淮河堤岸生态加固与修复技术初步研究（周成 蔡正银 陈晓红）

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摘 要 水土流失、水资源短缺和水污染等生态问题已经成为水利良性发展的重要制约因素。要想做好淮河流域水土保持以及水环境改良等生态环境建设工作，保护或修复淮河水生态系统，维护其健康生命，就必须想办法解决水土流失、侵蚀、崩岸、风化以及裂隙等岸坡防护技术难题，协调好‘工程水利’与‘生态水利/资源水利’这一对矛盾。本文简要介绍了从传统水利工程学向生态水利工程学研究战略转变的一项生态堤岸建设与修复的新技术，即综合利用根长约2米至5米的香根草根系联合高分子水溶性固化剂生态加固堤岸的复合型生态加固理论和环境修复技术。国内外尚未开展此类复合型生态加固理论的研究。研究成果对于淮河堤岸建设的环境保护与生态改良、污染与灾害防治方面均有着广阔的科学研究及工程应用前景。 关键词 淮河 堤岸 生态加固与修复 香根草 高分子水溶性固化剂 1 前 言 众所周知，我国目前主要面临两大水利生态环境难题：一是水土流失，水土流失面积约占国土面积的1/3左右；另一个则是水资源短缺和水环境恶化，水资源短缺和水环境恶化已经成为我国经济社会可持续发展的主要制约因素。黄河流经的黄土高原是世界上水土流失最为严重的地区，平均每年向黄河输入泥沙16亿吨，造成黄河下游泥沙淤积、河床抬高、水资源紧缺；长江上游金沙江、嘉陵江及三峡区间、中游支流等地区水土流失也非常严重，常常会发生滑坡和泥石流。另外，我国降水时空分布不均，北方缺水地区由于气候变化和大规模的水资源开发利用，已经给当地的水环境保护与流域生态建设造成了很大的困难。根据最新的全国水资源调查评价结果，我国北方地区水资源短缺的形势愈为严峻，地表水和地下水污染严重，部分流域和地区水资源开发利用程度已接近或超过水资源和水环境承载能力。水土流失、水资源短缺和水污染等生态问题已经成为水利良性发展的重要制约因素。可以说生态环境建设的中心环节是搞好水土保持以及水环境的改良，实现这一目标需要全新的理论支撑[1]。 传统水利工程学研究的是如何开发利用水资源以及如何完成对河流改造和水流控制。至今，全世界的水利水电工程建设中有大约60％的河流经过了人工改造，包括筑坝、河道渠道化、裁弯取直等。一些水利水电工程在发挥显著经济、社会效益的同时，也对生态与环境产生了一些不同程度的负面影响。可以想象得到数百年河流的人工变化超过了数万年的自然演进导致的后果，它不仅改变了河流的地貌学特征，还会导致严重的生态问题[2]。随着全社会对生态与环境问题的广泛关注，水利工程建设面临着生态制约和环境挑战。保护或修复水生态系统，维护河流健康生命，是水利工作必须占据的制高点。如何解决我国主要河湖水体污染防治、西部自然生态脆弱区水资源开发利用与生态环境建设、以及水利水电工程建设的生态环境效应等重大难点、热点问题，已经成为我国水利人迫在眉睫的科研工作的核心问题。 西方国家很早以前就注意到要搞好水土保持以及水环境改良等生态环境建设问题[3]，比如说美国的河流生态保护工作，该工作从20世纪50年代开始主要以水质恢复为重点,到80年代初期转入建设小型河流的生态恢复工程,到80年代末期进入以单一物种恢复为标志的大型河流恢复行动,90年代开始规划流域尺度的河流生态整体恢复工程。鉴于历史上和国内外的经验教训，目前人们已经认识到，我国河流保护工作应当把河流保护工作的重点从单纯改善水质到恢复河流生态系统，治河不应孤立地处理河道里的水体，而要综合恢复整个河流的生态系统，促进其健康和具有可持续性的生命活力。要承认水利工程对河流生态系统造成了胁迫。对于已建工程加强生态监测和调研，严重退化的生态系统采取“自然化”的恢复措施。对于新建工程的规划设计重视与生态系统的协调，避免再走弯路。 因此我国近几年水利工作的重点，如治淮等大江大河治理、南水北调工程、病险水库除险加固、人畜饮水工程、大型灌区节水改造等水利工程建设，不应再循着传统水利工程学的研究思路只是去研究如何开发利用水资源以及如何完成对河流改造和水流控制，还应兼顾生态系统健康、生物栖息地建设，需要增加生态学的研究主题。我国近几年长江防洪建设工作方针已经修订为“蓄泄兼筹、以泄为主”，目标是形成以堤防为基础，三峡工程为骨干，干支流水库、蓄滞洪区、河道整治相配套，平垸行洪、退田还湖、水土保持相结合，以及其它非工程防洪措施并重的综合防洪体系。要想实现这一目标，就一定要借鉴当年西方国家的建设经验，比如注重恢复或改善河流地貌特征和栖息地建设，恢复河岸的蜿蜒性、断面形状多样性以及河流与滩地和洪泛区的侧向联通性等多项生态举措。 其实这也是从传统水利工程学转向生态水利工程学研究的要求。依照传统水利工程学的做法，江、河、湖、海的堤防岸坡为了防止水流和波浪对岸坡土体的冲蚀和淘刷造成侵蚀、塌岸等破坏，往往会采用砌石护坡、堆石护坡、现浇或预制混凝土板护坡等。传统施工工艺，不仅费时费钱，而且有时还会产生工程质量问题，所取得的社会经济效益也不大。另外，众所周知，在大气、水和生物作用下地表面层会发生劣化/风化。干湿、冷热和冻融等引起的物理风化、以及溶解、水化、水解、酸化和氧化等引起的化学风化以至于生物风化，都会引起面层材料的劣化或失效[4]。堤坝及边坡中由于长期经受风力和水力侵蚀、湿胀干缩、热胀冷缩等的作用，往往还会在土体内部引起许多裂隙等。裂隙往往是危及土工建筑物安全的主要灾害之一，如何解决堤坝及边坡中的裂隙问题，多年来也一直是国内外岩土力学专家致力研究的重大课题[5]。这些问题如果还只是采用传统水利工程学的做法例如灌浆去解决，往往还会带来其它方面例如生态环境方面的问题。 要想完成从传统水利工程学向生态水利工程学研究的战略转变，做好水土保持以及水环境改良等生态环境建设工作，保护或修复水生态系统，维护河流健康生命，就必须想办法解决上述诸如水土流失、侵蚀、崩岸、风化以及裂隙等水利水电工程建设中的岸坡防护技术难题，协调好‘工程水利’与‘生态水利/资源水利’这一对矛盾。不少知名科学家指出，学科间的交叉、融合、渗透以及新的边缘学科的产生，将是当今水利科技发展的重要特征。特别是与经济学、社会学、法学、管理学、生态学、环境科学、气象学、农学等交叉、融合，将会极大促进水利学科的发展。我们也意识到要想解决诸如水土流失、水资源短缺和水生态系统环境恶化等重大问题，仅仅就水论水，难有重大突破。因此，就我们岩土工程水利工作者而言，研究出取代传统‘硬质、非生态型’岸坡防护的‘活性、生态型’岸坡防护的复合型理论和技术[6]，一定能够帮助解决水土保持以及水环境改良等生态环境建设难题，从而给予整个河流生态系统健康与可持续性的生命活力。 2 香根草植被生态加固理论与技术 我国地域辽阔，地质、地形条件复杂，无数的岸坡在各种赋存环境中由于受到不同荷载作用和其它如洪水、降雨、冻融、风化等外在扰动的影响会发生破坏。自然过程引起的岸坡破坏主要有两种类型：一种是短期外在的作用引起的破坏，如地震和风浪作用下的砂土液化和水流冲刷下的滑坡、崩坍；另一种就是缓慢发展的风化过程使得岸坡土体经历一个从量变到质变的积累过程，在某一诱因作用下发生突然破坏，典型的如泥石流[4]。岸坡的失稳破坏已经成为全球性的重大地质灾害源之一，是一种常见多发的自然地质灾害，具有群发性、重复性和广泛性等特点[2]。岸坡失稳破坏问题已经成为人类与自然环境间相互作用、相互冲突的重要问题。人们的理论研究与工程实践历来重视这一领域。土质岸坡的传统防护、加固措施大多是采用砌筑挡墙或打设抗滑桩等，这些措施除了造价较高的缺点之外，对生态环境也会造成明显的损伤与破坏[9-10]。 “恢复生态环境”已成为21世纪人类文明、经济发展的重要课题，找到一种既可确保岸坡稳定、又能帮助改良生态环境的岸坡有效加固的经济合理的生态防护方法是非常必要的。许多研究表明，植被系统不但有利于涵养水源、水土保持、帮助改良生态环境，而且如遇突发暴雨，也能有效拦截雨水，延长汇流时间，削减洪峰流量，减少洪水对堤坝的冲击力[7-8]。它能够使水利水电工程建设与水土流失、水生态系统环境恶化这一矛盾得以缓解。同时人们也已经意识到，普通的植被系统如草皮或根系浅的植物只适于水土保持以及浅层土体的防护等。为此，寻求一种不仅适合于浅层土体、又适合于一定埋深土体的‘活性、生态型’防护办法，进行复合型生态防护理论与技术的研究，不仅既可确保岸坡稳定、又能帮助改良生态环境，有利于帮助解决我国主要江、河、湖、海的水体污染防治、西部自然生态脆弱区水资源开发利用与生态环境建设、以及水利水电工程建设的生态环境效应等难题，而且对于土力学理论与岩土工程技术的发展有重要的创新意义，理论价值和应用前景非常巨大。 随着我国经济实力的增强和人们环保意识的提高，对生态环境的保护与研究越来越受重视，国家颁布的《水土保持法》对植被环境保护也有明文规定。发达国家比较重视环境绿化，如美国、法国、加拿大、澳大利亚等国家到处绿草如茵，日本、香港的岸坡绿化起步也比较早，在工程建设中他们的主导思想是建设与绿化同步进行[11-14]。人为活动所形成的许多岸坡，若仅凭自然界自身的力量去恢复生态平衡，需要经过数以千百年计的漫长年代。我国内陆大部分地区属于干旱气候，研究开发一种适合我国国情，将工程建设与生态环境保护有机结合起来，在确保岸坡稳定的前提下，通过植被不断改善周围环境，从而达到帮助解决水土保持以及水环境改良等生态环境建设难题的目的，将有着非常重大的现实意义。植物根系一般穿透力强，能向面层以下土体发育，可以减弱雨水、河流及地表径流对岸坡表面的冲蚀，再加上植被覆盖面积大，从而可以防止水土流失[15-16]。因此，近20年来，绿色护坡已经由于它可自修复的‘活性’而得到人们的推崇[17]。 然而，普通的植被系统如草皮或根系浅的植物只适于地表面层水土保持以及浅层土体的防护，而要满足一定埋深土体的稳定性要求，必须寻找到一种根系发达且较长的植物品种，这样才能同时满足浅层土体和一定埋深土体的稳定性的要求（困难之一）。再者，由于经济及技术的原因，岸坡施工中由于施工机械难以充分碾压坡肩位置的土体，因此靠无限增大挤压力和击实能量来提高坡肩等位置土体的干密度从而提高土体的强度是不现实的。岸坡自然风化的土体颗粒往往在雨水、径流和河流的水力冲刷下，以及受重力的作用极易形成冲刷侵蚀，很难留存。为此就需要寻求其它方法来提高坡肩位置土体的强度和稳定性（困难之二）。另外，岸坡稳定对土体的要求与植物的生长环境对土体的要求更是一对矛盾（困难之三）。从植物的生长要求看[18]，希望土体疏松一些较好，便于植物根系生长；土体的颗粒组成应以粉粒为主，粘粒和砂粒含量较低，即土体为亚粘土或亚砂土；土中含有较丰富的腐植质有机肥，以提高其肥力；PH值呈弱酸性至中性；土体本身具有一定的透水性、透气性和渗水、保水能力；在夏天强烈的阳光照耀下，具有一定的保温、调温功能，不至于由于温度过高而危及植物的生存；有足够的水分、空气、活化养分和微生物，有足够的孔隙，能让植物的根系生长发育；而这些要求大部分又与岸坡浅层局部稳定性和深层整体稳定性的需要大相径庭。就岸坡稳定的要求来看，则希望土体愈坚固愈好；土体本身应具有一定的强度，能保持自身的稳定性，在自重和外部各种荷载的作用下，不致产生滑动破坏；土体本身具有一定的抗冲刷能力，在暴雨或地表径流的作用下，不会形成表面冲蚀破坏等。可见，要想同时克服上述三大困难，难度很大。 国内在岸坡防护与绿化方面同时进行的研究还比较少，多限于引进和模仿国外的岸坡防护与绿化方法。国内外也曾有研究者利用植被结合土工合成材料技术加固岸坡以防冲刷和水土流失[19-20]。根据我们的调研结果，国内外目前很少见到能同时解决上述三大问题的生态防护方法，即如何同时生态加固浅层土体和一定埋深土体、如何生态加固岸坡或路堤坡肩等位置的土体以提高其强度和稳定性以及如何用生态的办法解决岸坡稳定对土体的要求与植物的生长环境对土体的要求这一对矛盾，而又不会造成新的环境问题或隐患。因此，我们希望利用一种根系发达且较长的植物品种同时加固浅层土体和一定埋深土体，利用一种生态环境友好型固化材料来胶结岸坡或路堤坡肩等位置的土体以提高其固化强度和稳定性，而同时又能达到岸坡稳定与植物的生长环境对土体要求的和谐统一。这种联合植被护坡与生态护坡的新方法，不仅既可确保岸坡稳定、又能帮助改良生态环境，有利于帮助解决我国水资源开发利用以及水利水电工程建设与生态环境不和谐这一大难题。 香根草[21]是一种依靠根段和截枝无性繁殖的多年生草本植物。它具有强盛的根系网络系统，根系生长速度快且长度较大，它的根系3～4个月可长长达1米，一年可长长达2～3米，多年可长长达5米以上，被称为是“世界上具有最长根系系统的草本植物”；而且它在地面它可长成茂密的绿色覆盖层。在以毫米计算的根茎直径范围，它的抗拉强度可达80MPa。它生长环境的温度范围较宽，气温在-15℃～50℃范围的地区，都能正常生长；它对土壤的适应能力很强，能在非常贫瘠、强酸（PH=3.8～4.0）或强碱（PH=9.0～11.0）的土壤环境中正常生长；它具有抗盐性，能在盐份浓度很高的环境条件下存活生长；它还具有耐旱和抗涝能力，既能在年降雨量仅为200mm～300mm的干旱与半干旱地区存活生长，也能在年降雨量为5000mm～6000mm的温暖湿热地区正常生长。它不会被虫叮牲畜咬，能够吸收污染土体中的N、P、Cl和重金属，具有环境净化功能。它在20世纪80年代后期被引入我国，不仅可以作为香料和驱虫剂原料，还被用来帮助水土保持。因此，我们利用香根草来加固岸坡浅层土体和一定埋深的土体，同时又能达到岸坡稳定与植物的生长环境对土体要求的和谐统一。图1和图2给出了香根草技术开发与工程应用的几个例子。 目前国内外已经开展了一些利用植被防治水土流失[11-14]的研究工作。植被加固岸坡土体的微观机理研究[22-23]略有少许，几乎还没有人开展过岩土工程生态加固与植被防护相结合方面的研究。植被对于岸坡土体的一些力学影响，只是通过有效应力原理进行解释；人们在对植被效应进行理论分析时还未能恰当地考虑其对土体强度与变形特性的影响，这还主要是因为定量化考虑植被效应仍然是一个未能解决的难题[24-26]。目前仅有的流行国内外的大多是经验性的“根系强度模型”[27-29]，即只是简单化地开展一些拉拔实验方面的研究，然后再在设计中经验性地考虑根系一定的力学强度和“根系－土体”界面的粘结摩擦作用。这种考虑一般都是借鉴过去土力学中依照传统土体极限平衡理论进行分析边坡稳定性时常用的2种做法，即直接或间接地把植被效应理解为增加了植被土的粘聚力或者把植被效应理解为增加了植被土的内摩擦角[30]。 然而，根系作为一种可变形活性体，不同部位由于伸长变形程度不同，其自身及周围土体往往会表现出不同的强度和变形特性，自然其力学机理和技术效果不同于传统的锚杆或土钉。倘若再依照传统的土体极限平衡理论进行分析明显不再合适，这是因为稳定分析时采用的刚塑性理论，假定土体破坏时塑性区内的各点的剪应力同时达到抗剪强度，这种情况只有对理想塑性材料和应变硬化材料才有可能。而且，现在大家都已经逐渐认识到土体的变形破坏一般是土体位移渐进发展到一定程度的结果。例如边坡的破坏滑移往往是先形成一个剪切区，然后从此区发展渐进地形成潜在的滑移面。再如，土体在水分蒸发、降雨入渗的干湿循环的过程中历经裂隙产生、发展或闭合、缩小，最后吸力完全丧失的整个过程，往往也会使土体渐进地变形破坏[5]。土体这种渐进变形破坏的特征，正好吻合根系作为一种可变形体的物理特征。如果想定量化分析植被对岸坡生态防护的影响并在设计计算中有理有据而非经验性地加以考虑，就必须建立可靠的“植被根系的分布模型”和“生态加固土体的理论分析模型”[31-33]。前者一般可参照植物学、生态学的研究成果，后者则必须开展岩土工程生态加固与植被防护相结合的复合型理论研究[6]。 为此，作者开展了香根草根系生态加固土体的室内试验研究，包括：香根草根系生态加固土体的室内试验研究：包括香根草根系的单根和群束抗拉、抗拔强度试验，不同香根草根系掺入量的土体的物理、力学特性试验，香根草根系与土体界面摩擦试验，单向压缩试验、直剪试验、三轴压缩/伸长试验；以及无香根草根系加固的试样的对比试验，包括物理、力学特性试验，单向压缩试验、直剪试验、三轴压缩/伸长试验等。通过对香根草根系生态加固土体的单向压缩特性、剪切变形特性、峰值强度、应变较大时强度和残余强度以及整个变形与破坏过程的应力应变关系的研究，总结出了香根草根系生态加固土体渐进破坏的强度与变形特性、渐进变形破坏的机理与模式，建立了香根草根系生态加固土体的复合体结构性模型。 另外，采用离心模型试验技术，监测香根草根系生态加固岸坡离心模型的变形场和应力场/孔压场；采用不同加速度，例如低于设计加速度值的低加速度、超过设计加速度值的高加速度的方法模拟试验岸坡香根草根系生态加固土体自重引发的渐进破坏的强度与变形特性；采用浸水上升水位技术试验研究了岸坡香根草根系生态加固土体渐进破坏的强度与变形特性以及渐进变形破坏过程；通过在模型中设置香根草根系稳定土层，并人为地改变香根草根系生态加固土层厚度的方法，试验研究了香根草根系生态加固土层的厚度对岸坡生态加固效果以及对其渐进变形破坏过程的影响。 利用香根草根系的单根和群束抗拉、抗拔强度试验成果，以及香根草根系与土体界面摩擦试验成果，把香根草根系及其周围加固的土体简化为具有某一“复合强度”与“复合变形模量”的“可变形杆系模型”，建立了根系概化分布的“空间网架模型”。计算分析了某岸坡生态加固土体的渐进变形破坏过程，并与利用复合体结构性模型的有限元分析与离心模型试验的结果进行了对比，从而验证了其可靠性和实用性。 3 高分子水溶性固化剂生态加固理论与技术 由于经济及技术的原因，岸坡施工中由于施工机械难以充分碾压坡肩位置的土体，因此靠无限增大挤压力和击实能量来提高坡肩等位置土体的干密度从而提高土体的强度是不现实的。岸坡自然风化的土体颗粒往往在雨水、径流和河流的水力冲刷下，以及受重力的作用极易形成冲刷侵蚀，很难留存。为此就需要寻求其它方法来提高坡肩位置土体的强度和稳定性。 目前土体固化剂的种类很多，例如水泥等无机固化剂在地基处理等工程中已得到了大量的应用。高分子水溶性固化剂[34-35]是近年来固化剂行列中的新兴产品，它不但具有传统固化剂的固化性能，而且由于其水溶性使它能与环境相容，无污染、环保性能好。例如EN-1型高分子水溶性固化剂是美国近几年新开发的产品，已经被美国国家森林局推荐全国使用，我国曾用该产品加固孝天公路的边坡工程。我国也相应开发出许多高分子水溶性固化剂产品如SH型高分子水溶性固化剂、水玻璃和乳化沥青等，并被用来开展防沙治沙[36-37]的研究工作。其中，大多仅是从生态学、地貌景观学、有机化学和材料学等学科角度去研究。高分子水溶性固化剂在土体加固应用中的研究很少，几乎还没有人开展过岩土工程生态加固与植被防护相结合方面的研究。 高分子水溶性固化剂的固化性能在于化学物质充满了土体孔隙后，能加强土颗粒间的相互作用，有助于其从游离态向结合态转化，从而将土体颗粒粘结成一体，使土体加固成为具有一定结构和强度的固化体。高分子水溶性固化剂除了土体固化作用，还具有保水増肥的作用，可对植物提供独特的生长环境，高分子水溶性固化剂生态加固与植物护坡相结合可大大提高植物的成活率。因此，在我们的生态加固研究中，高分子水溶性固化剂被用来作为香根草植被生态加固的配套措施进行岸坡土体的加固。 为此，作者开展了高分子水溶性固化剂生态加固土体的室内试验研究，包括不同高分子水溶性固化剂掺入量的土体的物理、力学特性试验，单向压缩试验、直剪试验、三轴压缩/伸长试验；以及无高分子水溶性固化剂加固的试样的对比试验，包括物理、力学特性试验，单向压缩试验、直剪试验、三轴压缩/伸长试验等。通过对高分子水溶性固化剂生态加固土体的单向压缩特性、剪切变形特性、峰值强度、应变较大时强度和残余强度以及整个变形与破坏过程的应力应变关系的研究，总结出了高分子水溶性固化剂生态加固土体渐进破坏的强度与变形特性、渐进变形破坏的机理与模式，建立了高分子水溶性固化剂生态加固土体的复合体结构性模型。 另外，采用离心模型试验技术，监测高分子水溶性固化剂生态加固岸坡离心模型的变形场和应力场/孔压场；采用不同加速度，例如低于设计加速度值的低加速度、超过设计加速度值的高加速度的方法模拟试验岸坡高分子水溶性固化剂生态加固土体自重引发的渐进破坏的强度与变形特性；采用浸水上升水位技术试验研究了岸坡高分子水溶性固化剂生态加固土体渐进破坏的强度与变形特性以及渐进变形破坏过程；通过在模型中设置高分子水溶性固化剂稳定土层，并人为地改变高分子水溶性固化剂生态加固土层厚度的方法，试验研究了高分子水溶性固化剂生态加固土层的厚度对岸坡生态加固效果以及对其渐进变形破坏过程的影响。 4 结 语 目前，关于岩土工程生态加固与植被防护复合型理论研究的工作尚未有人深入研究过，还处于初步研究阶段，建立岸坡生态加固土体的强度与变形分析理论的任务非常迫切地摆在我们的面前。以岸坡生态加固理论和技术研究为主要指导思想，进行岸坡生态加固土体的强度与变形分析研究，是近年来环境岩土工程与防灾减灾工程领域的新方向，也是生态防护复合型理论与技术研究迫切需要解决的课题。特别是基于“根系作为一种可变形锚固体的、生态加固土体渐进变形破坏”思想的理论研究工作在国内外还开展的很少，甚至可以说是刚刚起步。开展这一课题的研究，无论在土力学理论创新，还是在淮河流域生态环境保护与改良、水体污染与灾害防治方面均有着广阔的科学研究及工程应用前景。 作者单位：南京水利科学研究院岩土工程研究所

angel_love98

现代大半个世纪以来，淮河治理也没有十分突出的效果，污染依然

gaojian

现在水污染治理重在源头治污搞那些没用的，太浪费钱了

jsjohn

污染治理要比制造污染难上百倍的。。。。。

wushengwen

不行了也太油菜了吧~~~TY果然

lipeng74

很好的资料！顶一把！

spyzx123

电动的地地道道地地道道地地道道地地道道电动的地地道道地地道道地地道道地地道道到

zhangtian

谢谢楼主的分享，收藏了