生态型护岸工程的设计要点

1、1生态型护岸工程的设计要点赵进勇孙东亚董哲仁中国水利水电科学研究院防洪减灾所 北京100038摘要：随着社会经济发展， 生态系统保护问题日益引起人们的重视，传统的河流护岸技术主要侧重于工程的安全和人类的单方面需要，没有综合考虑河流生态系统的整体性和健康。从生态工程的角度出发，在分析常规护岸型式对环境和生态负面影响的基础上，归纳了生态型护岸工程的几个设计要点：工程设计的原则目标、工程实施前的调查、植物种类的选择、反 滤层的设计、岸坡稳定分析、及工程实施后的监测，并对生态型护岸示范工程的实施给出了 参考性意见。关键词：生态型护岸；设计要点1.概况护岸工程主要是防止水流和波浪对岸坡基土的冲蚀和淘刷，

2、可分为坡式护 岸、坝式护岸、墙式护岸以及复合形式护岸等。其中较常采用的坡式工程一般以 枯水位为界分为两部分，枯水位以上称作护坡工程，以下称作护脚工程。随着社会经济发展，人们逐渐认识到河岸是河流自然生态系统中的一个组成部分，它形成了从河道水流环境到陆地环境的一种过渡。 选择护岸型式及材料时应考虑有 效性、环境因素及经济因素。河道不仅仅具有防洪、航运等基本功能，还应具有 生物栖息地和人文景观等功能。为了适应这种需要，河道整治工程中的护岸技术 也应由原来的以安全为单一目标逐步向生态型护岸技术转变。图1工程总费用对比图3常规护岸工程技术主要考 虑河道行洪速度、河道冲刷、 岸坡稳定等，环境因素考虑较 少

3、，主要有抛石、浆砌或干砌 块石，预制混凝土块体、现浇 混凝土、浇注沥青、铰链混凝 土沉排以及土工模袋等型式。这些型式的护岸工程造价都相对较高， 且不能满足生态和景观的要求。这些硬质 化结构，阻碍了河岸带生物栖息地功能的发挥， 使生态系统结构的整体性受到影 响，最终导致河流生态系统遭到破坏，继而对人们的生活质量和身心健康带来不 利影响 2 。由于护岸形式的单一性，使河流栖息地的多样性受到破坏，而生境多 样性是生物群落多样性的基础，从而进一步破坏了生物群落的多样性， 影响河流 生态系统的健康 2 。同时，混凝土等硬质化结构的视觉效果也与人们回归自然的 追求相违背。生态型护岸技术在满足有效性的前提下

4、， 与常规方法相比，工程总 体投资较低（图 1），并且能够提供多样性的栖息地环境，更具自然外观和美学 意义。2生态型护岸设计的要点2.1 工程设计的原则目标 在生态水利工程的设计中，建议遵循下列原则：工程安全性和经济性；提高 河流形态的空间异质性；生态系统的自设计、自修复；景观尺度及整体性；反馈 调整式设计 4 。根据护岸工程的特点，结合生态水利工程设计原则，在生态型护 岸设计中应依照岸坡稳定、正常行洪、表面异质、材质自然、内外透水、及成本 经济等原则来进行。生态型护岸设计的最终目标应是在满足人类需求的前提下， 使工程结构对河流的生态系统冲击最小化， 不仅对水流的流量、流速、冲淤平衡、 环境外

5、观等影响最小 5 ，而且要适宜于创造动物栖息及植物生长所需要的多样性 生活空间。2.2 工程实施前的调查对于所提出的各种生态护岸设计方案， 在选用之前应对工程区进行调查，以 确定生态工程技术是否适用。建议调查以下几个方面的问题：气候条件，水文条 件，河势的变化规律和趋势，岸坡土体的物理和力学性质，工程区关键物种的分 布，工程管理状况，现场可用或容易取得的施工材料，有无严重的土质和水质污 染，工程施工是否会带来新的生态问题， 以及是否需要相应的补偿措施等。水文 调查的重点之一是对当地的正常水位及最高、 最低水位有一个了解，掌握水位的 季节变化规律。工程管理状况的调查内容建议包括能否采取措施防止人

6、为或动物 破坏。调查关键物种时应明确不同植物类型对河流采光的影响程度。 同时，应与 当地环境部门进行协商，尤其注意项目实施是否影响当地的湿地地区2.3植物种类的选择D 历时（天）筋5 S 淹没带图2河岸的植被分层7选择合适的植物种类对于项目的成功实施非常必要。采用天然材料护岸时， 特别是通过植被措施护岸时，不同植物材料的有效性很大程度上取决于它们对于 水位和底土土 质的适应性。可 根据不同水位， 结合当地情况， 将河流岸坡分 为干燥、偶然的 洪泛带，潮湿、 季节性洪泛带， 沿岸水位变动带，淹没带等几个区域，在不同区域选取适合的植物种类（图 2）。一般来说， 混合使用几种不同的植物往往比使用单一

7、植物种类更为有利 。另外，现场或现 场附近已有物种对于护岸工程中植物种类的选择具有很好的参考作用，可在当地苗圃种植培育所需植物种类，但要考虑到工程施工中的时间因素。2.4反滤层的设计在生态型护岸工程中，除考虑传统的技术要求外，还要兼顾生物栖息地的加 强和改善等要求，因此要引入一些新的结构型式，以利于植被的生长发育，如石 笼、间插植被的堆石、空心混凝土块、生态砖、鱼巢砖等。如这些结构直接作用 于土坡上，在水流和波浪的淘刷作用，下垫土层在植被完全发育之前将会受到严 重的侵蚀，从而使防护结构失稳，影响栖息地结构的相对稳定性，不利于生态系 统的修复。因此，在这些防护结构下面设置土工合成材料或碎石反滤层

8、十分必要。在土工合成材料作为反滤层的生态型护岸工程中，除了对土工合成材料的保 土性、透水性、防淤堵性、及强度有所要求外9，对于土工合成材料的可栽种性 也应有所要求，可栽种性指的是相对植物向上生长的可长穿性或植物向下扎根的 可植根性。对于土工合成材料层，其可栽种性通常与力学和水力性能要求相矛盾。 从可栽种性的角度出发，大孔径或大网眼的土工材料比较适宜， 而与此相对的是 力学和水力性能要求，特别是在有粘性的细粒土壤中要求相应的土工材料孔径更 小。土工材料的可栽种性是由许多不同因素决定的， 它不仅与土工材料的孔隙直 径、厚度、构造等特性有关，而且还与当地的气候条件、曝露情况、降雨、土壤 湿度、养分含

9、量等因素相关 10 。在生态型护岸工程中最好使用可被生物分解的土 工合成材料层， 其分解后可促进腐殖质的形成， 如黄麻、椰壳纤维、 木棉、稻草、 亚麻等天然纤维制成的材料。此外，不同的植被方式、期望使用年限、腐烂时的 分解产物等问题也会影响工程效果。 因此，对于所使用的土工材料， 除了进行传 统的物理性能指标、 力学性能指标、 水力性能指标、 及土工材料与土相互作用性 能指标的测试外，还应进行试验以确定土工材料的可栽种性。2.5 生态型护岸工程中的岸坡稳定分析在生态型护岸工程中， 主要措施之一是在河道岸坡上合理引入植被， 包括草 本植物及木本植物等。 利用植被加固河道岸坡的方法自古有之， 近几

10、十年又在欧 洲、北美、亚洲等地河流生态修复工程中广泛应用，成为稳定边坡、控制侵蚀和 修复生境的重要工程手段 8 。植被的作用主要体现在植物根系对坡岸的稳定作 用、对河道坡岸栖息地的改善、 减少底栖动物对坡岸的破坏、 改善人居生活环境 和质量、降低河道坡岸造价等方面。 不过，植被可能会造成较高的水力糙率，从 而影响河道的行洪能力。 植物的茎最好具有足够的柔性， 以防止洪水期间植被形 成的阻力会将植物连根拔起，引起岸坡局部失稳 6 。木本植物对河道岸坡的稳定 性既有正面作用， 也有负面影响， 但总体上对岸坡稳定性是有利的， 其影响机理 突出表现在以下几个方面：根系加固、调节土体含水量、拱柱支撑、附

11、加荷载作 用、根系楔入作用、转动作用等，后三个方面属于岸坡稳定的负面影响因素。近 年已有一些针对木本植物根系在河岸防护中所起作用的研究， 并开发了相应的稳 定预测模型，如 GWEDGEM 11 。通过现场调查、照片对比等方式对岸坡状态进行的定性评估可以为其整体稳 定性分析提供重要依据， 除了可对其破坏机理进行识别外， 也可对其整体稳定性 进行初步判断。对于植被型岸坡稳定状态的定量分析仍可基于抗剪强度和剪应力 分析来进行评价， 抗剪强度由土体凝聚力和摩擦作用提供。 目前，根据不同的理 论基础，抗剪强度的确定方法有以下几种 12,13，14 ： 2.5. 1 基于根系加筋原理的抗剪强度增量：将边坡

12、土体可看作是根系 - 土体复合 结构，根系在土中起到加筋作用。 这种方法存在以下的假设： 根系破坏的原因为根系断裂从而以一个统一的抗拉强度来模拟根系拉断、拉伸及滑动三种情况；根 据一些试验研究成果，可以假定在发生剪切之前，根系与滑动面垂直15;根系不改变土体的内摩擦角。2.5.2基于非饱和土理论的抗剪强度增量： 实际上，有植被生长的边坡大部分都 在地下水位以上，属于非饱和土坡。因此非饱和土的强度模式更符合实际情况， 非饱和土的强度模式可采用Fredl und和M orge nstern等人(1978)提出的广义莫尔n库伦破坏准则，表示为：T=C' + (" Ua)tan 0+

13、(Ua - uw)tan©，其中：T- 土体抗剪强度(kN/m2)； c-_ 土体有效凝聚力(kN/m2)；-法向应力(kN/m2)； Ua-I破坏面上的孔隙气压力；Uw-破坏面上的孔隙水压力； 4-当(ua - Uw)为常 数时强度随(°-山)而变的第一有效内摩擦角；4''-当(°-山)为常数时强度随 (Ua-Uw)而变的第二有效内摩擦角。当土体中含有根系时，根据根系加筋原理， 将会增加土体的凝聚力，则抗剪强度表达式为：Tf = c'+( a- Ua)tan M+? t+ (Ua - Uw)tan 4，其中，Tf _ 土体抗剪强度(kN/

14、m 2)；? t-由于根系加固作用而增加的抗剪强度(kN/m2)。通过公式变形，Tf =c+( Ua) tan 4，其中，c- 土体的总凝聚力，由于抗剪强度公式保持了传 统形式，因而也沿用传统饱和土的边坡稳定分析程序求解植被型岸坡稳定问题， 如毕肖普等方法。力聚凝库仑曲线摩尔曲线法向总应力(T2.5. 3基于摩尔强度包线的抗剪强度 增量：前两种理论观点将有根系土体抗 剪强度的增加归结为土体凝聚力的增 加，及不饱和土中基质吸力的作用。与 之不同，有的理论认为植被根系对于岸 坡的防护作用主要来自于两个方面：土颗粒之间的摩擦力，这些土颗粒将剪应图3摩尔强度包线和库仑强度线力从土体转移到根系加固体系；

15、在有根系加固作用的柱状土体和没有根系加固的 区域之间存在拱效应。在法向总应力较小的范围内，抗剪强度的库仑近似值和摩 尔强度包线值有很大不同，内摩擦角也有较大变化(图3)。因此，应考虑土体7属性改变引起的土体内摩擦角的增大对土体抗剪强度的作用。另外，对于非饱和土中的基质吸力，这种观点认为因基质吸力作用而增加的凝聚力仅仅是短暂的， 可不考虑其对抗剪强度的影响。2.6工程实施后的监测和评价生态型护岸工程建设完成后，应进行监测和维护，尤其在工程完成后的第一 年，以确保植被有充分的成活率，并应提前评估干旱或洪水等恶劣天气对工程所 产生的影响。制定监测计划应包括明确目标、确定监测对象、制定监测方案、收 集

16、数据及整理结果等几个主要部分。某些监测对象的可测量属性和评估技术参见 表1 0表1监测对象的测量属性和评估技术监测对象测量属性评估技术岸坡稳定状态横断面形状和河道平面形态横断面调查、航空摄影、河道深泓 线调查对上游和下游地貌的 影响横断面形状和河道平面形态横断面调查、航空摄影、河道深泓 线调查高速水流时的情况局部流态、水流与河岸夹角、 冲刷活跃区、水流历史（包括 洪峰重现期）、木头残骸堵塞 河道的发生情况录像、照片、调查、水文分析鱼类栖息地喂养型栖息地（数量/质量）、 产卵栖息地（数量/质量）河流水温、水深和流速、遮蔽层比 例和遮荫状况、栖息地绘图、鱼类 和无脊椎动物类的数量估计植被覆盖情况植

17、物存活率、植物多样性、遮 蔽层的均匀性、鸟类和野生动 物的出现情况植被覆盖比例、物种组成和密度、 大小分布、龄级/种类分布3.生态型护岸示范工程的实施生态型护岸示范工程可以帮助总结生态型护岸技术在工程应用中的优缺点，并可优化类似情况下的设计和施工方案。示范工程的规模应尽量较小，以减小工程风险，并利于现场调整，可使工程现场长度保持在50-200米的范围。在工程实施前应对多种方案进行比较，以便根据现场条件选择最优方案。生态型护岸 技术种类多样，可根据当地的具体情况在设计时进行调整，如土体生态工程技术（soil bioengineering）、生态砖/鱼巢砖等构件、石笼席、天然材料垫、土工布包裹、

18、混凝土块、土工格室、间插枝条的抛石护岸、椰壳纤维捆、木框墙、三维土工网 垫等。工程实施过程中应形成规划、设计、施工、监测等各方合作的机制，以根 据现场情况对施工细节做出适时调整，并应根据监测方案收集数据以对各种方案 做出合理评价。4结语随着人们生态系统保护意识的增强以及对自然的重新认知，利用生态工程技 术进行护岸已成为一种趋势。尤其在欧美等发达国家，这方面的研究工作、工程 实践以及管理方法取得了长足进步。但应注意的是，生态工程技术的应用不应单 纯是技术问题，而是涉及到公众意识、政府政策及管理理念等各方面的复杂问题。 并且在某些情况下，生态工程技术应与传统的护岸方式相结合才能取得预期效 果，同时

19、应根据当地的具体情况采用某种护岸形式或某几种护岸形式的组合方 式。此外，由于河岸带在河流生态系统中的重要作用17，利用生态技术进行护岸 也是河流生态修复工程的重要组成部分，尤其在对气候、水文、水力、河流地貌 等方面的因素对栖息地的影响不甚了解的情况下，利用生态工程技术进行岸坡防护是河流生态修复的最直接有效方式之一。主要参考文献：1、 包承刚，土工合成材料在堤防工程中的应用，北京，中国水利水电出版社19992、 董哲仁，河流形态多样性与生物群落多样性，水利学报，2003，113、Coppin N.J., Richards I.G ., Use of Vegetation in Civil Eng

20、ineering, Butterworths, London, 19904、 董哲仁，试论生态水利工程的基本设计原则，水利学报，2004，105、 台北科技大学，生态工法技术参考手册，20006、 R.W.Hemphill, M.E.Bramley, Protection of River and Canal Banks a guide to selection and design, CIRIA, 19897、Seibert P., Importanee of Natural Vegetation for the Protection of the Banks of Streams, Riv

21、ersand Can als, Freshwater, Nature and Environment, Council of Europe, Brussels, 19688、 Thomas G. Franti， Bioengineering for Hillslope, Streambank and Lakeshore Erosion Control ，/soil/g1307.htm , 19979、 土工合成材料工程应用手册，北京，中国建筑工业出版社，199410、 瑞士土工合成材料协会，土工合成材料应用手册，北京，中国标准出版社，200011、Bruce Abernethy, Ian D Rutherfurd, The effect of riparian tree roots on the mass-stability ofriverbanks, Earth Surf. Process. Landforms 25, 921-937, 200012、拱祥生，林宏达，植生对边坡生态工法稳定性影响分析初探，技师月刊，31， 60-68，200313、Gray D.H.,