生态护岸工程设计中若干关键问题的复核

严 飞，邬显晨

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 问题的提出

随着经济社会的迅速发展和城市建设步伐的加快，城市河道、堤防建设不仅要使堤岸发挥出水利工程的功效，而且要融入城市景观、生态环保等多种内容。传统的浆砌块石挡墙、钢筋混凝土挡墙将整个河岸表面封闭起来，隔绝了土壤与水体之间的物质交换，在不同程度上对景观、环境和生态产生不良的影响，与“人水和谐”的理念相去甚远。因此，近年来强调“生态、自然、景观”的生态护岸工程应运而生，为水利工程与自然环境的和谐共处发挥了重要的作用。

目前生态护岸种类繁多、各有特色，由于河道水流运动的复杂性和护岸材料自身的特点，生态护岸存在以下几个突出的问题：

（1）生态护岸材料的生产厂家往往只注重产品的生态功能，忽视了护岸应有的防洪功能，使得产品技术不能够真正保障防洪安全；而现行的水利行业规范对生态护岸技术没有相应的条文进行复核，使得生态护岸技术实际属于无统一规范可循的局面。

（2）各种生态护岸都具有一定的局限性，应当对现有的生态护岸技术进行梳理、评价，以切实可行地应用在不同的工程项目中。

本文在总结大量工程设计实践的基础上，针对生态护岸的特点，指出在设计中应从行洪能力、抗冲、稳定、反滤、防渗、材料选择、细部构造、工程管理等八个关键问题进行复核，供相关工程参考。

2 生态护岸的定义与特点

生态护岸是指恢复后的自然河岸或具有自然河岸“可渗透性”的人工护岸。它拥有渗透性的自然河床与河岸基底，丰富的河流地貌，可以充分保证河岸与河流水体之间的水分交换河调节功能，同时具有足够的抗洪强度。

生态护岸结构应当有以下特点：

（1）柔韧性：能够很好地适应各种外力对岸坡的破坏，如地基土的冻胀隆起和融沉、冰排撞击、静冰压力、地震等。

（2）整体性：可以抵御水流的冲刷，局部损坏不会造成整体失稳。

（3）耐久性：具有较强的耐腐蚀、耐老化性能。

（4）透水性：河水与堤岸具有物质能量交换．有利于生物的生存。

（5）生态景观性：与自然景观相互协调，与水域原有的生物群落融为一体。

（6）环保性：可以就地取材，也可废物利用，无需开山炸石，破坏环境

（7）经济性：几乎没有岁修成本，长期经济效益明显。

（8）施工灵活性：汛期或非汛期均可方便地施工。

3 若干关键问题的复核

在生态护岸设计过程中，应该充分认识到生态护岸在设计阶段有许多不同于传统护岸的地方，必须根据生态护岸结构的特点，针对关键的问题区别分析。

3.1 行洪能力的复核

河道的糙率是影响河道行洪能力的重要因素。在生态护岸工程中，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。但是较茂密的植被护坡会造成较高的水力糙率，从而直接影响到河道的行洪能力。根据《灌溉与排水工程设计规范》GB50288-99 附录E 渠道糙率表，流量大于20 m3/s 的的渠道，草被茂盛情况下糙率为0.025～0.0275；流量介于1 和20 m3/s 的的渠道，相应情况下糙率达0.0275～0.03；流量小于1 m3/s 的渠道，相应情况下糙率则达0.03～0.035，而采用传统的浆砌块石护岸的糙率为0.02～0.025，用钢筋混凝土护岸的糙率仅为0.012～0.014。

根据综合糙率计算公式可见，在流量一定、河道底部糙率一致的情况下，断面窄而深的河道受护岸糙率影响非常大，从而相同流量下采用生态护岸应当较传统护岸的计算水深高30%以上。因此在选择生态护岸时，必须要充分考虑生态护岸糙率的影响，复核河道过流能力，避免大幅抬高河道水面线、降低河道的行洪能力的后果。

3.2 抗冲性能的复核

河道水流主要通过冲刷护坡、淘刷护脚和漫顶冲刷侵蚀护岸,以下几种情况均可引起护岸迎水侧护坡发生水流冲刷：一是河道拐弯时形成的水冲部位，直接遭受水流冲刷；二是河流蛇行弯曲时由于离心力作用所产生的横向环流对凹岸迎水侧护坡产生冲刷；三是在直线河段护岸不连续的部位或河床沉积物有变化的部位，由于流沙的非平衡状态出现而发生水流冲刷。河道在洪水期可能发生的流速，直接关系到生态护岸材料的选择，根据目前的生态护岸材料的特点，可供参考的抗冲性能见表1。

根据表1 可见，在设计生态护岸时，需根据计算流速，针对各类生态护岸的抗冲能力进行复核，保证护岸的整体性。

3.3 整体稳定的复核

3.3.1 设计稳定安全系数

在进行生态挡墙整体稳定复核时，应注意绝大部分生态挡墙属于加筋土挡墙。常规挡墙的稳定安全系数是根据挡墙的重要性确定级别，然后再选取相应的稳定安全系数，但根据《水工挡土墙设计规范》（SL 379-2007），对于加筋土挡墙而言，不论挡墙级别，抗滑稳定安全系数基本组合均不得小于1.4,特殊工况不小于1.3；抗倾覆稳定基本组合安全系数不小于1.50,特殊工况不小于1.4;加筋体抗拔安全系数不小于2.0；由此可见，在规范中已注意到了加筋土挡墙在运行中存在的安全问题，对结构的安全可靠度提高了要求，这也是生态挡墙设计中必须注意的问题。

3.3.2 水位骤降工况下的稳定设计计算

在河道水位骤降的情况下，当河道挡墙墙前水位下降速度超过墙后排水速度时，各项计算指标的安全系数随着墙前后水头差的增大而减小，当墙后水位降到一定值时，安全系数为最小；但在此以后，随着墙前水位进一步下降，墙体浮托力相应减小，同时墙后的水土压力也有一定程度的减小，挡墙的稳定安全系数又有所增大，即稳定安全系数为一个曲线变化过程。

在常规的挡墙设计中，为降低墙后水土压力，通常会设置泄水孔，在水位骤降工况下，稳定计算中墙前、后水位组合较为明确。生态护岸尽管应该具有良好的透水性，但是在实际应用中，各类生态护岸的透水性能相差较大，有的生态护岸甚至与浆砌块石护岸的透水性相当，如此时假定墙后水位能够随墙前水位同步下降，则会得出不正确的稳定安全系数，给工程安全带来严重的隐患，因此必须要针对不同生态护岸自身排水的特点合理确定水位骤降工况下的墙前后水位组合，才能保证稳定计算的合理性。

表1 抗冲性能表

3.4 排水反滤效能的复核

生态护岸需要能够及时排出墙后的地下水，以降低土水压力对生态护岸的影响，此时反滤应充分发挥作用。尽管目前许多生态护岸产品认为自身能够排水，但为安全起见，建议应当针对生态护岸的排水反滤能力充分复核，在护岸土质较差、排水反滤能力不足的生态护岸工程中，可考虑设置不小于20 cm 的碎石反滤层,并采用无纺土工布铺垫，以提高排水反滤的可靠性。

3.5 防渗效能的复核

生态护岸的回填土材料是主要的防渗体，土体稳定、密实是护岸稳定的基础。在设计文件中，通常要求墙后回填土采用素土回填，且压实度不小于90%。但在实际施工中，往往由于墙后的作业面狭窄，大型压实设备难以发挥作用，小型设备夯实效果不佳，造成土体不够密实，墙后土体后期沉降较大，抗渗效果难以保证。因此，应根据地质特点，充分复核墙后土体的防渗能力。建议在不影响绿化种植效果的前提下，在回填土的适当位置掺加6%～8%的石灰或水泥，提高土体性能，增强土体防渗能力，减小回填土沉降及增强土体与护岸的结合。

3.6 生态材料选择的复核

3.6.1 三维土工网垫材料

在土工合成材料生态护岸工程中，三维土工网垫由于结构简单、施工便捷受到广泛的应用，见图1。但目前各种三维土工网垫在实际工程应用后，由于厂家施工工艺、材质和结构的不同，实际使用效果相差非常大。采用多次成型工艺的土工网垫，整体性能一般，难以经受水流的反复冲刷；同时，许多材料防老化功能较差，使用寿命短则几个月，多则一两年。材料老化后网垫功能形同虚设，固土抗冲则完全依靠生态植被，铺设在水位变动区一段时间后，网垫破损、水土流失的情况较为普遍。

图1 普通PE 三维网垫

近年来，欧洲的水土保护毯由国内商家引入并逐步推广，其材质以高质量聚酰胺（PA6）为原料，耐紫外线、耐化学攻击，经欧洲权威机构检测其耐久性可达百年。通过欧盟环保标准论证，可应用于饮用水库；生产工艺采用干拉法一次成型，不通过水冷却，产品柔韧性好；单丝三维立体结构，植被根系与水土保护毯的三维立体结构互相缠绕，形成密集的加筋体系，能有效固土，整体性强、稳定性高。经实际证明，该种产品能够完全替代铺设在水位变动区的硬质护坡材料，能够耐受至少5 m/s以下的水流冲刷作用，其中的A20 水土保护毯甚至可抗击7 m/s 的流速，作为一种新型柔性护坡结构具有较明显的生态环保和造价优势，见图2。

图2 水土保护毯

因此在选择三维土工网垫类生态护坡时，应当了解、复核相关的材料及工艺特点后再确定采用何种产品。

3.6.2 生态袋材料

生态袋护坡系统通过将装满植物生长基质的生态袋沿边坡表面层层堆叠的方式在边坡表面形成一层适宜植物生长的环境，同时通过连接配件将袋与袋之间，层与层之间，生态袋与边坡表面之间完全紧密的结合起来，达到牢固的护坡作用，同时随之植物在其上的生长，进一步的将边坡固定然后在堆叠好的袋面采用绿化手段播种或栽植植物，达到恢复植被的目的。生态袋是由聚丙烯（PP）或者聚酯纤维（PET）为原材料制成的双面熨烫针刺无纺布加工而成的袋子。在实际应用中通常遇到的问题如下：（1）袋布孔径太大，袋体，材料过薄，造成袋装物质量遭雨水、流水冲刷时会大量流失，造成单位重量大大减小，原力学设计值发生较大变化，力学结构被破坏，造成坍塌。（2）袋布孔径太小，袋体材料过厚，会对植被生长与根系延伸的形成阻碍，严重影响柔性边坡的结构稳定。同时透水能力降低．大量水份渗入时，其单位重量大大增强．使原受力结构数值增大，增加边坡静水压力，造成结构变形，坡体坍塌。因此应对生态袋的厚度、单位质量、物理力学性能、外形、纤维类型、受力方式、方向、几何尺寸和透水性能及满足植物生长的等效孔径等指标，结合项目特点进行严格复核后确定。

3.6.3 加筋体材料

生态加筋土挡墙通常采用土工格栅作为加筋体材料，但由于土工格栅种类较多，不同类型的土工格栅用途大相径庭，见图3、图4。注意在材料选取时，选择玻璃纤维土工格栅时需要慎重。玻璃纤维土工格栅属于织造土工织物，根据《土工合成材料应用技术规范》GB50290-98 第6.2.1 条，和《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》SL/T225-98 第7.5.3 条，筋材刚度模量不同，破裂面不同，纤维土工格栅属于织造土工织物，破裂面属于柔性筋式。因此需要特别注意，若设计时按刚性筋式的破裂面计算，施工时不得用纤维土工格栅。由于玻璃纤维的拉伸变形量很小，一般小于3%，显示刚性，不适于允许一定变形的柔性结构的加筋土挡墙。因此，必须慎重选用玻璃纤维土工格栅作为加筋体材料。

图3 塑料土工格栅

图4 玻璃纤维土工格栅

3.6.4 笼系结构的钢丝镀层和构造

石笼结构由于整体性好、抗水流能力强在生态护岸中得到了广泛应用，石笼结构的应用成功与否，网笼材料的耐腐蚀性是关键。在设计时，须结合河道的水质情况，分析地表、地下水水质报告，复核网笼钢丝的耐腐蚀性。网笼材料不同的镀层决定了钢丝的耐腐蚀寿命。经试验表明，钢丝随着镀层量的增加,耐腐蚀性能也增加，采用镀锌-10%铝合金钢丝的抗腐蚀性约为镀锌钢丝的6～7 倍。因此，建议在水质较差、腐蚀性强的河道工程中，建议选择镀锌-10%铝合金钢丝，同时钢丝镀层最薄处不得小于45μm，钢丝镀层最厚处于最薄处的比值不得大于2；钢丝在自身缠绕8 圈以上后，钢丝表面在12 倍放大拍照后不得出现裂痕。笼系结构可作驳岸挡墙选用，植物也能够在石缝中生长，有一定的生态性。

3.7 细部构造的复核

某些新型生态材料，在细部构造设计上考虑不周密也是带来工程安全隐患的因素之一。如在生态加筋挡墙设计中，加筋材料如何与砌块连接、形成有效的加筋土挡墙受力体系是保证加筋土挡墙稳定的关键。在某些加筋土挡墙产品中，砌块棱角较为锋利（见图5），而加筋材料直接压在挡墙砌块下，当土体发生沉降时，加筋材料随土体一起沉降，而砌块沉降量相对较小，从而加筋材料在沉降差的作用下很容易被砌块的棱角所割破，造成连接的失效。因此应复核加筋材料在与砌块连接型式，建议采取反包回折、砌块倒角、连接处增加土工布条等方式减小柔性材料与刚性材料之间的应力集中现象，提高连接的可靠性。

图5 砌块锋利的棱角

3.8 工程管理的复核

在设计阶段，就需要充分注意到生态型护岸工程建设完成后，工程管理的重要性。应在工程管理设计章节，提出在工程建成后，进行监测和维护、制定监测计划的要求。尤其在工程完成后的第一年，重点对生态护岸监测以下内容：（1）植被是否有充分的成活率，满足绿化生态的要求；（2）植被是否过于茂密，从而影响河道的防洪能力；（3）护坡是否完整，三维土工网垫、生态袋应注意其土工材料是否老化；网笼结构生态护岸，石笼护坡采用的镀锌钢丝，易于成为拾荒、偷盗者关注的对象，一旦网笼被割破损失，将严重削弱护坡的整体抗冲能力。因此生态护岸工程建成后，必须加强管理、巡视，做好宣传，避免护坡材料被人为破坏。

4 结语

在强调“人水和谐”的今天，生态护岸的应用将越来越广泛，更多新型的生态护岸将不断涌现，用在更多的工程中。为使生态护岸更好地服务于水利工程，本文在总结大量工程设计实践的基础上，提出了在生态护岸工程中若干关键问题的复核要求，通过对以上各方面关键问题的严格控制，能够较好地避免应用时考虑不足的情况，以供相应工程参考。

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