河道生态岸坡防护技术的应用分析

程昌海

(辽宁省锦州市义县老龙口水库管理处，辽宁 锦州 121100)

水力发电、防洪安全、生产生活用水等为传统水利重点关注的内容，近年来我国水利事业取得迅速发展，在发电、供水、灌溉和防洪等方面取得显著成效。同时，自然水系受人类活动的干扰作用日趋增强，例如生态环境恶化、江河断流、河流污染等[1-3]。对此，有学者开始深入反思单一的水利工程功能，从不同角度批判传统的治水模式，水文化、水利景观及水环境等逐渐引起关注，并强调河流生态系统受传统水利工程的胁迫，并给出生态水工学、亲近自然河道治理的概念。在工程设计上注重与生态过程的协调，通过生态设计最大程度的降低对环境的不利影响，这也意味着设计维持水生动植物生境质量，维护水系统良性循环和营养，减少对资源的剥夺以及尊重物种多样性，以促进生态系统健康与改善人居环境。在河道整治过程中新的水利建设理念，要求水利工作者考虑河流的生态型要求，满足人们对亲水性、景观性河道的需求，在此基础上实施恢复性生态治理措施，以改善或提升河流的自然功能，降低河流受人类活动的干扰。硬质型传统护岸的颜色灰暗、材质坚硬、结构简单，虽在防止水土流失、防洪排涝、稳定河道等方面起到重要作用，但存在极其明显的人工痕迹，其违背了现今人类“返璞归真、回归自然”的观念，并对自然环境与河流系统产生诸多影响。所以，综合考虑工程安全、资源可持续利用和生态保护等需求，开发应用生态护岸工程技术逐渐成为河道整治的新模式。对于水域与陆域之间能量、物质、信息交流，生态护岸具有过滤器、天然屏障以及廊道的功能，在提升系统生产力、控制水土流失、美化环境、加固堤岸、调节微气候、防治土壤侵蚀和增加动植物种类等方面发挥着重要作用。另外，尽管人水关系和谐相融、结构材料逐渐环保、河道挡墙不断变矮，但这并未从根本上治理与恢复河道的生态性。本文探究的一种生态护岸技术—现浇无砂混凝土结合沉管护脚技术，其优点有安全性强、生态性好、成本造价低、施工周期短、操作简单等[4，5]。

1 生态防护技术

1.1 分区防护

一般地，可将河岸按照水位变化情况划分为无水区、死水区和水位变动区，因此要结合水动力学特征合理选择不同区域的护岸形式。针对河岸上部无水区、水位变动区与死水位，通常考虑植物护坡以及实行必要的工程措施。

对死水区护脚型式的选择，由于常年浸泡水下要考虑具体的地质地形条件，符合变形适应性要求，并从生态性的角度满足水生动物的生存要求；沉管护脚因其施工简便比较适用于软土地区河道整治工程，为改善河道生态景观可以在沉管内填土种植水生植物。对易受船行波或水流冲刷的水位变动区，自然土坡崩塌、土壤侵蚀等问题突出，对此要实施切实有效的护坡工程；在实现传统防护要求的情况下，现浇无砂混凝土护坡还能明显降低投资成本，并发挥良好的生态性功能。

1.2 工程设计

设计现浇无砂混凝土结合沉管护脚方案时，若岸坡为粘性土则无需设置被保护岸坡土与无砂混凝土护坡间的反滤层；若岸坡为砂性土则要把土工布反滤设置于被保护岸坡土与护坡之间。采用预制钢筋混凝土管(强度等级不低于C30)作为护脚沉管，并结合工程实际情况合理设计其长度及管径，市场上预制钢筋混凝土管的常用内径有94 cm、80 cm，长2 m。沉管接缝处是否需要作反滤处理应结合水流流态及被保护土的抗冲性确定。结合具体的设计对象合理确定现浇无砂混凝土指标，其强度随着孔隙率的增大而降低，一般按工程经验设计具体的配合比。一般地，无砂混凝土现浇厚度按工程经验取15～20 cm，其施工参考配合比为：1 620 kg/m3干燥状态的花岗岩碎石(粒径20～40 mm)、水84 kg/m3、水泥240 kg/m3，28 d抗折和抗压强度不低于1.2 MPa、5.6 MPa。现浇混凝土框格与人工预留孔的排列布置成45°倾向，孔径5 cm，列距与行距相等均为20 cm。通常将厚5 cm的种植土铺设于无砂混凝土表面，由此为植草提供更加有利的生长环境。

1.3 工程施工

沉管护脚具有施工方便、质量易控制、水下施工等优势，通过将预制钢筋混凝土管直接利用挖掘机(勾机)铅直压入岸坡，即可实现低水位坡脚防护。完成沉管护脚施工后现浇无砂混凝土，并把5 cm厚的种植土铺设于无砂混凝土表面，经坡面整治为植草提供良好条件。为防止因强度较低出现无砂混凝土护坡大面积折断破坏的问题，可将普通混凝土预先浇筑成框格，而后把无砂混凝土浇筑于框格内。

2 优势分析

2.1 生态性好

实质上，充分考虑两栖类动物适宜的生存繁殖空间、河岸植草等属于护岸工程生态性的主要体现，水生动物可以在护脚沉管间及沉管内的空隙生存，而水生植物能够种植于沉管内的填土。对此，人工预留的较大孔洞、无砂混凝土的大孔隙填土能够为两栖类小动物筑巢以及植物生长提供适宜的环境条件。

2.2 造价较低

依据实践经验，与传统的硬质护岸相比生态护岸具有更低的成本造价，如赤岗涌河流治理工程，较传统护岸方案生态护岸设计成本可降低1/3。无砂混凝土较传统的C25混凝土，能够减少砂用量700 kg/m3、节约水泥用量80 kg/m3，其经济效益显著可以降低原材料成本95元/m3。此外，考虑前文所述施工过程，无砂混凝土结合沉管护脚的施工操作简便，有利于施工质量的合理控制。

2.3 安全可靠

沉管护脚埋深设计应考虑估算的冲刷深度，在充分发挥其抗冲刷能力的同时保证护脚结构的安全稳定。一般以不低于1/2管长作为沉管护脚入土深度，沉管护脚在未出现较大冲刷情况下具有较好的结构稳定性，该条件下滑动破坏的发生概率极低，而岸坡的整体稳定性在很大程度上决定了护岸结构安全。实践表明，1 m/s为浅草护坡在天然状态下的抗冲流速，该生态护坡可以达到4 m/s的抗冲流速。可见，在一定流速范围内无砂混凝土具有防止岸坡坍塌、冲刷，有效防护岸坡土地等功能。

2.4 实例应用

(1)河道整治工程。大凌河某河段整治工程设计有休闲娱乐码头，考虑到该段生态景观要求以及河宽较窄的实际情况，为减少河岸受行船波的冲刷作用，拟以无砂混凝土设计水位变动区护坡，结合地质条件选用空心混凝土或沉管护脚结构。2016年底护岸工程完成施工，为了掌握无砂混凝土的植物生长状况没有实施人工播种和表面覆土措施。结果显示，由于没有覆土早期浇筑的无砂混凝土的植被生长情况较差，而随着时间的推移无砂混凝土上自然淤积土壤，岸坡越来越多的生长种植随风飘落的种子，此时无砂混凝土坡面也逐渐开始蔓延成临近的植被，经过一定时期植被自然长满于整个坡面。

(2)生态修复工程。牤牛河某河段生态修复工程选用了现浇无砂混凝土结合沉管护脚技术，主体工程完工于2015年7月，始建于2014年11月。河岸边坡生态修复植物利用适生草种筛选试验确定，经观察发现适应当地环境条件的唯有本土植物。所以，首选本土植物作为该生态修复工程水陆交错带的水生植物类型；将一直生长很旺盛的临近河滩地咸水草移植过来，并种植于护脚沉管内；实际上不宜直接在坡面种草，施工前先挖好表土待修坡后，将厚5cm的表土铺设于工程坡面，表土中携带的草籽待一个月后逐渐发芽，一段时间后本土植物即可长满于整个坡面。实践表明，该护坡技术具有显著的景观效果，岸坡植被种类繁多、生长良好，可为蜥蜴、植株、蚂蚁等小型动物生产创设适宜空间，形成了水清、景美、岸绿、河畅的水文景观。

(3)湿地建设工程。为了将河道管理范围的绿化带归还本应属于自然河道的滩地，引入“湿地河道”设计理念建成原河流生物“繁殖、生长、栖息”的环境，通过综合治理自然河道的生态性，逐步形成河流与人的良好关系，并为河道水生态环境的治理及维护生态水利治理成果提供保障。清河某湿地建设工程选用了现浇无砂混凝土结合沉管护脚技术，为更加直观的对比分析，小部分河段水位变化区、部分河面脚宽河段实行铺开孔式护土砖和散抛石护脚措施，主体完成完工于2017年8月，始建于2016年7月。

比较分析抛石与沉管护脚可知：两者均有降低成本、生态性和变形性良好的优势，虽然抛石护脚的经济可行性略优于沉管护脚，但后者的优势更加突出。例如，护脚稳定性好、沉管质量更易控制、低水位时散抛石护脚的视觉效果明显不如沉管护脚等。

比较分析无砂混凝土与护土砖：无砂混凝土强度低于护土砖，但其成本投资也略低于护土砖；在护坡植被枯萎的冬季和工程早期，因表面粗糙无砂混凝土护坡更加自然，其留住的回淤泥土有利于植物生长，更好的发挥生态性和土坡自然性。

3 结语

(1)一般认为植物难以生长于pH值超过12以上的碱性环境，为达到植物生长要求，在水泥等胶凝材料水化产生Ca(OH)2情况下必须采取措施中和这样的碱性环境。然而，本研究提出大孔隙内的土壤环境条件在很大程度上决定了植物生长，而植物的生长受毛细孔内碱性环境的影响较小。无砂混凝土表面在湿热的环境下加速碳化，加之雨水冲刷、水位交替变动等作用，有效降低了大孔隙内的碱性，为植物生长提供了适宜条件。实践表明，无需采取专门降低碱度的措施，无砂混凝土护坡即可为植物生长提供良好的生存环境。

(2)在河道生态治理中生态护岸发挥着重要作用，应充分考虑不同区域上水位变化情况、生物多样性需求等内容，合理设计生态护岸方式及其分区。由于质量易于控制、施工工艺简单等优势，沉管护脚技术普遍适用于软土区域的河道生态治理项目。沉管间、沉管内可以为水生动物、水生植物创设适宜的生存空间，在实现传统防护功能的基础上，现浇无砂混凝土还能明显降低工程投资，并且具有较好的生态性；对于两栖类动物巢穴的修筑人工预留孔发挥着积极作用，并且将厚5 cm的原场地表土铺设于坡面有利于各种本土植被的生长，保证零维护以及生态性岸坡目标的实现。