生态护坡技术试验与研究
关键词：太浦河泵站 环境水利 生态护坡 试验研究
1 概述
太浦河泵站位于江苏省吴江市太浦闸南侧，西距东太湖约2km，其修建目的主要是在枯水年份4~10月太湖水位较低时，通过太浦河泵站抽引太湖水，经由太浦河补充黄浦江上游水量，满足上海市的供水要求，改善水质。工程规模为I等大（1）型，设计流量300m3/s。
太浦河泵站的进、出水渠为新开河道，由西向东布置于太浦河的南侧，其直线段与太浦河中心线平行，两者中心线相距200m。进、出水渠全长890.13m，为梯形明渠，渠道边坡1∶3，渠底高程分别为-2.50和-1.80m，渠顶高程分别为7.00和6.00m。进水渠堤在高程3.5m处设置宽5m的马道。出水渠马道宽3m，高程为3.20m。
为了体现环境水利的理念，美化泵站环境，由太浦河泵站建设指挥部牵头，水利部上海勘测设计研究院（下简称上海院）与日本冲谷实业（深圳）有限公司就有关生态护坡的方案进行了讨论和研究，并于2001年10月在工地现场进行了现场试验。
2 生态护坡应用现状
2.1 生态护坡的趋势
从20世纪80年代后期开始，地球环境及保护问题在各个方面为人们所重视，同时对关系到环境变化的生物多样性下降问题也开始引起人们的担心。尤其是人口密集的城市，人们越来越关注与己休戚相关的环境问题，因此，人们开始建造公园、公共绿地等来改善环境，同时在充分发挥公园、公共绿地原有功能的基础上，也开始把它们作为保护生物多样性及直接与生物相连的场地，而这些场地作为地球生态系的重要构成因素所发挥的作用也开始越来越受到人们的重视。
多自然型河流建设方法是目前国际上比较流行的一种河道环境综和整治的新方法，它把水边作为多种生物生息空间的核心，并把河流建设成尽量接近于自然的状态。在建设多自然型河流中，重点是努力创造出具有丰富自然的并具有魅力水边环境。在河道整治的各种方法中，应从生态学的观点出发，应优先采用生物材料法，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，即采用木材、石料和混凝土。
日本是生态设计用于水利工程较好的国家，其对河道生态设计的原则主要有以下五个方面：
（1） 治水：主要通过修建护岸来实现；
（2） 自然环境、生态系统的设置：主要通过水边绿化、设置生物的生长区域和水质保护等实现；
（3） 水边景观的设计：通过设置建筑物来保证与周围环境的和谐以及保证水边景观的连续性、自然性；
（4） 亲水空间的设计：通过水边的台阶、缆绳、绿地等设施来实现；
（5） 循环型空间的设计，：用木材、石头、砂子等天然材料的多孔性构造，控制废料的产生，尽量避免未来发生的处理问题及二次性环境污染问题。
2.2 国内河道护坡现状
传统的河道护坡结构往往只片面强调河道的防洪、引水、排涝、蓄水和航运等功能，较少地考虑河道的生态或环境功能，因此河道的护坡结构多数采用浆砌块石或混凝土等刚性硬质材料，甚至有的地方追求所谓的“高标准”河道，对河道采用全断面刚性材料衬砌，使河道的环境条件模式化，并使生物种类单一化，由此带来的环境问题是很严重的。
随着国家综合国力的增强和人民生活水平的提高，我国也开始越来越重视环境保护问题。我国国民和社会发展第十个五年计划中提出，必须重视生态建设和环境保护，加强自然保护区和生态示范区建设，保护陆地和海洋生物的多样性。人们在越来越注重城市环境和保护生物多样性的同时，也开始注重水利工程的环境问题，在有些堤防和护岸的结构设计中开始注入环境水利的设计理念，如有些堤防护坡采用草皮，依靠草皮良好的根系而使护坡具有一定的固土和抗冲能力，另外在水土保持工程、防止坡地雨水冲蚀等方面也有一些应用。但总体来说，生态护坡在水利工程中的应用尚处于试验和研究阶段。
3 生态护坡方案的可行性
生态护坡能依靠植物良好的根系而使护坡具有一定的固土和抗冲能力，同时生态护坡具有造价低、能美化环境的独特效果，在国外已得到了广泛的应用，在国内也有一些应用。
茂渔川工程位于日本北海道惠庭市，是由日本冲谷实业有限公司1990年设计的，该工程的护坡同太浦河泵站进、出水渠（水生植物种植区域），种植的植物为千屈菜、黄昌蒲、千岁梅花藻和豆牟菜。该工程河流的正常流速为0.4m/s～1m/s，洪水时河流的流速达3m/s。工程运行至今已有近12年，固土和抗冲能力效果良好，且美化了环境。由于利用石头、砂子等天然材料的多孔性构造，通过水边绿化、设置生物的生长区域，保护了生物多样性，避免了材料的二次性环境污染问题，同时利用水生植物对水体自净能力，使水质得以改善。
卫运河生态护坡试验段工程位于卫运河祝屯闸下险工段内，长170m，是海河委员会利用土工织物与生物工程措施相结合的护岸工程试验研究段。试验段滩顶高程28.30m，河底高程18.63m，在高程24.00m处设宽1m的马道。马道以上的设计边坡为1:2.5，采用深栽柳护坡，柳树纵横株距均为1.5m，柳间栽爬根草；马道以下的设计边坡为1:2，采用土工织物排体护坡、护基，排体上面用混凝土预制块组成框格压载，在框格内填土、深栽柳，柳树纵横株距均为1.5m，柳间栽爬根草，其生态护坡剖面图见图1。该工程于1987年5月完工，经过两个汛期400m3/s流量的考验，目前框格内的草皮茂盛，且生长茂盛，柳树的成活率95%以上，护坡效果良好。
从以上国内外两个成功的工程实例可以看出，只要太浦河泵站的生态护坡设计和植物选择得当，生态护坡方案在太浦河泵站工程中是可行的。
图1 卫运河生态护坡剖面图
4 生态护坡试验与研究
4.1 设计要点
太浦河泵站进、出水渠道除具有一般河道所具有的、引排水和航运等功能外，它还具备与泵站有关的一些特点：太浦河泵站进出水渠为新开河道，进水渠为1级堤防，护坡应具备固土、抗冲能力，稳定要求较高；进、出水渠的地质条件不太理想，在堤底附近有一层较深厚的、呈流塑状的淤泥质粉质粘土，而堤顶与堤底高差最大达9.5m（进水渠）；泵房的期较长（达18个月），地下水位又较高，给期的进、出水渠的稳定带来威胁（渠道中无水）。根据国内外生态护坡的成功经验，结合泵站进、出水渠的特点，生态护坡的设计原则如下：
（1） 生态护坡应满足渠道功能和堤防的稳定要求，并降低工程造价；
（2） 尽量减少刚性，增强护坡在视觉中“软效果”，美化工程环境；
（3） 进行水文分析，确定水位变幅范围，结合植物调查结果，选择合适的植物；
（4） 应设置多孔性构造，为生物提供一个安全的生长空间；
（5） 尽量采用的材料，避免二次环境污染；
（6） 布置时考虑人们的亲水要求。
4.2栽种植物的选择
在栽种植物以前，应首先进行工程区域的植被调查，然后根据植被调查结果，充分考虑到栽种植物与周边环境的协调、景观、安全性、地域适应性及生态平衡的问题，并按以下条件进行严格的选择：
（1） 适合气候、气象条件的树种；
（2） 土壤要求低；
（3） 原有品种；
（4） 抗病虫害能力强，对周围环境的危害性小；
（5） 寿命或者效果发挥时间长；
（6） 具有能够美化环景的效果；
（7） 容易维护管理；
（8） 具有市场性。
在现场选择完全满足上述条件的植物是困难的，但可选择适合于河畔生长的和具有适合工程实际和生长能力的植物。在充分调查太浦河两岸及苏州地区现有植被的基础上，经过认真论证，在水位变化区采用水生植物护坡，水生植物初选太浦河两岸常见的千屈菜、香蒲和黄昌蒲，马道以上喷植草坪护坡。
4.3生态护坡设计
根据渠道水位的变化范围，在渠道的不同坡段选用合适的植物，是生态护坡设计的一项重要内容。太浦河泵站工程的主要功能是在枯水年份向上海供水，其进出水渠生态护坡的设置高程应以不影响进出水渠的过水能力为前提，同时尽量确保硬性护坡的淹没时间最长，以提高工程的环境效益。
太浦河泵站进水池的设计运行水位为1.90m，此时进水渠入口水位为2.10m，考虑以高程1.90m作为分界，即进水渠高程-2.50 m（渠底）至1.90m仍维持原浆砌块石护坡，高程1.90m以上至堤顶采用生态护坡。其中，高程1.90m至马道高程（包括马道）部分采用干砌块石加水生植物护坡，马道以上部分采用草皮护坡；泵站出水渠的最低运行水位为2.66m，设计水位为3.29m，最高运行水位为3.34m，根据有关介绍，国内3级堤防的临水侧均可采用草皮护坡，为确保边坡的抗冲稳定，考虑进、出水渠生态护坡景观的连续性，以高程2.60m作为分界，出水渠高程-1.80 m（渠底）至2.60m仍采用原浆砌块石护坡，高程2.60m（包括马道）以上至堤顶采用生态护坡。其中，高程2.60m至马道高程（包括马道）部分采用干砌块石加水生植物护坡，马道以上部分采用草皮护坡。
生态护坡除满足泵站正常运行期的稳定要求和固土抗冲要求外，还应满足进、出水渠期的稳定要求，尤其是护坡的期渗透稳定。由于目前国内对生态护坡在工程中的应用尚处于试验与研究阶段，因此在生态护坡的设计中，了前述的日本茂渔川工程的护坡：在水生植物的种植区域护坡采用干砌块石加水生植物，具体做法是面层采用厚35cm的干砌块石，干砌块石下铺厚10cm的碎石垫层，在碎石与土坡的交接处铺设麻布一层，以形成反滤，确保期护坡的渗透稳定，；在面层干砌块石之间的缝隙内用土回灌后再种植水生植物（见图3）。草坪喷植的方法与国内常见的三维网垫法不同，它利用一种专用机械用一定的压力将草籽、粘结剂、养料和水的混合物喷洒在的护坡土表面，这种方法与三维网垫法相比，草坪更容易生长，且具有快、固土效果好、造价低等优点。
4.4 生态护坡的稳定
进、出水渠护坡必须满足稳定的要求。稳定一般包括边坡的圆弧抗滑稳定、渗透稳定和抗冲刷稳定。
进、出水渠道的底宽是根据泵站设计流量的条件下，经技术比较并结合了模型试验的结果综合确定的，同时渠道应满足不冲、不淤流速的要求；进、出水渠马道的宽度和高程的设置以及边坡坡比，是根据堤防的抗滑稳定结合条件综合确定的。对泵站的进、出水渠护坡，原护坡采用浆砌块石，现部分改用生态护坡，经对边坡抗滑稳定分析，即在不改变原护坡的坡比和尺寸的前提下，生态护坡的边坡抗滑稳定仍能满足规范要求。
护坡的抗冲刷稳定也是护坡设计的一项重要内容。根据英国建筑研究与情报协会原型试验结果以及英国奈特龙公司的资料（图2），一般草皮的的抗冲刷的极限流速大于1m/s，而太浦河泵站的进、出水渠在设计水位情况下，最大流量300m3/s时渠道流速分别为0.82m/s、0.69m/s，均小于1m/s。又如前述的日本的茂渔川工程的实例，其护坡和选用的植物与太浦河泵站进、出水渠相似，洪水时河流的流速虽然高达3m/s，但生态护坡的固土抗冲效果良好。综上所述太浦河泵站生态护坡的抗冲刷稳定是能保证的。
4.5现场试验
为进一步验证生态护坡方案的可行性以及所选植物对太浦河泵站现场的适应性，在泵站工地进行了现场试验。试验段选择泵站下游亭子港堵坝临太浦河侧，边坡的坡比以及护坡的设计完全模拟出水渠，也就是说在水位变化区域采用干砌块石加水生植物，植物选用千屈菜和香蒲，水位变化区域以上采用草坪喷植（见图3），试验的面积为120m2。2001年10月14日进行水生植物种植和草皮喷植，10月16日、19日、24日和31日进行了四次人工洒水养护，10月31日拆除部分围堰以引入太浦河水，保持围堰内外水位的动态平衡。10月下旬，草坪喷植部分草籽开始发芽，11月上旬，水生植物部分长出新芽。随着气温的下降，从11月底起，水生植物逐渐枯萎，但草坪部分仍保持绿色。随着春天的来临，水生植物日渐发芽，成活率在95%以上。至2002年5月底6月初水生植物和草坪均基本长成，红花绿草，护坡工程很好地融入了周边的环境，试验段生态护坡的景观效应已初见成效。
从现场试验的情况看，水生植物选用千屈菜和香蒲（或黄昌蒲，两者习性相仿）以及喷植的草坪是能适应现场实际条件的，均能成活，生态护坡的是合适的，能满足护坡的稳定要求。由于千屈菜和香蒲/黄昌蒲是属于不耐寒的草本植物，因此在冬季基本枯萎，对工程的美观性有所降低，但天气转暖后，植物又会发芽。冬季水生植物虽然枯萎，但其良好的根系仍然起到固土和具有抗冲能力。
图3 太浦河泵站生态护坡试验段护坡剖面图
4.6 技术经济比较
对生态护坡部分进行生态护坡方案和浆砌块石护坡方案的投资比较，经投资估算，本工程进出水渠边坡采用生态护坡方案的工程投资约213万元，采用浆砌块石护坡方案投资约353万元，生态护坡方案可节约投资约140万元。
综上所述，生态护坡具有以下优点：
（1） 克服了原浆砌块石护坡的呆板和生硬，使工程与自然统一；
（2） 利用不同季节的植物的形状和颜色，可大大改善工程环境；
（3） 避免采用非自然的材料，避免了二次环境污染；
（4） 生态护坡满足了人们的亲水要求；
（5） 因设置了多孔性构造，对生物的生长和水质起到了保护作用；
（6） 工程造价相对较低。
从工程维护角度分析，浆砌块石护坡具有一次性投资、维护少等优点，但生态护坡一般在栽种后的一年内要进行一定补栽（一般为10%左右），在植物成活前要进行一定的养护，而后，植物主要是依靠自然的力量进行自然更新，通常情况下无需维护，所以维护工作量也不大。因此，尤其是人们越来越重视生态环境的今天，生态护坡在工程中具有广阔的应用前景。
5 结语
太浦河泵站工程在护坡优化设计方面作了积极的尝试，引进了国外较为流行的生态护坡技术，有效地改善了泵站的环境效应。其以人为本、环境的设计理念和生态护坡的设计原则以及试验研究成果，可以作为今后类似工程的设计提供借鉴。
[1] 太浦河泵站初步设计修改报告·2000年6月（部上海勘测设计研究院）
[2] 太浦河泵站工程进出水渠护坡优化设计报告·2002年1月（部上海勘测设计研究院 上海市工程设计研究院）
[3] 太浦河护岸咨询设计报告书·2001年6月（冲谷实业（深圳）有限公司）
[4] 包承纲·堤防工程土工合成材料应用技术·水电出版社
[5] 卫明·城市水环境建设中若干问题的探讨·上海水务·2001；4
[6] 卫明·恢复城市水环境的自然生态