峡江水利枢纽抬田工程边坡梯级生态防护模式探讨

胡志坚，万迪文，赵佳鼎，段 剑

(1.江西省峡江水利枢纽工程管理局，江西 南昌 330000；2.江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029；3.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029)

峡江水利枢纽工程是《全国“十一五”大型水库规划》的重点骨干工程，是江西省重点工程，是鄱阳湖生态经济区建设的先导工程。主要建设内容包括枢纽主体工程、库区7个防护工程和15片抬田工程[1]。工程建成以后，水库正常蓄水位46 m，死水位44 m，防洪高水位49 m。“抬田”就是将浅淹没区的耕地高程抬升(普遍抬高2～3 m)，高出水库正常蓄水位0.5 ～1.0 m，再辅以配套完善的灌溉、排水设施，建成“旱能灌、涝能排”的高标准农田。峡江水利枢纽抬田工程总面积约2 500 hm2，共减少淹没耕地2 519.4 hm2、林地245.2 hm2，减少大量因环境容量不足而被迫外迁的移民数量，为全国首例面积最大的“抬田工程”[2-3]。

抬田工程临江田块的边坡为填方土质边坡，长期受水力的作用，可能出现波浪(风浪、船行波)淘刷、行洪近岸水流冲刷、雨水冲刷等坡面侵蚀问题，从而影响边坡的稳定性。提高边坡的抗侵蚀能力、降低水对边坡的作用强度是解决边坡稳定性的关键[4-5]，然而目前在设计上，更多采用混凝土、浆砌石等传统硬质护坡模式，缺乏对环境与生态功能的考虑，如传统硬质护坡严重破坏了生物生存、栖息、繁衍的环境，隔断了水域生态系统与陆地生态系统的交流与联系，不利于河流水体自净能力的发挥和自然生态系统的恢复[6-7]。随着经济社会的发展，水生态文明建设成了当今水利改革发展的重要课题，因此边坡防护不仅需要具备防洪、防汛的基本功能，也需要兼顾景观美学与生态效益等功能。生态护坡是基于土质边坡稳定性和生态学原则的一种边坡防护技术，具有防护边坡、防治水土流失和改善生态环境等功能，同时能够防控边坡以上农田耕作引起的面源污染。在越来越重视环境保护和生活质量的今天，生态防护已成为土质边坡防护的一种趋势，也代表着土质边坡防护的发展方向[8-9]。

1 抬田工程概况

峡江水利枢纽工程位于赣江中游峡江县上游峡谷河段，是一座以防洪、发电、航运为主，兼顾灌溉等综合利用的大(Ⅰ)型水利枢纽工程。为保护库区土地资源、减少水库淹没损失，对库区部分人口密集、耕地集中、具有防护条件的临时淹没区或浅淹没区采取修筑堤防或抬田措施，主要分布在沙坊、八都、桑园、水田、槎滩、金滩、南岸、醪桥、乌江、水南背、葛山、砖门、吉州区、禾水、潭西，同江防护区、上下陇洲防护区、柘塘防护区、樟山防护区、槎滩防护区，共设有7个防护区，保护耕地3 700 hm2。对浅淹没区实施抬田措施，将耕地高程抬高至水库正常蓄水位以上0.5～1.0 m。防护区内外共设有20片抬田区，抬田总面积约2 500 hm2，先期实施了14.4 hm2作为抬田试验研究区。

2 抬田区水位变化特点

峡江水利枢纽工程建成后，水库在每年10月开始蓄水，至翌年3月(10月1日—3月31日)坝前水位为46.0 m，主汛期(4月1日—6月20日)坝前水位由46.0 m下降至43.0 m，后汛期(6月21日—9月30日)坝前水位为43.0～44.0 m。每年随着水位在43.0～46.0 m之间变化，在抬田库区临江边坡上会形成水位涨落高差达3 m且与水位自然涨落节律相反的水陆交错带(区)，抬田库区水位变化曲线如图1所示。

图1 抬田库区水位变化曲线

3 边坡稳定性分析

3.1 不同水位条件下的静水边坡稳定性分析

研究区抬田工程临江边坡线长11.77 km，坡比1∶2，为土质填方边坡，相关土层物理力学参数见表1。取典型断面进行计算，当水库运行水位为46.0 m(正常蓄水位)、44.0 m(死水位)和43.0 m(施工期水位)时，边坡稳定性计算结果见表2。由表2可知，在不同水位条件下，抬田静水边坡安全系数分别为3.618、3.699、3.510，均大于规范允许安全系数(1.2)。因此，在静水条件下抬田边坡抗滑稳定性满足要求。

表1 边坡典型断面各土层物理力学参数

表2 静水条件下典型断面边坡安全系数

3.2 波浪对边坡稳定性的影响

水库波浪(以风浪为例)对土质岸坡的破坏是一种长时间的淘刷作用，波浪在岸线附近破碎，随即形成向前的涌浪对直立土坎根部进行淘蚀，波浪回落时在冲刷面上形成的回流不断将淘蚀的土体带走，堆积在斜坡上。黏土本身具有一定的黏结强度，长时间淘刷后土坡坡脚沿岸线就会形成内凹的空洞，内凹达到一定深度时，空洞上部挂空的土体就会向下坍塌，接着波浪又对新形成的完整土质坡面进行淘蚀，形成新的内凹空洞，挂空土体再次发生塌落，久而久之，最终表现为整个土质岸坡的坍塌破坏。因此，有必要分析在波浪作用下临江抬田边坡的稳定性。

根据抬田区的气象水文数据，分析抬田区水位46.0 m下风浪要素，并计算斜坡上的波流速分布，计算结果见表3、4。

由表3、4可知：①抬田边坡在正常蓄水位条件下(未考虑回水高度)，风浪爬高至47.06 m，基本平田埂，但已高出抬田田面；②波流速最大为3.12 m3/s，出现在45.73 m坡面， 土质边坡不足以抵抗冲刷； ③风浪水流回落时产生的渗透反力及风浪对坡脚的冲刷降低了土质边坡抗滑力，但稳定性满足要求。因此，采取护坡形式，需要考虑水位在46.0 m时风浪爬高对抬田区的影响。

表3 水位46.0 m条件下风浪要素

注：数据资料来源于吉水站气象统计资料。

表4 斜坡上的波流速

注：H0为波峰高出静水位的高度，d0为令波浪在斜坡上破碎时的临界水深，ZB为最大波压力作用点在静水位以下的垂直距离，V1、V0、VB、VZ为高程46.8、46.0、45.73、45.05 m处的波流速。

4 边坡梯级生态防护模式

4.1 防护功能分区

依据抬田区水位变化规律，将临江土质边坡划分为3个生态防护功能区，详见表5。考虑汛期泄洪水流流速较大等因素，将高程43.0～45.0 m划分为固土抗冲区，主要功能为固定边坡土壤，抵御水流淘刷；考虑枯水期正常蓄水位为46.0 m，水流流速相对较小，将高程45.0～46.0 m划分为消浪减蚀区，以降低波浪爬高，减小坡面径流侵蚀为主；对边坡常露区46.0～47.8 m划分为抗蚀景观区，以增强土壤抗侵蚀性，提高生态景观效益为主。

表5 临江土质边坡生态防护功能区划分

4.2 不同功能区生态防护措施

根据水位调度进行边坡梯级生态防护是目前抬田区临江土质边坡生态防护的核心思路，基于水位变动进行梯级植被重建分区设计是原则，植被生境创造与改善是保障(见图2)。

图2 抬田边坡梯级生态防护模式(单位：m)

4.3 不同功能区护坡植物选择

(1)高程43.0～45.0 m。采用植生混凝土、生态袋、植生卷材、抗冲毯等生态护坡技术进行防护，削弱水流冲刷与风浪淘蚀作用，增加边坡稳定性。植物以耐淹耐旱的两栖草本植物为主，主要有狗牙根、牛鞭草、李氏禾、芦竹、类芦、水蓼、空心莲子草(水花生)、扁穗牛鞭草等。

(2)高程45.0～46.0 m。种植消浪植物篱，降低风浪爬高，保障抬田安全。植物需满足耐旱耐淹与固土消浪等要求，主要有香根草、芦苇、五节芒等。

(3)高程46.0～47.8 m。以灌木带和花草植物为主，防止抬田道路侵蚀泥沙下泄，减少坡面侵蚀。以耐旱抗侵蚀的景观植物为最佳。灌木选用杜鹃、红叶石楠、红花檵木、金边黄杨、赤楠，草本选用假俭草、狗牙根、金鸡菊、波斯菊、石竹、菊科野花组合草种等。

5 研究展望

以恢复生态学理论为指导，以库区生态环境的调查为基础，根据临江边坡生态系统特点和植物的生物生态学特性，筛选、驯化、培养、繁殖一些适宜不同水位条件下的生态护坡植物，并运用生态工程学方法构建临江护坡植物的生存环境，试验性地构建与恢复一定面积的较稳定且与环境相协调的植被群落，并提炼防护措施设计合理、种植技术科学和效益最大化的临江土质边坡生态防护技术体系，为江西省河流湖库水陆交错区边坡生态防护提供技术支撑，为江西省生态鄱阳湖流域建设提供借鉴。

5.1 临江土质边坡不同水位生态护坡植物筛选

植物对水位变动的适应性取决于植物耐淹、耐旱的生理特性，临江土质边坡生态防护应充分体现沉水植物、两栖植物、挺水植物与陆生植物相结合的原则，并根据植物生理学特性提出适宜水位变化的梯级生态恢复模式。

以南方红壤区常见护坡植物为研究对象，采用人工降雨与径流冲刷试验等技术，研究不同植物措施下，降雨、径流对边坡土壤侵蚀量、土体抗冲刷性能、坡面流速等因素影响规律，分析不同供试植物的根系分布格局、根系抗拉强度及根土复合体抗剪强度；根据项目区气象水文资料，设计植物消浪和波浪冲刷水槽概化模拟试验装置，研究不同植物措施下的风浪爬高与消浪系数；同时对供试植物进行不同时间与水深等因素的耐淹耐旱试验。综合以上三个方面的研究结果，分析供试植物的耐淹耐旱、消浪减蚀和固土抗蚀效应，综合考虑筛选适宜临江土质边坡不同水位区域的优良生态护坡植物。

5.2 临江土质边坡适宜植物繁殖与栽培技术

为了使库区消落带植被能够在水位下降后及时得到重建，应根据植物种类和立地条件的差异，引进国内外河岸边坡防护先进技术，并在临江土质边坡上进行适应性研究。植物栽植可通过草本植物丸衣化、草地免耕营建、植苗造林、水生植物栽培等手段，筛选适宜临江边坡不同水位区域的关键种植技术，以达到快速绿化、提高成活率的目的。

5.3 临江土质边坡植被生态系统监测与管理技术

对已构建的生态护坡模式的植物适应性及生长情况、水土保持效益等进行分析，主要包括植被物种组成与结构的变化、植被构建后对环境的影响和群落演替的调控等，并在此基础上，提出防护措施设计合理、种植技术科学和效益最大化的临江土质边坡生态防护技术模式。