对岸坡的防护作用。

表1 不同厚度生态护岸结构冻胀量

4 结 语

寒冷地区有着特别的工程环境，对生态护岸有着特殊的要求。本项目通过室内模型试验和野外原型试验，对生态护岸在寒区的应用开展一些针对性的研究。研究成果表明，一些具有柔性结构、整体性好、透水结构、材料抗冻融破坏能力强的生态护岸结构适合在寒区应用，如格宾网垫(或雷诺护垫)、铰链式护坡结构、土工格室等，本次研究也将其应用在基础示范工程中。在应用过程中发现的一些难以解决的问题，需要技术人员开展更多的研究工作，早日提出可行的办法。