唐定丹，董光輝,付旭輝,鄧敬宏,郭 毅,汪云悠

(1.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074;2.長江南京航道工程局，江蘇 南京 210011; 3.重慶市求精中學(xué)校，重慶 400015)

水庫消落帶周期性被淹沒以及出露水面，是水生生態(tài)系統(tǒng)和陸生生態(tài)系統(tǒng)交替控制的過渡地帶,是一類特殊的濕地生態(tài)系統(tǒng)[1-2]。消落帶的出現(xiàn)容易發(fā)生水環(huán)境污染嚴(yán)重、水土流失、泥沙淤積、土壤環(huán)境問題嚴(yán)峻、環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害加劇、物種多樣性減少、生態(tài)系統(tǒng)退化、流行病疫情的誘發(fā)及庫區(qū)生態(tài)景觀破壞等生態(tài)問題[3]。消落帶的生態(tài)環(huán)境問題不僅影響水庫的安全運(yùn)行，而且還直接影響周邊區(qū)縣的經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，以及人民的身體健康[4-5]。

水庫水位的變化對其迎水面形成干濕交替段構(gòu)成嚴(yán)重的水土流失和植物難以生存特殊區(qū)域帶，已導(dǎo)致生物多樣性漸漸減少與退化。所以水庫周邊在長期淹沒或持續(xù)水流沖刷條件下，僅依靠植物很難長期穩(wěn)定的保護(hù)土壤和繁衍生物。因此，需要借助一定的工程措施來保護(hù)水庫周邊岸坡坡面土壤。常見的工程措施是采用混凝土、水泥、石料等，在型式上主要有干砌石護(hù)坡、漿砌石護(hù)坡、石籠網(wǎng)護(hù)坡、混凝土板護(hù)坡等多種類型。這些純工程措施解決了庫岸侵蝕問題，但往往成本較高、施工復(fù)雜[6]；此外這些措施不僅消弱了自然生態(tài)環(huán)境，居民的生活環(huán)境也得不到明顯的改善，從而損失部分岸坡景觀功能。所以在護(hù)岸建設(shè)的同時(shí)，還要恢復(fù)和改善岸坡應(yīng)有的自然功能，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，盡量減少工程帶來的負(fù)面作用[7]。因此，本文將介紹一種生物—工程復(fù)合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水土保護(hù)和植物恢復(fù)的固土護(hù)坡，為解決水庫消落帶生態(tài)環(huán)境問題提供一種有效新技術(shù)。

本文介紹的是一種復(fù)合錨墊生態(tài)護(hù)坡技術(shù),采用固土材料+植物生長基質(zhì)+植物保護(hù)材料+錨固來實(shí)現(xiàn)多重固土護(hù)坡,可以解決土壤流失、岸坡穩(wěn)定、生態(tài)破壞等問題,對生態(tài)環(huán)境修復(fù)和改善及水土保持工作具有可行性，具有明顯的生態(tài)技術(shù)效益。

1 復(fù)合錨墊生態(tài)修復(fù)技術(shù)原理與工程施工

1.1 技術(shù)原理

消落帶生態(tài)退化的主因是岸坡侵蝕。岸坡侵蝕會引發(fā)水土流失、水庫和河道等底部淤積、岸坡坍塌和生態(tài)系統(tǒng)破壞等一系列問題。復(fù)合錨墊生態(tài)修復(fù)技術(shù)通過土壤固化墊對岸坡提供長效坡面防護(hù)，減少岸坡土壤侵蝕；復(fù)合錨墊中的植物海綿，給植被提供生長基質(zhì)；植物保護(hù)墊能在植被生長過程中提供防護(hù)，增加植被抗沖蝕能力，加快植被恢復(fù)。植被茂密的根系穿過土壤固化墊分布在土壤表層,通過根系和復(fù)合錨墊材料共同錨固作用來實(shí)現(xiàn)坡面的固土性及穩(wěn)定性,從而對消落帶邊坡表層進(jìn)行防護(hù)、加固,使之既能滿足對邊坡表層穩(wěn)定的要求，又能恢復(fù)遭受破壞的自然生態(tài)環(huán)境。復(fù)合錨墊護(hù)坡技術(shù)透水性能促進(jìn)岸坡與水體的物質(zhì)交互，為水生動植物提供優(yōu)良生存環(huán)境，實(shí)現(xiàn)全面生態(tài)保護(hù)和修復(fù)。

1.2 復(fù)合錨墊生態(tài)護(hù)坡構(gòu)件

生態(tài)護(hù)坡構(gòu)件由土壤固化墊、植物海綿、植物保護(hù)墊和箭頭錨等4個(gè)部分組成。

土壤固化墊是復(fù)合土工膜，復(fù)合土工膜兩面的土工織物厚度為1.5～3.0 mm，有沿著平面方向排水的能力。當(dāng)水庫水位降落，復(fù)合土工膜上游面的土工織物可以排水降低坡面護(hù)坡下反濾墊層(也是復(fù)合土工膜的保護(hù)層)內(nèi)的瞬時(shí)浸潤線。復(fù)合土工膜下游面的土工織物可以排出滲流水，具有長期透水不淤堵的性能，有效降低沖刷，保證泥沙穩(wěn)定。

植物海綿是一種新型栽培基質(zhì)，是由高分子發(fā)泡材料與一定比例的有機(jī)質(zhì)或無機(jī)質(zhì)混合發(fā)泡而成(見圖1)，具有不滋生蚊蟲，清潔衛(wèi)生，無毒無異味，不污染水體的性能。其疏松透氣，排水性能良好，又可維持植物生長所需的水氣比；同時(shí)保水保肥性能好，可減少灌溉和施肥的次數(shù)，降低養(yǎng)護(hù)難度；質(zhì)量輕便，外形美觀且可塑性強(qiáng)，使用操作簡單易行。植物海綿位于土壤固化墊和植物保護(hù)墊之間，無需土壤基質(zhì)即可供植物生長，并且植物根系可以穿透其間，長成后的草皮可以由植物根系連接土壤固化墊與泥土形成一層堅(jiān)固的綠色復(fù)合保護(hù)層，比一般草皮具有更高的抗沖能力。植物海綿的可塑性很強(qiáng)，可適用于不同坡比的邊坡甚至巖質(zhì)邊坡，適用范圍廣。

圖1 植物海綿

植物保護(hù)墊采用具有獨(dú)特截面形狀的纖維。它通過經(jīng)線和緯線的垂直編織形成的三維立體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單個(gè)的網(wǎng)孔由一系列的開放矩陣組成，呈倒四棱錐形(見圖2)。相鄰結(jié)構(gòu)單元通過對應(yīng)的底邊相互銜接，各單元結(jié)構(gòu)的棱錐定點(diǎn)為岸坡表面相貼靠的支撐部。各結(jié)構(gòu)單位的底邊為相對遠(yuǎn)離岸坡表面的緩沖部。該保護(hù)墊在植被恢復(fù)前保護(hù)植物根莖，增強(qiáng)水庫和岸坡的抗沖刷能力和減少植物的抗沖蝕疲勞。

圖2 植物保護(hù)墊

箭頭錨(見圖3)，錨頭打入土體后拉動錨固桿，使得土體擠入到錨固構(gòu)件和錨固桿之間的位置，強(qiáng)制錨固構(gòu)件轉(zhuǎn)動為后端向外的打開狀態(tài)，直到錨固構(gòu)件向外打開角度受到限位結(jié)構(gòu)限位，使用固定板快速錨固鎖定。箭頭錨不僅固定了面層的土壤固化墊、植物海綿和植物保護(hù)墊，而且增加這一區(qū)域坡面的淺層穩(wěn)定性。

①—錨桿；②—可轉(zhuǎn)動錨固構(gòu)件；③—破土尖端；④—限位結(jié)構(gòu)；⑤—擠入端(利于錨固構(gòu)件張開)；⑥—帶有螺紋的固定板圖3 箭頭錨結(jié)構(gòu)圖

1.3 工程施工

根據(jù)設(shè)計(jì)坡比進(jìn)行邊坡基礎(chǔ)處理,先清理場地,清除浮石、松動的巖石及雜物等,盡可能使邊坡表面平整,有利于護(hù)坡構(gòu)件與坡面的有效結(jié)合。在坡頂、坡腳開挖錨固溝，在錨固溝的頂部預(yù)留一定長度的土壤固化墊。土壤固化墊由坡頂錨固溝處向坡底錨固溝處鋪設(shè)。將適宜當(dāng)?shù)厣L的植物種子均勻撒在植物海綿上，將植物保護(hù)墊、植物海綿與反濾墊在錨固溝內(nèi)進(jìn)行錨固，先將植物海綿順延坡面從上到下進(jìn)行鋪設(shè)，然后鋪設(shè)植物保護(hù)墊，最后用箭頭錨配合螺旋釘對坡面進(jìn)行整體錨固(見圖4)。

圖4 施工完成圖

2 復(fù)合錨墊生態(tài)護(hù)坡技術(shù)效益分析

2.1 抗侵蝕效果好

由于土體中的水會從細(xì)顆粒土流向粗顆粒土，在水流的作用下土粒就會被帶出土體，造成管涌和流土破壞。土壤固化墊能保護(hù)泥沙使其穩(wěn)定，盡可能減少水流、波浪對坡面的直接沖刷。植物海綿為植物的生長提供生長基質(zhì)，植物保護(hù)墊的開放三維立體矩陣，對植物幼苗提供保護(hù)，促進(jìn)植被生長覆綠。草皮的根系互相纏繞形成具有一定抗拉強(qiáng)度的根系網(wǎng)，將根系土壤固結(jié)為一個(gè)整體，對岸坡的保護(hù)作用越大,水土流失相對越少。

2.2 穩(wěn)定性高

復(fù)合錨墊中的土壤固化墊采用的是復(fù)合土工膜。復(fù)合土工膜有沿著平面方向的排水的能力。當(dāng)庫水位降落，復(fù)合土工膜上游面的土工織物可以排水降低岸坡表面護(hù)坡的保護(hù)層內(nèi)的瞬時(shí)浸潤線，下游面的土工織物可以排出滲流水或岸坡滲入的雨水，起到固土疏水的作用，增強(qiáng)岸坡的穩(wěn)定性。在植物保護(hù)墊的保護(hù)下，植被快速增長，其根系可以穿透土壤固化墊，纏繞、固結(jié)坡面，根系把淺層土壤錨固到深處較穩(wěn)定的土層中去，也增加了土體的穩(wěn)定性；在植物根系與土壤固化墊的雙重保護(hù)作用下，能減弱波浪對岸坡的沖刷力,增加岸坡土體的抗沖刷能力,不易產(chǎn)生塌岸。調(diào)查資料顯示,植被發(fā)育好的岸坡,其穩(wěn)定性相對較好,塌岸越少。整個(gè)復(fù)合錨墊生態(tài)修復(fù)技術(shù)對岸坡的穩(wěn)定性都起到積極的作用。

2.3 生態(tài)功能強(qiáng)

與傳統(tǒng)邊坡防護(hù)技術(shù)相比，復(fù)合錨墊生態(tài)護(hù)坡技術(shù)還考慮了對消落帶生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，盡可能為護(hù)坡面上植物的生長提供良好的條件。水庫周期性蓄水導(dǎo)致大部分植物無法生存，其根留在土體內(nèi)、草籽留在土體表面，但在水流的反復(fù)沖刷下根和草籽會被水流帶走，造成植被恢復(fù)較差。復(fù)合錨墊生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)能保護(hù)大部分的植物根系和草籽免被水流沖走，天然情況下植被就能部分恢復(fù)。恢復(fù)后的消落帶水生植物不僅能吸收水體的氨態(tài)氮和硝態(tài)氮等營養(yǎng)物質(zhì)，還能降解水庫的污染物等，有效治理水庫富營養(yǎng)化[8]。

植物海綿可以作為植物的生長基質(zhì)，植物保護(hù)墊的三維立體結(jié)構(gòu)，有利于泥沙的沉積附著，也能為植物生長提供土壤基質(zhì)。植被恢復(fù)初期，植物幼苗的根系還不夠發(fā)達(dá)，在水流的作用下很容易被水流破壞，導(dǎo)致大片的植物幼苗被水流帶走。而植物保護(hù)墊卻能對植物幼苗提供保護(hù)，促進(jìn)植被生長覆綠。土壤固化墊一方面透水不淤堵，使整個(gè)系統(tǒng)具有良好的通透性，從而保證了原坡面土壤與外界正常的物質(zhì)能量交換，維護(hù)了原土壤的生態(tài)環(huán)境和保證正常生態(tài)功能的發(fā)揮，另一方面，其土壤固化墊可以調(diào)節(jié)原坡面土壤水分，當(dāng)旱季來臨時(shí)，預(yù)存儲備部分水，可以有效防止原土壤水分的蒸發(fā)散失，更好的為植物的生長提供水分。整個(gè)復(fù)合錨墊生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)采用無害的環(huán)境友好型材料，對水庫水質(zhì)及消落帶的周邊自然生態(tài)環(huán)境很少產(chǎn)生二次污染。

2.4 施工快速、便捷

復(fù)合錨墊護(hù)坡構(gòu)件采用柔性材料，克服了傳統(tǒng)邊坡防護(hù)技術(shù)的體積過大、重量過重的缺點(diǎn)，有利于材料的運(yùn)輸與工程施工。另外，為加快施工進(jìn)度，可以在施工前計(jì)算坡面所需的材料，預(yù)留出每幅之間需要搭接的寬度后，在整個(gè)工作區(qū)內(nèi)分區(qū)同時(shí)進(jìn)行施工。

2.5 適用性強(qiáng)

復(fù)合鋪墊生態(tài)護(hù)坡技術(shù)是柔性材料護(hù)坡結(jié)構(gòu)，平鋪構(gòu)件可根據(jù)不同的地質(zhì)地貌條件柔性伸展，可根據(jù)不同坡度，確定不同的錨固深度和錨固密度，加上后期植被的纏繞加固，適用于大部分地質(zhì)條件。對于高坡度的裸露巖質(zhì)邊坡，由于雨水的反復(fù)沖刷下無植物生長導(dǎo)致景觀效果極差。則可采用兩層植物海綿能使植物種子在豎直的狀態(tài)下不掉落，使植物在巖質(zhì)邊坡也能舒適均勻生長，幫助其恢復(fù)生境。復(fù)合錨墊技術(shù)在箭頭錨的錨固作用下能經(jīng)受水的長期淹沒，能在持續(xù)流態(tài)條件下穩(wěn)定的發(fā)揮作用。

3 結(jié) 語

復(fù)合錨墊生態(tài)修復(fù)技術(shù)，采用的是土壤固化墊+植物海綿+植物保護(hù)墊+箭頭錨組合的結(jié)構(gòu)。土壤固化墊是復(fù)合土工膜，植物海綿是一種新型栽培基質(zhì)，植物保護(hù)墊是一種柔韌性較好并且質(zhì)地疏松的環(huán)保型材料，土壤固化墊與草皮增強(qiáng)墊之間的新型栽培基質(zhì)植物海綿為植物的生長提供生存條件，植物能舒適均勻的生長，植物根系可以穿過土壤固化墊連接泥土并形成一層堅(jiān)固的綠色復(fù)合保護(hù)層，增加土壤強(qiáng)度，比一般草皮具有更高的抗沖能力。由于材料的柔韌性較好，能適用于諸多地形地貌，結(jié)合選取當(dāng)?shù)剡m宜生長的植物，可在不破壞生態(tài)群落的條件下恢復(fù)植被。就此復(fù)合錨墊技術(shù)對水庫消落帶的修復(fù)和保護(hù)的應(yīng)用可以到推廣到其他水體周邊護(hù)坡，構(gòu)建和營造良好水利生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境。