生態(tài)護坡技術(shù)分析論文
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1概述
太浦河泵站位于江蘇省吳江市太浦閘南側(cè)，西距東太湖約2km，其修建目的主要是在枯水年份4~10月太湖水位較低時，通過太浦河泵站抽引太湖水，經(jīng)由太浦河補充黃浦江上游水量，滿足上海市的供水要求，改善水質(zhì)。工程規(guī)模為I等大（1）型，設計流量300m3/s。
太浦河泵站的進、出水渠為新開河道，由西向東布置于太浦河的南側(cè)，其直線段與太浦河中心線平行，兩者中心線相距200m。進、出水渠全長890.13m，為梯形明渠，渠道邊坡1∶3，渠底高程分別為-2.50和-1.80m，渠頂高程分別為7.00和6.00m。進水渠堤在高程3.5m處設置寬5m的馬道。出水渠馬道寬3m，高程為3.20m。
為了體現(xiàn)環(huán)境水利的理念，美化泵站環(huán)境，由太浦河泵站建設指揮部牽頭，水利部上海勘測設計研究院（下簡稱上海院）與日本沖谷實業(yè)（深圳）有限公司就有關生態(tài)護坡的方案進行了討論和研究，并于20xx年10月在工地現(xiàn)場進行了現(xiàn)場試驗。
2生態(tài)護坡應用現(xiàn)狀
2.1生態(tài)護坡的發(fā)展趨勢
從20世紀80年代后期開始，地球環(huán)境及保護問題在各個方面為人們所重視，同時對關系到自然環(huán)境變化的生物多樣性下降問題也開始引起人們的擔心。尤其是人口密集的城市，人們越來越關注與己休戚相關的環(huán)境問題，因此，人們開始建造公園、公共綠地等來改善環(huán)境，同時在充分發(fā)揮公園、公共綠地原有功能的基礎上，也開始把它們作為保護生物多樣性及直接與生物相連的場地，而這些場地作為地球生態(tài)系的重要構(gòu)成因素所發(fā)揮的作用也開始越來越受到人們的重視。
多自然型河流建設方法是目前國際上比較流行的一種河道環(huán)境綜和整治的新方法，它把水邊作為多種生物生息空間的核心，并把河流建設成盡量接近于自然的狀態(tài)。在建設多自然型河流中，重點是努力創(chuàng)造出具有豐富自然的并具有魅力水邊環(huán)境。在河道整治的各種方法中，應從生態(tài)學的觀點出發(fā)，應優(yōu)先采用生物材料法，其次采用混合方法，即采用植物與木材或石料合用，最后才考慮剛性材料方法，即采用木材、石料和混凝土。
日本是生態(tài)設計用于水利工程較好的國家，其對河道生態(tài)設計的原則主要有以下五個方面：
（1）治水：主要通過修建護岸來實現(xiàn)；
�。�2）自然環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)的設置：主要通過水邊綠化、設置生物的生長區(qū)域和水質(zhì)保護等實現(xiàn)；
�。�3）水邊景觀的設計：通過設置建筑物來保證與周圍環(huán)境的和諧以及保證水邊景觀的連續(xù)性、自然性；
（4）親水空間的設計：通過水邊的臺階、纜繩、綠地等設施來實現(xiàn)；
（5）循環(huán)型空間的設計，：用木材、石頭、砂子等天然材料的多孔性構(gòu)造，控制廢料的產(chǎn)生，盡量避免未來發(fā)生的處理問題及二次性環(huán)境污染問題。
2.2國內(nèi)河道護坡現(xiàn)狀
傳統(tǒng)的河道護坡結(jié)構(gòu)往往只片面強調(diào)河道的防洪、引水、排澇、蓄水和航運等功能，較少地考慮河道的生態(tài)或環(huán)境功能，因此河道的護坡結(jié)構(gòu)多數(shù)采用漿砌塊石或混凝土等剛性硬質(zhì)材料，甚至有的地方追求所謂的“高標準”河道，對河道采用全斷面剛性材料襯砌，使河道的環(huán)境條件模式化，并使生物種類單一化，由此帶來的環(huán)境問題是很嚴重的。
隨著國家綜合國力的增強和人民生活水平的提高，我國也開始越來越重視環(huán)境保護問題。我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十個五年計劃中提出，必須重視生態(tài)建設和環(huán)境保護，加強自然保護區(qū)和生態(tài)示范區(qū)建設，保護陸地和海洋生物的多樣性。人們在越來越注重城市環(huán)境和保護生物多樣性的同時，也開始注重水利工程的環(huán)境問題，在有些堤防和護岸的結(jié)構(gòu)設計中開始注入環(huán)境水利的設計理念，如有些堤防護坡采用草皮，依靠草皮良好的根系而使護坡具有一定的固土和抗沖能力，另外在水土保持工程、防止坡地雨水沖蝕等方面也有一些應用。但總體來說，生態(tài)護坡在水利工程中的應用尚處于試驗和研究階段。
3生態(tài)護坡方案的可行性
生態(tài)護坡能依靠植物良好的根系而使護坡具有一定的固土和抗沖能力，同時生態(tài)護坡具有造價低、能美化環(huán)境的獨特效果，在國外已得到了廣泛的應用，在國內(nèi)也有一些應用。
茂漁川工程位于日本北海道惠庭市，是由日本沖谷實業(yè)有限公司1990年設計的，該工程的護坡結(jié)構(gòu)同太浦河泵站進、出水渠（水生植物種植區(qū)域），種植的植物為千屈菜、黃昌蒲、千歲梅花藻和豆牟菜。該工程河流的正常流速為0.4m/s～1m/s，洪水時河流的流速達3m/s。工程運行至今已有近12年，固土和抗沖能力效果良好，且美化了環(huán)境。由于利用石頭、砂子等天然材料的多孔性構(gòu)造，通過水邊綠化、設置生物的生長區(qū)域，保護了生物多樣性，避免了材料的二次性環(huán)境污染問題，同時利用水生植物對水體自凈能力，使水質(zhì)得以改善。
衛(wèi)運河生態(tài)護坡試驗段工程位于衛(wèi)運河祝屯閘下險工段內(nèi)，長170m，是海河水利委員會利用土工織物與生物工程措施相結(jié)合的護岸工程試驗研究段。試驗段灘頂高程28.30m，河底高程18.63m，在高程24.00m處設寬1m的馬道。馬道以上的設計邊坡為1:2.5，采用深栽柳護坡，柳樹縱橫株距均為1.5m，柳間栽爬根草；馬道以下的設計邊坡為1:2，采用土工織物排體護坡、護基，排體上面用混凝土預制塊組成框格壓載，在框格內(nèi)填土、深栽柳，柳樹縱橫株距均為1.5m，柳間栽爬根草，其生態(tài)護坡剖面圖見圖1。該工程于1987年5月完工，經(jīng)過兩個汛期400m3/s流量的考驗，目前框格內(nèi)的草皮茂盛，且生長茂盛，柳樹的成活率95%以上，護坡效果良好。
從以上國內(nèi)外兩個成功的工程實例可以看出，只要太浦河泵站的生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)設計和植物選擇得當，生態(tài)護坡方案在太浦河泵站工程中是可行的。
圖1衛(wèi)運河生態(tài)護坡剖面圖
4生態(tài)護坡試驗與研究
4.1設計要點
太浦河泵站進、出水渠道除具有一般河道所具有的防洪、引排水和航運等功能外，它還具備與泵站有關的一些特點：太浦河泵站進出水渠為新開河道，進水渠為1級堤防，護坡應具備固土、抗沖能力，穩(wěn)定要求較高；進、出水渠的地質(zhì)條件不太理想，在堤底附近有一層較深厚的、呈流塑狀的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，而堤頂與堤底高差最大達9.5m（進水渠）；泵房的.施工期較長（達18個月），地下水位又較高，給施工期的進、出水渠的穩(wěn)定帶來威脅（渠道中無水）。根據(jù)國內(nèi)外生態(tài)護坡的成功經(jīng)驗，結(jié)合泵站進、出水渠的特點，生態(tài)護坡的設計原則如下：
�。�1）生態(tài)護坡應滿足渠道功能和堤防的穩(wěn)定要求，并降低工程造價；
�。�2）盡量減少剛性結(jié)構(gòu)，增強護坡在視覺中“軟效果”，美化工程環(huán)境；
�。�3）進行水文分析，確定水位變幅范圍，結(jié)合植物調(diào)查結(jié)果，選擇合適的植物；
�。�4）應設置多孔性構(gòu)造，為生物提供一個安全的生長空間；
�。�5）盡量采用自然的材料，避免二次環(huán)境污染；
�。�6）布置時考慮人們的親水要求。
4.2栽種植物的選擇
在栽種植物以前，應首先進行工程區(qū)域的植被調(diào)查，然后根據(jù)植被調(diào)查結(jié)果，充分考慮到栽種植物與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)、景觀、安全性、地域適應性及生態(tài)平衡的問題，并按以下條件進行嚴格的選擇：
（1）適合氣候、氣象條件的樹種；
�。�2）土壤要求低；
�。�3）原有品種；
（4）抗病蟲害能力強，對周圍環(huán)境的危害性�。�
�。�5）壽命或者效果發(fā)揮時間長；
（6）具有能夠美化環(huán)景的效果；
�。�7）容易維護管理；
�。�8）具有市場性。
在現(xiàn)場選擇完全滿足上述條件的植物是困難的，但可選擇適合于河畔生長的和具有適合工程實際和生長能力的植物。在充分調(diào)查太浦河兩岸及蘇州地區(qū)現(xiàn)有植被的基礎上，經(jīng)過認真論證，在水位變化區(qū)采用水生植物護坡，水生植物初選太浦河兩岸常見的千屈菜、香蒲和黃昌蒲，馬道以上噴植草坪護坡。
4.3生態(tài)護坡設計
根據(jù)渠道水位的變化范圍，在渠道的不同坡段選用合適的植物，是生態(tài)護坡設計的一項重要內(nèi)容。太浦河泵站工程的主要功能是在枯水年份向上海供水，其進出水渠生態(tài)護坡的設置高程應以不影響進出水渠的過水能力為前提，同時盡量確保硬性護坡的淹沒時間最長，以提高工程的環(huán)境效益。
太浦河泵站進水池的設計運行水位為1.90m，此時進水渠入口水位為2.10m，考慮以高程1.90m作為分界，即進水渠高程-2.50m（渠底）至1.90m仍維持原漿砌塊石護坡結(jié)構(gòu)，高程1.90m以上至堤頂采用生態(tài)護坡。其中，高程1.90m至馬道高程（包括馬道）部分采用干砌塊石加水生植物護坡，馬道以上部分采用草皮護坡；泵站出水渠的最低運行水位為2.66m，設計水位為3.29m，最高運行水位為3.34m，根據(jù)有關文獻介紹，國內(nèi)3級堤防的臨水側(cè)均可采用草皮護坡，為確保邊坡的抗沖穩(wěn)定，考慮進、出水渠生態(tài)護坡景觀的連續(xù)性，以高程2.60m作為分界，出水渠高程-1.80m（渠底）至2.60m仍采用原漿砌塊石護坡結(jié)構(gòu)，高程2.60m（包括馬道）以上至堤頂采用生態(tài)護坡。其中，高程2.60m至馬道高程（包括馬道）部分采用干砌塊石加水生植物護坡，馬道以上部分采用草皮護坡。
生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)除滿足泵站正常運行期的穩(wěn)定要求和固土抗沖要求外，還應滿足進、出水渠施工期的穩(wěn)定要求，尤其是護坡的施工期滲透穩(wěn)定。由于目前國內(nèi)對生態(tài)護坡在工程中的應用尚處于試驗與研究階段，因此在生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)的設計中，參考了前述的日本茂漁川工程的護坡結(jié)構(gòu)：在水生植物的種植區(qū)域護坡采用干砌塊石加水生植物，具體做法是面層采用厚35cm的干砌塊石，干砌塊石下鋪厚10cm的碎石墊層，在碎石與土坡的交接處鋪設麻布一層，以形成反濾，確保施工期護坡的滲透穩(wěn)定，；在面層干砌塊石之間的縫隙內(nèi)用土回灌后再種植水生植物（見圖3）。草坪噴植的方法與國內(nèi)常見的三維網(wǎng)墊法不同，它利用一種專用機械用一定的壓力將草籽、粘結(jié)劑、養(yǎng)料和水的混合物噴灑在的護坡土表面，這種方法與三維網(wǎng)墊法相比，草坪更容易生長，且具有施工快、固土效果好、造價低等優(yōu)點。
4.4生態(tài)護坡的穩(wěn)定
進、出水渠護坡必須滿足穩(wěn)定的要求。穩(wěn)定一般包括邊坡的圓弧抗滑穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定和抗沖刷穩(wěn)定。
進、出水渠道的底寬是根據(jù)泵站設計流量的條件下，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較并結(jié)合了水工模型試驗的結(jié)果綜合確定的，同時渠道應滿足不沖、不淤流速的要求；進、出水渠馬道的寬度和高程的設置以及邊坡坡比，是根據(jù)堤防的抗滑穩(wěn)定結(jié)合施工條件綜合確定的。對泵站的進、出水渠護坡，原護坡采用漿砌塊石結(jié)構(gòu)，現(xiàn)部分改用生態(tài)護坡，經(jīng)對邊坡抗滑穩(wěn)定計算分析，即在不改變原護坡的坡比和尺寸的前提下，生態(tài)護坡的邊坡抗滑穩(wěn)定仍能滿足規(guī)范要求。
護坡的抗沖刷穩(wěn)定也是護坡設計的一項重要內(nèi)容。根據(jù)英國建筑工業(yè)研究與情報協(xié)會原型試驗結(jié)果以及英國奈特龍公司的資料（圖2），一般草皮的的抗沖刷的極限流速大于1m/s，而太浦河泵站的進、出水渠在設計水位情況下，最大流量300m3/s時渠道流速分別為0.82m/s、0.69m/s，均小于1m/s。又如前述的日本的茂漁川工程的實例，其護坡結(jié)構(gòu)和選用的植物與太浦河泵站進、出水渠相似，洪水時河流的流速雖然高達3m/s，但生態(tài)護坡的固土抗沖效果良好。綜上所述太浦河泵站生態(tài)護坡的抗沖刷穩(wěn)定是能保證的。
4.5現(xiàn)場試驗
為進一步驗證生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)方案的可行性以及所選植物對太浦河泵站現(xiàn)場的適應性，在泵站工地進行了現(xiàn)場試驗。試驗段選擇泵站下游亭子港堵壩臨太浦河側(cè)，邊坡的坡比以及護坡的結(jié)構(gòu)設計完全模擬出水渠，也就是說在水位變化區(qū)域采用干砌塊石加水生植物，植物選用千屈菜和香蒲，水位變化區(qū)域以上采用草坪噴植（見圖3），試驗的面積為120m2。20xx年10月14日進行水生植物種植和草皮噴植，10月16日、19日、24日和31日進行了四次人工灑水養(yǎng)護，10月31日拆除部分施工圍堰以引入太浦河水，保持圍堰內(nèi)外水位的動態(tài)平衡。10月下旬，草坪噴植部分草籽開始發(fā)芽，11月上旬，水生植物部分長出新芽。隨著氣溫的下降，從11月底起，水生植物逐漸枯萎，但草坪部分仍保持綠色。隨著春天的來臨，水生植物日漸發(fā)芽，成活率在95%以上。至20xx年5月底6月初水生植物和草坪均基本長成，紅花綠草，護坡工程很好地融入了周邊的自然環(huán)境，試驗段生態(tài)護坡的景觀效應已初見成效。
從現(xiàn)場試驗的情況看，水生植物選用千屈菜和香蒲（或黃昌蒲，兩者習性相仿）以及噴植的草坪是能適應現(xiàn)場實際條件的，均能成活，生態(tài)護坡的結(jié)構(gòu)是合適的，能滿足護坡的穩(wěn)定要求。由于千屈菜和香蒲/黃昌蒲是屬于不耐寒的草本植物，因此在冬季基本枯萎，對工程的美觀性有所降低，但天氣轉(zhuǎn)暖后，植物又會發(fā)芽。冬季水生植物雖然枯萎，但其良好的根系仍然起到固土和具有抗沖能力。
圖3太浦河泵站生態(tài)護坡試驗段護坡結(jié)構(gòu)剖面圖
4.6技術(shù)經(jīng)濟比較
對生態(tài)護坡部分進行生態(tài)護坡方案和漿砌塊石護坡方案的投資比較，經(jīng)投資估算，本工程進出水渠邊坡采用生態(tài)護坡方案的工程投資約213萬元，采用漿砌塊石護坡方案投資約353萬元，生態(tài)護坡方案可節(jié)約投資約140萬元。
綜上所述，生態(tài)護坡具有以下優(yōu)點：
（1）克服了原漿砌塊石護坡的呆板和生硬，使工程與自然統(tǒng)一；
（2）利用不同季節(jié)的植物的形狀和顏色，可大大改善工程環(huán)境；
�。�3）避免采用非自然的材料，避免了二次環(huán)境污染；
�。�4）生態(tài)護坡滿足了人們的親水要求；
�。�5）因設置了多孔性構(gòu)造，對生物的生長和水質(zhì)起到了保護作用；
�。�6）工程造價相對較低。
從工程維護角度分析，漿砌塊石護坡具有一次性投資、維護少等優(yōu)點，但生態(tài)護坡一般在栽種后的一年內(nèi)要進行一定補栽（一般為10%左右），在植物成活前要進行一定的養(yǎng)護，而后，植物主要是依靠自然的力量進行自然更新，通常情況下無需維護，所以維護工作量也不大。因此，尤其是人們越來越重視生態(tài)環(huán)境的今天，生態(tài)護坡在水利工程中具有廣闊的應用前景。
5結(jié)語
太浦河泵站工程在護坡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方面作了積極的嘗試，引進了國外較為流行的生態(tài)護坡技術(shù)，有效地改善了泵站的環(huán)境效應。其以人為本、環(huán)境水利的設計理念和生態(tài)護坡的設計原則以及試驗研究成果，可以作為今后類似工程的設計提供借鑒。
參考文獻
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[2]太浦河泵站工程進出水渠護坡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計報告·20xx年1月（水利部上�？睖y設計研究院上海市水利工程設計研究院）
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[4]包承綱·堤防工程土工合成材料應用技術(shù)·中國水利水電出版社
[5]衛(wèi)明·城市水環(huán)境建設中若干問題的探討·上海水務·20xx；4
[6]衛(wèi)明·恢復城市水環(huán)境的自然生態(tài)
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