生态型护岸工程的设计要点

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，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[1]。

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。

费用生态型护岸技术 勘察 设计 施工 监测 维护 工程修复 工程不同阶段 混凝土等硬质化结构 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，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。

图1 工程总费用对比图[3]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，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[6]，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植物种类更为有利[8]。

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。

历时（天） 水位平均低水位平均水位平均洪水位 淹没带 沿岸水位变动带 潮湿、季节性洪泛带干燥、偶然的洪泛带图2 河岸的植被分层[7]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Fredlund和Morgenstern等人(1978)提出的广义莫尔库伦破坏准则，表示为：，其中：''tan )('tan )('φφστw a a u u u c −+−+=τ---土体抗剪强度（kN/m 2）；---土体有效凝聚力（kN/m 'c 2）；σ---法向应力（kN/m 2）；---破坏面上的孔隙气压力；---破坏面上的孔隙水压力；---当为常数时强度随a u w u 'φ)(w a u u −)(a u −σ而变的第一有效内摩擦角；''φ---当)(a u −σ为常数时强度随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：，其中，)(w a u u −''tan )('tan )('φτφστw a a f u u u c −+∆+−+=f τ---土体抗剪强度（kN/m 2）；τ∆---由于根系加固作用而增加的抗剪强度（kN/m 2）。

通过公式变形，'tan )(φστa f u c −+=，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。

剪应力 τ库仑曲线摩尔曲线法向总应力 σ凝聚力 2.5.3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；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。