我国土工合成材料河道生态护坡研究及应用进展

李 果，张茂雪，朱殿芳，范鹏源，赵泽鹏，廖尚超

(成都市市政工程设计研究院有限公司，四川 成都 610000)

过去几十年，随着工程建设对河道系统干预和改造力度的加大，河流自然水体趋于单一化，河流生境多样性降低，河道生态功能愈渐退化。传统河道防护技术主要考虑防洪排涝功能，多采用浆砌(或干砌)块石以及混凝土等硬质材料进行河坡防护。这些硬质材料的过多使用，使得河流形态渠道化、水池化，破坏了河道生态系统。同时，在水泥、石料等原材料开采和生产过程中，还会对自然环境造成进一步破坏[1]。随着环保意识的不断加强，传统硬质护砌护坡逐渐被生态护坡所替代，生态护坡在河道环境整治和海绵城市建设领域蓬勃发展。

已有研究发现，将土工合成材料与植草护坡相结合可以提高护坡的抗水力侵蚀能力，进一步改善护坡工程性能[2]。这种结合在20世纪80年代开始被尝试应用于坡面防护工程中，到21世纪初，土工合成材料类护坡已广泛运用于国内各项水利工程中。然而，由于土工合成材料发展历史较短，形式较多，目前国内对于土工合成材料类生态护坡的研究多是以单一型式为研究对象，缺少对这类护坡性能和应用规律的系统梳理和总结。本文分别从土工合成材料生态护坡的主要形式、工程性能研究现状以及工程应用进展等方面对土工合成材料生态护坡的研究及应用情况进行综述，为生态护坡技术的深入研究和推广应用提供参考。

土工合成材料生态护坡是以土工合成材料为护坡主体，辅以加筋草皮，对坡体进行防护的结构。目前常用的土工合成材料河道生态护坡主要有4种形式，分别为土工网垫植草护坡、土工格室生态护坡、生态土工袋护坡以及雷诺护坡，其概念及适用范围如表1所示。

表1 土工合成材料河道生态护坡主要形式

2.1 抗水流冲刷侵蚀性能

目前关于土工合成材料生态护坡抗冲刷侵蚀性能的研究主要分为两大类，一类是研究河道水流对护坡的冲刷侵蚀，一类是研究降雨对护坡坡面的冲刷侵蚀。关于土工网垫植草护坡抗水流冲刷侵蚀性能，由于三维土工网垫能对边坡土体起加筋作用，且植被根系在网垫内缠绕生长能增强对基土的锚固作用。因此，与天然草皮相比，三维土工网垫植草护坡更能抵抗水流的冲刷侵蚀，国内许多研究也证明了这一点。束一鸣等[7]通过室外种植试验发现，三维土工网垫薄土堤坡在植被覆盖率达80%以上时，即使陡坡也能抵抗流速达6 m/s的水流冲刷。钟春欣等[3]通过室内坡面冲刷模型试验发现，在相同植被及坡面条件下，三维土工网垫植草护坡的侵蚀模数比天然草皮护坡减少了50%左右。此外，通过室内水槽试验，胡玉植等[8]发现三维土工网垫草皮抗侵蚀性强于土工格栅加筋草皮，且均强于天然草皮。关于坡面冲刷侵蚀机理，王广月等[9]和张壮等[10]通过室内冲刷试验发现，水流的初始冲刷是护坡水力侵蚀的主要原因，长时间不间断冲刷对护坡侵蚀影响反而较小，累积侵蚀量随坡度和流量的增大而增大，且从侵蚀曲线看，侵蚀量存在“侵蚀上限”。关于“侵蚀上限”的概念，潘毅等[11]通过大型水槽试验观察发现，土壤侵蚀达到一定深度后，如果水动力强度变化不大，侵蚀会趋于停止，将这种现象称为“侵蚀上限”，并讨论了达到侵蚀上限前侵蚀速率的特征。对于土工格室生态护坡，王广月等[12]发现，护坡坡面侵蚀量与坡度、流量、切应力，以及绕流雷诺数有关，护坡坡面侵蚀量随坡度和流量的增加而呈幂函数增加，与绕流雷诺数呈对数函数正相关关系。关于生态土工袋护坡，陈文学等[13]利用量纲分析法建立了生态袋护坡在波浪作用下袋内填充土壤颗粒损失量的计算公式，发现生态袋内土颗粒损失量与波浪特性、袋内土粒级配和密实度、岸坡结构特点以及生态袋厚度等密切相关。对于雷诺护坡，王俊玮等[14]提出雷诺护垫在坡脚处的水平铺设长度可由冲刷流速和冲刷深度得出。为了分析雷诺护垫护坡的浪蚀机理，邓丽等[15]建立了雷诺护垫最小厚度的计算公式，发现雷诺护垫需要的防护厚度随着浪高的增加而增加。对于常有大尺度波浪的地区，雷诺护垫的防护厚度不满足要求，无法保证足够的坡面稳定性。

由已有研究可知，土工合成材料生态护坡抗水流冲刷侵蚀性能的研究主要是通过室内水槽试验进行，其抗冲刷侵蚀性能主要与冲刷水体的水力特性(流速与流量)有关。对于土工网垫植草护坡和土工格室生态护坡，当水体冲刷坡面造成坡面侵蚀时，可以用边坡侵蚀模量衡量护坡的抗侵蚀性能，且侵蚀量存在“侵蚀上限”。对于生态土工袋护坡和雷诺护坡，岸坡侵蚀破坏通常是由波浪引起的，但不同的是，前者一般通过计算袋内的土壤颗粒损失量研究其浪蚀机理，后者则是研究波浪作用在雷诺护坡上时反复爬升和回落过程中对护坡结构的破坏(坡面结构滑移或填石的移动)。对于生态土工袋护坡，抗水流冲刷侵蚀性能主要与袋体结构有关，当袋体产生滑移或被侵蚀时，会造成坡面失稳，引起水土流失。其次，袋内土颗粒损失量还与冲刷水体的波浪特性有关。对于雷诺护坡，由于其应用历史较短，目前关于其性质的研究还远远落后于工程实践。现今国内关于雷诺护坡浪蚀机理的研究多集中在填料级配和强度对于护坡整体稳定性的影响，缺乏对雷诺护坡内部结构力学性能的深入探究，对系统研究雷诺护坡对岸坡稳定性能的改善还缺乏足够的理论支撑。

2.2 抗降雨冲刷侵蚀性能

关于土工合成材料生态护坡抗降雨冲刷侵蚀性能的研究，主要是利用冲刷模型试验(模拟降雨条件)或现场应用验证，探究降雨条件下影响坡体抗侵蚀性能的因素和护坡防径流冲刷的机理。关于坡体抗冲刷性能的影响因素，李济群等[16]通过暴雨冲刷试验，发现立体网的防冲刷性能远远优于平面网和无网工况，尤其是在大坡角、大铺沙量以及大流量的情况。除了护坡结构会影响坡体抗降雨冲刷侵蚀性能外，坡角和植株密度也是影响坡体抗冲刷性能的重要因素。肖衡林等[17]采用EM2、EM3、EM4三种三维土工网垫进行室内模型冲刷试验，发现三维土工网垫在坡面较陡情况下优越性更明显，而在坡度较缓时三种网垫保土性能相近。肖成志等[18-20]发现，边坡侵蚀模量主要受草籽密度、坡度、土质和网垫类型显著影响，在模拟暴雨时网垫类型对坡面侵蚀量的影响明显增加。

对于护坡防径流冲刷机理的研究，目前主要认为与坡面三种速度有关，即坡面土颗粒流失的初始启动速度、通过护坡结构时的坡面径流速度以及坡脚流速。将由沿程水头损失和径流局部水头损失计算出的坡面径流速度与初始启动流速、坡脚流速进行对比，可以得出护坡结构的抗冲刷特性。对于三维土工网垫植草护坡，肖成志等[18-21]考虑坡面糙率建立拦污模型进行模拟，推导出了三维土工网垫植草护坡时的坡面径流速度的计算表达式，分析坡角、植株密度、网垫和植被类型对坡脚流速的影响，进而得出三维土工网垫植草护坡的防径流冲刷特性。对于雷诺护坡，潘美元等[22]利用曼宁公式计算出雷诺护垫与地基土接触面的流速，要求其必须小于原始地基土初始启动流速，再通过启动流速表查得对应的反滤层厚度进行护坡的反滤设计。

从目前国内学者开展的研究探索来看，对不同类型护坡关于抗降雨冲刷侵蚀性能的研究角度也不同。对于土工网垫植草护坡，多是集中在通过对比不同坡度、不同土质和不同植株密度条件下，不同类型土工网垫在室内冲刷试验下的保土能力，保土能力越强，护坡的抗冲刷侵蚀性能越好。尤其是在坡面越陡的情况下，三维土工网垫生态护坡的优越性越能得到体现，以此进行最优的土工网垫选型。对于雷诺护坡则是把重点放在径流流速的计算以及反滤设计。不足之处在于，迄今为止的大多数研究选取试验流速和坡度较为主观，没有系统建立流速、坡度以及植株密度与保土量的定量关系，因此，关于抗冲刷性能的研究对于不同条件具体工程应用设计的指导作用仍然有限。

2.3 抗滑稳定性能

关于土工合成材料生态护坡抗滑稳定性能，目前研究多是集中在对加筋生态护坡的抗剪强度以及坡面抗滑稳定安全系数的计算与分析上，通过提高坡面土体的黏聚力和内摩擦角改善护坡结构抗滑稳定性能，进而达到阻止坡面土体滑移的目的。

研究发现，加筋生态护坡较之素土坡的抗剪强度显著增加，坡体稳定安全系数也大幅提高。刘晓路等[23]和徐毅等[24]通过室内直剪试验发现土工网垫植草护坡可以提高坡面土体的黏聚力和内摩擦角，增大护坡稳定安全系数，进而保证坡体稳定，阻止土层滑移。朱建海等[25]通过剪切模型试验，发现土工格室结构层其斜截面剪切强度明显高于平面剪切强度，且均较未加筋填料有明显增加。邢建龙等[26]通过研究分析，提出生态袋的结构型式可采用水利工程中堆石坝土斜墙及保护层稳定分析方法确定，建立了坡面生态袋结构极限平衡方程；
对于方程中黏聚力c和内摩擦角φ的取值，可以通过葉雅芸[27]由大量充填砂土生态袋直剪试验所得的c-φ关系表查得。同时，张季如等[28]和何文斌等[29]通过研究c、φ值和稳定安全系数的计算与影响因素，发现可以通过减小铆钉间距和坡度，在格室与坡面间铺设双向土工格栅来提高格室抗滑稳定性。王广月等[30]更是建立了降雨条件下土工格室护坡的稳定性分析模型，分析出土工格室护坡技术适用于坡比小于1∶1的边坡。

关于对土工合成材料生态护坡的抗滑稳定性能研究，目前多是以土工网垫植草护坡和土工格室生态护坡为主，这两类护坡共同的特点是土工合成材料对土体起加筋作用，同时联合植被护坡以实现浅表层边坡加固。大部分关于抗滑稳定性能的研究均是通过极限平衡理论推导出抗滑稳定安全系数，定量分析坡面的整体稳定性。然而，在计算抗剪强度和稳定安全系数时，通常是通过简化模型和理想化计算，导致所得结果不够精确。如计算土工格室抗滑安全系数时，一般采用单宽格室作为研究对象，忽略了格室随坡面地形变化引起的变形和受力变化，所得的安全系数为较为理想的坡面平均安全系数。在理想化的模型计算过程之后，应当考虑结合实际对结果进行修正，这样得到的计算结果才能更符合工程实际。

3.1 土工网垫植草护坡

早在1995年，三峡工程古树岭就曾采用土工网垫复合植被护坡，治理因雨季造成的坡面冲蚀，经过两年暴雨的考验，边坡几乎完好无损且植被覆盖率高，坡面防护效果明显[31]。1998年，黄河游览区在同一坡段采用不同草种分有网和无网进行护坡，经过1998年夏季大水后，发现三维土工植被网护坡坡面的植被覆盖率远远高于无网的坡面，对坡面土壤的加固和阻止表层土壤滑移作用明显[32]。2007年，在辽宁省砂堤边坡冲蚀严重堤段，采用土工三维网垫植草护坡以解决由风蚀和水蚀造成的水土流失问题，造价比浆砌石、混凝土面板和机织模袋更为低廉，恢复了砂堤岸坡的生态环境[33]。2013年，为解决福建省山美灌区北高干渠渠道淤积老化的问题，选择三维土工网垫护坡对渠道进行整治，不仅提高了渠道沿线的水土保持能力，还很大程度上减轻了水质污染，恢复了渠道的水生生态系统[34]。2017年，针对黑龙江省同抚堤防砂质土受降雨侵蚀严重的问题，在K20+000～K21+000段同时采用三维土工网垫植草护坡和遮阳网+植被护坡两种护坡方式，在一个生长周期后，发现采用三维土工网垫生态护坡的植被长势和根系发育要比遮阳网+植被护坡中的繁茂，对土体的防护效果也更好[4]。

3.2 土工格室生态护坡

2007年，河北省迁安市滦河生态防洪工程中使用土工格室生态护岸技术，大大提高了工程建设的速度，且取得了环保、生态等方面的综合效益[35]。2011年，松塔水电站大坝下游坝坡采用土工格室草皮护坡，格室施工与坝体土方填筑同期进行，比原设计的预制混凝土块护坡节约400万元左右的投资[36]。2015年，温州市瓯江口新区内排涝河道采取以土工格栅和水生植物结合的护坡形式进行河道坡面防护，经历了台风“鲶鱼”登陆，岸坡仍保持完好未发生滑移，也未出现岸坡冲蚀等问题[37]。2018年，在江西省上饶市鄱阳县的某河流治理工程中采用土工格室生态护坡，较好地解决了该河流由于降雨过多造成岸坡侵蚀严重的问题，提高了河流岸坡的稳定性，减少了当地居民因暴雨造成的经济损失[38]。

3.3 生态土工袋护坡

生态土工袋技术在1964年由Terzaghi在加拿大Mission Dam工程中率先使用，之后生态土工袋护坡技术逐步发展，且多用于海岸防护工程[27]。国内这项技术于21世纪初开始应用于实际工程，且由于技术的不成熟多与其他形式护坡结合。如2010年，苏南运河镇江陵口段将生态土工袋护坡作为二级护坡与直立式护坡相结合，解决了由土体冲刷掏空造成的坍塌问题以及河道两侧岸坡的冲蚀问题[39]。同年，浙江省庆元县会溪山区小流域农业生态工程中，河岸采用三维生态袋护坡，生态环保、节能减污，实现了景观与生态水利的结合[40]。2010年，邵武市同青溪流域同青溪山口河段采用生态土工袋和网箱结合型生态袋护岸，施工完成后，由于护岸结构的多孔隙和透水性，促进了河流与地下水层的交换，改善了河道的水生生态环境[41]。2013年，临汾市汾河城区段生态环境综合整治修复与保护工程中，河道护坡材料选用生态袋，结合两侧的绿地公园，改善了汾河城区的生态环境，提升了城市水平[42]。2015年，在南京市板桥河区界至汤巷沟1.71 km河段的岸坡治理工程中，将草皮护坡、生态袋护坡、生态袋挡墙以及金属丝网箱挡墙等护岸型式结合使用，应用三维排水连接扣和双向土工格栅作为生态袋护坡的辅材，护坡效果良好，促进了区域经济的发展[6]。

3.4 雷诺护坡

雷诺护垫最早由马克菲尔公司于1894年首次将该护坡结构应用于意大利雷诺河的边坡防护工程中，距今已有100多年的应用历史，于20世纪90年代末期传入我国，并在我国局部某些河流的堤防、航道护岸和水库护坡中逐步开始使用[43]。国外工程中，雷诺护坡一般用于海岸防护工程，常与丁坝结合共同抵御海浪对堤岸的侵蚀。如美国南卡罗来纳州防波堤工程Fripp岛上的海岸防护结构，英格兰坎布里亚郡Skinburness的海岸防护工程以及巴西著名的Caiba海滩均采用了雷诺护垫，且防护效果良好[44]。

湖北黄石长江干堤合兴段是我国最早采用雷诺护坡的工程之一，全长500 m，沿长江水流方向施工，工程现场验收优良率达70%，至今运行状况良好[45]。2008年，湖南洞庭湖洪道整治工程中，采用1500 m雷诺护垫试验工程段，在经受3个多月高水位和频繁大风浪冲刷情况下，护垫整体结构完好，岸坡稳定且无崩岸现象发生[46]。2010年，湖南省长沙市湘江大道南段采用了雷诺护坡，历经两个汛期考验稳定性良好，同时自然生长植被，绿化景观效果和消浪性能都得到了很好的体现[47]。2015年，在海南省东方市境内进行的感恩河河道治理的工程中，采用雷诺护垫进行河道护坡，解决了砂质岸坡稳定性差、受河流冲刷侵蚀严重的问题，阻止了游荡型河段在堆积和潮汐作用下对河床和岸坡的破坏[48]。2018年，在陕西濂水河整治工程中，为解决濂水河急流对河岸冲刷严重的问题，在迎水坡采用0.3 m厚的雷诺护垫加固河岸。工程实施后，一定程度上恢复了以前被破坏的岸坡生态环境，岸坡防护效果良好[49]。

从上述土工合成材料生态护坡在河道生态整治工程中的应用发展情况来看，其发展历程主要可分为两个阶段：一是从20世纪90年代到21世纪初，为试验应用阶段；
二是从21世纪初至今，为全面发展及应用阶段。可以看出，第一阶段的工程应用多为土工合成材料生态护坡在河道生态整治工程中的试点应用，多选用某项大型水利工程(如三峡工程、黄河游览区等)的局部河段作为土工合成材料生态护坡的试验河段，需要通过不同方案的对比才能得出最优的护坡方案，也取得了一定的经济效益和生态效益。虽然这一阶段通常只采用单一形式的土工合成材料生态护坡，且应用规模较小，但对土工合成材料生态护坡的推广应用起到了示范和推动作用。第二阶段的工程应用多是采用多形式的土工合成材料生态护坡相结合，对工程中涉及的全部河段进行统一规划，成为河道治理工程中的主体角色，应用规模较大，施工工艺也较为成熟。这一阶段的工程不止获得了较大的经济收益，更是提高了整个河道系统的生态效益，符合水生态文明建设的内涵和社会可持续发展理念[50-51]。

我国土工合成材料生态护坡技术起源于20世纪80年代，由于其在施工方法、建造成本、生态效果等方面的优势，在21世纪逐步取代石料、混凝土等传统硬质护砌材料，发展为国内各项水利工程建设采用的主要生态护坡形式之一。追溯其发展历史，不难发现土工合成材料生态护坡由最初形式单一的土工网垫植草护坡，发展到如今生态土工袋护坡、土工格室护坡、雷诺护坡等多种形式。

随着国内河道环境整治与生态恢复工程的不断推进，各类护坡在复杂条件下各种性能的试验研究逐步深入。但现有研究还存在以下几点不足：

(1)性能研究采用的还是传统室内材料试验和物理模型试验，如室内冲刷模型试验和室内水槽试验等，与实际工程应用中的边界条件还有所出入。

(2)研究成果主要集中在材料基本性能和防护效果方面，缺乏对不同土工合成材料生态护坡性能影响因素的系统性探究，尤其缺乏对复杂条件下各类型护坡使用条件下生态效应的研究探索。

(3)理论研究中，研究对象为单一形式的护坡，而工程实际中，存在不同类型护坡结合使用的案例，缺乏多种土工合成材料生态护坡联合使用对坡面冲刷和土壤侵蚀产生何种影响的相关研究。

(4)大多需要预先进行方案比选，没有实现理论研究与工程实践的融合。

今后还需加强土工合成材料河道生态护坡性能的系统性研究，以及其生态效应方面探索研究，应与工程应用积累的经验相辅相成，建立研究理论与设计施工参数和工艺之间的联系，以期达到更高的生态护坡建造水平。可以预见，未来土工合成材料生态护坡技术由于其结构简单、适用性广、生态环保和施工便捷等特点，将会在河道防护中具有举足轻重的地位和广阔的发展前景。

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