浅析生态技术在水利工程中的运用

　　摘要：本文结合现代生态河流整治理念，着重阐述生态河流技术在工程中通过生态工艺、材料的运用，使之得到于体现，旨在探讨河流生态技术的对生态工艺和材料如何合理运用，同时河流生态技术的对生态工艺和材料推广和新工艺发展探索提出要求。
　　关键词：生态工艺；生态材料；运用
　　河道是水生态环境的重要载体，堤防是防洪的工程保障，也是河道生态治理的一项重要措施。因此，在堤防工程设计中考虑生物的多样性，为水生、两栖动物创造栖息繁衍环境，既有利于保护河道的水生态环境，又有利于提高水体的自净能力。
　　根据现代水利建设发展的要求，设计中应按如下原则考虑：
　　（1）在保证工程安全的前提下，应根据工程所在河道特点，因地制宜考虑工程方案：生态景观应与工程安全紧密结合；
　　（2）尽量就地形和地势合理布置，减少工程用地；
　　（3）考虑河流固有的适宜生物繁殖的良好环境，同时要保护和创造优美的自然景观；
　　（4）利用自然砂、石料和水生植物恢复水体的自净能力。
　　总之，河涌的功能除了确保水安全的同时，还应因地制宜的紧扣景观、环保、亲水、生态等原则考虑，并与两岸的用地规划相协调。
　　本次结合细陂河整治工程设计实例，谈谈生态技术在工程中的运用、体现及效果。
　　一、堤岸形式设计
　　（1）斜坡式断面
　　采用放坡的梯形断面，分一级、两级或多级斜坡，采用稳定形式的植草护坡。该断面优点突出：堤岸结构简单，单位堤段造价最低，亲水性强，自然性、生态性强，景观效果好，但同时也带来如下缺点：占地面积大。该断面型式适合于两岸场地宽阔、征地较容易的堤段。
　　（2）岸墙式生态堤型
　　堤顶高程以下至格宾石笼护脚挡墙均采用斜坡式生态袋挡墙，其坡度为1:0.75～1:1。岸墙堤型具有拆迁、占地少等优点。以往传统的直墙重力式、悬臂式、衡重式等整体挡墙由于堤岸结构高度大，往往基底应力大，对地基承载力要求较高，单位堤段造价最高，而且隔断了人与河流水景的联系，显得呆板、单调，过于工程化，不符合把水景观融入城市景观的设计意图。经过工程试验和探索，目前已有很多新式的生态岸墙型式，最有代表性的有荣勋挡土墙、互扣生态袋等，在其结构上做了很多合理性的优化，降低了墙基应力，减少了岸墙式挡墙对基础的依赖性，且具有传统挡墙无法在迎水面墙身上直接构建生态植物的最大特点，这在最大程度上弥补了直墙式挡墙的缺点。该方案适合于两岸场地狭窄、征地有困难的堤段。
　　（3）综合式断面
　　堤岸结构亲水性较强，且平台以上可植草皮作绿化，尽可能增大了绿化面积，既亲水又生态，适于城市居民休闲生活的需要和人们对水环境的心理要求等优点。该方案适合于适用于一岸场地较宽，一岸场地较窄的地段。
　　（4）钢筋砼类悬臂式或扶壁式挡墙
　　悬臂挡墙是堤岸工程常用形式之一，设计理论、施工技术都非常成熟。该结构整体性好，稳定性强，适用场地性较强，可适用于任何河道，但缺点也非常明显：场地占用宽度大，开挖深度大，土方量也大，地基承载力要求高，且人工痕迹明显，虽工程中亦有采用外挂花槽有一定的修饰作用，总体上仍显得亲水性较差，不符合生态河涌整治理念。建设市场由于多采用商品砼，只要控制浇筑质量，不容易形成安全隐患。该方案用于两岸场地狭小，用地紧张的地带较为合适。
　　（5）浆砌石类重力式挡墙
　　浆砌石类挡墙是堤岸工程中最常见的挡墙型式，设计理论、施工技术亦非常成熟，但结构体量大，结构整体性较悬臂式差，亦存在场地占用宽度大，开挖深度大，土方量也大，地基承载力要求高，且人工生态痕迹较明显等缺点，且迎水面无法进行修饰，亲水性最差。由于施工队伍参差不齐，如监管不力，浆砌石砌筑质量往往得不到保证，容易形成质量隐患。
　　综合上述，在本次细陂河综合整治中，我们应积极贯彻建设生态河道的理念，按还河还涌于民的思路，最大限度体现河涌的亲水、生态、和谐，采用安全、可靠、生态的挡墙型式，打造现代城市水文化、水景观、水文明的河涌。结合本工程场地地形条件，推荐采用斜坡式堤岸形式、岸墙式生态挡墙形式及二者的综合式断面形式，具体位置见表3-1、表3-2、表3-3。
　　二、堤岸及堤身防护设计
　　在建设多自然型河流中，重点是创造出具有丰富、自然、魅力的水边环境。在河道整治的各种方法中，应从生态学的观点出发，优先采用生物材料方法，其次采用混合方法，即采用植物与木材或石料合用，最后才考虑刚性材料方法，即采用石料和混凝土。
　　在日本等发达国家，结合坡面绿化的堤防整治工程实例越来越多。坡面采用多孔透水护面材料，种植河畔矮灌木林或其他绿色植物，既可给水边带来荫凉，又可成为鸟类、昆虫等的栖息地。坡脚设置成可供鱼类、水栖生物栖息窝巢的结构。这样就形成了一个立体的、多样性的水边生物的生息空间。此外，为了充分体现亲水的概念，往往在河道内另设置小河槽，由于山区性河流，往往丰水期与枯水期甚至平水期的水量差异很大，在平水期或枯水期，小河槽的设置有利于汇集水流，形成一股真正的溪流，加之对河槽采用平面上蜿蜒精心设置，能充分展示溪流给人们带来亲水、戏水的最大乐趣。
　　（1）护脚防护设计
　　结合本工程实际情况，由于细陂河为山区性河流，坡降较大，造成流速较大，整段河道均需设置均应考虑相对牢固的护脚防护方案。
　　主要用于保护水工结构工程、河道整治工程等水利工程或航道工程来抵御水力冲刷、淘刷等。在柔韧性、耐久性、透水性、整体性都具有一定特点。由于本断面采用斜坡式、岸墙式生态或综合式挡墙型式，且河道较狭窄，流速相对更大，要求采用更牢靠的整体式护脚，但仍需考虑河底的生态空间，故采用格宾石笼护脚，格宾石笼虽是传统工艺，但并不过时，由于其石笼空间内具有水生物生存的良好空间，通过合理设置，一样能实现河底生态空间构建。
　　（2）堤身防护设计
　　本工程堤岸防护应按水位变动区及非水位变动区分别考虑，其中非水位变动区可按常规采用草皮护坡，节省投资；水位变动区，如单纯地采用草皮护坡抗水流冲刷、行船波淘刷能力不强，可选择生态型无砂砼植被、三维土工网垫植草、格宾石笼生态型挡墙等绿色护坡护岸，也可采用混凝土、浆砌石等刚性护坡护岸的形式，结合上述，各护坡护岸形式具体比较如下：
　　1）生态型无砂砼植被护坡
　　无砂砼植被护坡是近年发展的新型护坡材料，它结合了混凝土护坡硬化安全和草能在上面生长的优点，解决了硬化和绿化不能统一的矛盾，大大美化了环境。具有较好的抗冲刷性能，上面的覆草具有缓冲性能，该护坡在广州市的多处河涌整治中已成功运用。
　　目前无砂砼植被护坡分别有预制及现浇两种型式，其中预制型式是市场上新兴的产品，如棕榈石等，考虑本身抗冲需一定规格及人工施工（3人/块）等条件，规格多为1m×1m，如采用机械施工，也可根据加大规格，最适用于护坡可连续施工的堤段；而现浇型式是最早开发的无砂砼护坡，经过众多工程的实践，证明其具有预制型式无法实现的优点，就是其现场适应性非常强，能根据现场实际情况调整其开孔位置，调整其分段及长度情况，甚至能对一些特点构筑物或植物进行预留保护，同时抗人为破坏能力较强。
　　
　　无砂砼植被护坡断面图
　　2）格宾石笼挡墙护岸
　　格宾石笼技术是指将抗腐耐磨高强的低碳高镀锌钢丝或铝锌合金钢丝(或同质包塑钢丝),编织成双绞、六边形网目的网片,根据工程设计要求组装成蜂巢网箱,并装入块石等填充料的一项工程技术，这种蜂巢型结构,最能符合力学的原理,是一个同性质的巨大块状结构体,具有承受张力的功能，并可吸收未知的压力。这项技术能较好地实现工程结构与生态环境的有机结合，为保护河床，治理滑坡，防治泥石流灾害，防止落石兼顾环境保护的首选结构形式。石笼护坡护岸的特点及作用：
　　①较好的生态性。由于石笼的空隙较大,如果只单纯地使用石笼,很容易形成植物无法生长的干燥贫瘠环境。因此,为使植物能早日生长,要给石笼覆土或填塞缝隙,而不能被动地等待洪水带来的泥沙淤积。最好采用微生物及各种生物,在漫长岁月的加工下,形成松软且富含营养成分的表土,实现多年生草本植物自然循环的目标。
　　②较强的透水性。用块石笼叠砌成的挡土墙,由于网箱内的填充料为松散体，存在较多的孔隙，可以充分保证河岸与河流水体之间的水分交换和调节功能,滞洪补枯、调节水位,增强水体的自净能力,有利于砌体后土壤中孔隙水的排出,从而减少墙体后的地下水压力。同时,地表水一旦入渗墙后土中，则可以通过砌体较快地排出，有效降低地下水位。
　　③较好的抗冲性。六角网石笼用作护坡或挡墙工程，结构整体性好。据有关试验证明，六角网石笼防护工程的防冲系数是一般抛石防护工程防冲系数的两倍，且抛石护岸受水流冲击时,石头受压后，一旦产生初始移动,岸坡土壤被冲走,从而导致整个防护工程损坏。而石笼网垫防护工程中的块石即使产生位移，此时变形后的护垫结构将调整,达到新的平衡，而整体不会遭到破坏，从而有效保护岸坡土壤不遭破坏。
　　④较好的防浪性。由于笼内填块石存在一定空隙，风浪、浪峰上拍时，浪花被粉碎，减小了浪压的冲击力，风浪、浪峰退下时，因箱笼有空隙，破坏了风浪的真空吸力，又减小了对防护工程的破坏力度，加之整体结构可在风浪力作用时进行微调，避免了墙身出现裂缝的缺点。
　　⑤较好的柔韧性。石笼网片的原材料可采用涂膜热镀锌低碳钢丝,构成网格的钢丝有一定的强度,不易被拉断,箱笼整体强度较高。低碳钢丝承受适度的变形特点,可以将全部工程连成整体,不需分缝,即使由于某种原因使结构中断裂一根网丝,也不会影响结构的整体性。特别在受地基土沉陷或墙后土有小的变形影响时,结构能进行自身适应性的微调,不会因不均匀沉陷而产生沉陷缝等,整体结构不会遭到破坏。
　　3）生态袋护坡护岸
　　生态袋具有目标性透水不透土的过滤功能，生态袋既能防止填充物（土壤和营养成分混合物）流失，又能实现水分在土壤中的正常交流，生态袋让植物生长所需的水分得到了有效的保持和及时的补充，对植物非常友善，使植物穿过袋体自由生长。根系进入工程基础土壤中，如无数根锚杆完成了袋体与主体间的再次稳固作用，时间越长，越加牢固，更进一步实现了建造稳定性永久边坡的目的，大大降低了维护费用。生态袋在充分考虑材料力学、水利学、生物学、植物学等诸多学科要求的前提下，对抗紫外生态袋的厚度、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进行了严格的筛选，具有抗紫外，抗老化、无毒，不助燃，裂口不延伸的特点，并永不降解，百分之百回收，真正实现了零污染。
　　4）三维土工网垫
　　三维土工网是一种类似于丝瓜瓤状的植草土工网,孔隙率>90%,质地疏松、柔韧,在其孔隙中可填土壤、砂粒、细石和草种。铺设有三维土工网垫的岸坡在草皮没有长成之前,可以保护土地表面免受风雨的侵蚀,在播种初期还起到稳固草籽的作用。植草穿过网垫生长后,其根系深入土中,使植物、网垫、根系与土合为一体,形成牢固密贴于坡面的表皮,可有效地防止坡土被暴雨径流或水流冲刷破坏。实验表明,它能够抵御6m/s的短期流速,对历时2d的水流,也能经受4m/s的流速,并能使流速显著降低。由于采用了高分子材料PP和PE的降解型网垫,其化学性质稳定,二年后在土中可不留痕迹,对环境无污染,起到了复合护坡的作用。
　　由于表面有波浪起伏的网包，对覆盖于网上的客土、草种有良好的固定作用，可减少雨水的冲蚀。对回填客土起着加筋作用，随着植草根系的生长发达，三维植被网、客土及植草根系相互缠绕，形成网络覆盖层，增加边坡表层的抗冲蚀能力，具有固土性能优良、消能作用明显、网络加筋突出、保湿功能良好的特点。广泛应用于国内公路边坡支护，该护坡也可用于水流速不大的水下护坡。
　　5）浆砌石或混凝土等刚性护坡
　　其抗冲刷能力强，可满足江河的防洪、引水、排涝、蓄水和航运等功能，但容易造成河道的环境条件模式化，并使生物种类单一化，缺乏大自然青绿原味感。
　　在河道整治工程中,传统的河道护岸或护坡一般采用浆砌石或混凝土,三面光，不透水,已不能适应自然生态治河的理念；而石笼抗冲刷力强、透水性强，又是生物易于栖息的多孔隙构造，所以常被用于多自然型生态型河流建设中。本次细陂河整治是以生态为主，兼顾水安全（水流冲刷）的原则，充分考虑地质、地形、气候和水文条件等自然因素，及合适的坡面加固技术，促进植物工程物种存活的生物和物理因素,以建立稳定的坡面植物群落，认为选择现浇无砂砼植草、生态型格宾石笼挡墙及生态袋护坡护岸方案最为合适。
　　三、小结
　　生态河流的构建是融合水利工程学、材料科学、环境科学、生态学、人文科学、自然科学等多种学科为一体的综合性科学。它以保护和恢复河流的生态功能，维持河流自然生态系统可持续发展为目标，其设计、建设理念与原来的河流整治有着本质的区别。生态河流的建设，更着重于新型生态工艺和生态材料的使用，在满足防洪、排涝的水利工程基础上，建设出生态、自然与人和谐的水环境。
　　生态河流技术在工程中主要通过生态工艺、材料的运用，使之得到于体现，生态工艺和材料的了解、使用和普及对生态河流的建设起着积极的推动作用，同时对生态工艺和材料功能和探索提出更高要求。
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