[原创]新型水工产品在生态护岸中的应用 [复制链接]

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2009-03-23

关键词：地质工程设计施工技术

新型水工产品在生态护岸中的应用
                          程卫国
                       （南京优凝舒布洛克公司）

摘  要：本文分析了传统的护坡的缺点，提出了新型护坡生态、环保的优点，同时提出，在新型水力护坡应用时应该根据具体工程进行针对性设计块体的形状、重量等特点，切不可盲从。
关键词：水工产品；柔性结构；刚性结构；生态护坡；铰接；连锁；
自从人类在地球上出现以来，就不断以自己的各种活动对自然界施加影响，正常侵蚀的自然过程受到人为活动的干扰和越来越剧烈的影响，使土壤侵蚀现象由自然侵蚀状态转化为加速侵蚀状态。目前，世界上土壤侵蚀问题越来越突出，这并不是自然因素突变的结果，而主要是人为不合理活动所致。人为不合理活动对土壤侵蚀影响的根源是比较复杂的，既有社会历史发展原因，又有现代不合理生产经营活动等方面的影响。水土流失在我国的危害已达到十分严重的程度，它不仅造成土地资源的破坏，导致农业生产环境恶化，生态平衡失调，水灾旱灾频繁，而且影响各业生产的发展。
水土流失不仅破坏土地资源，蚕食农田，削弱地力，加剧干旱发展，而且使泥沙淤积河床，加剧洪涝灾害。水土流失使大量泥沙下泄，淤积下游河道，削弱行洪能力，一旦上游来洪量增大，常引起洪涝灾害，今年的淮河流域和黄河的水灾正反映了这方面的教训，这两个流域的降水量在历史上并非罕见，但造成的损失却是历史性，98年的长江大水，全国出动共同抵御，方化险为宜，究其原因，都是由于上流水土流失造成河床淤积，长江沿途水库湖泊淤积，降低其综合利用功能，使其丧失了水量的调节功能，其外，泥沙淤积，还影响航运，破坏交通安全。特别是我们的母亲河，由于上流的水土流失严重，下流河床严重淤积，以至于黄河已变成了地上河。
我国是一个农业国家，土地是人民的命根子，战场上，英勇的将士为了祖国的尊严，浴血奋战，前赴后继，保护着祖国的每一寸土地。但对于水土的流失，我们却往往视而不见，诸不知我国每年有几亿到几百亿吨的土，而且是上好的种植土在水流的冲刷下白白的流入江河湖海。为了河道清理，不少城市又将市内为数不多的河流进行硬质铺装，用混凝土浇灌河床，用毛石砌筑河岸，主要原因是部分人员认为这种结构形式方便河流清淤。其实，对于河流治理，应该是一项综合工程，要标本兼治。此外，由于河流的地质条件变化多端，不适宜采用刚性结构，国外发达国家对于河道治理都采用了新型柔性结构的水力护坡代替传统的刚性结构护坡。
近几年来，为改善流域的水环境，我国水利部门加强了流域的综合管理，各地也大力建设水利基础设施，进一步提高了河流的防洪能力，但我们看到部分改造工程仍然使用石质和水泥材料来铺设硬化河底、建造陡峭河岸、砍掉河岸边上的树木、清理沿岸野生植物等方法，对河流去弯取直，修建统一标准的梯行截面河道。这对城市河流的水质保护、河水中和河岸上的生态保护、水资源保护以及城市居民的生命安全都是十分不利的。九十年代后期，日本、德国和美国已经先后大规模拆除了河道和引水渠的水泥板结构，并开始努力恢复河水与河岸的自然生态，因为人们认识到了软化河道对保护动植物资源、保护水质、防止水资源流失和防洪都有极为重要的作用。
用石材和水泥建造河床会带来的危害主要有：
1. 石材水泥硬化的河道或引水渠没有泥层，水中难以生长具有净水功能的植物、微生物、鱼和其它水生生物，河水失去自净能力，水质会越来越差；
2. 硬化河道阻止河水下渗，破坏地下水的补给，使城市缺水问题更趋严重；
3. 硬化、统一断面结构的河道中水流速度快，这会加重水资源从地表流走；
4. 硬化河道的两岸没有天然植物作为过滤屏障，这会使泥土和垃圾等物体在地表径流下直接进入河水，造成污染、形成河床需要不断清淤的恶性循环，这点已在众多城市的河道中被证明，城市中的地表水掺杂着大量的泥砂直接排入河中，造成城市河流每隔一两年就要清淤，有的城市，如大连的马兰河甚至为了清淤方便，竟然将河流变成硬质铺装，这实际是本末倒置；
5. 砍掉河道两岸的树木，会使河水易受阳光影响而水温变化大。这不利于水中生态平衡的建立。夏天水温高时，可能导致传染性病菌和病虫在水中大量繁殖，危害人民健康（埃及的一条著名大型引水渠就引发了钉螺大量繁殖、使血吸虫在沿河流域蔓延的情况，至今没能治理）；
6. 水中生物少、岸上又缺乏天然植物，这会使沿河生存的野生生物种类减少，比如靠水栖息的鸟类种类和数量减少，这不利于城市的生物多样性资源保护；
7. 河岸两边被除去了野生植物（灌木和树木）后，河岸风景将不能展示有本地特色的植物和其它生物景观，因此，河道不会成为长久的、令人喜爱的观赏景点。河岸的重建、恢复自然将不可避免。目前在国际上，无论是对自然河道还是对大型的引水工程，要尽量营造河道的天然状态已成为许多国家的共识。
当然，我们更多的水利工程都采取了科学的规划和设计来整治河流。近年来，通过统一调度，初步扭转了黄河、塔里木河及黑河持续断流的局面。使黄河三角洲地区生态系统得到明显改善，塔里木河及黑河流域下游的胡杨林复苏，鸟类及野生水禽返回，趋于恶化的生态系统得到了初步恢复。事实说明，水利工程不但在防洪、供水等方面作用巨大，而且在改善江河湖泊流域的生态系统方面也是大有作为的。生态建设已经成了水利工作的重要任务。
生态方法水体净化技术，是利用培育的植物、动物或培养、接种的微生物的生命活动，对水中污染物进行转移、转化及降解作用，从而使水体得到净化的技术。生态方法水体修复技术包括：人工湿地处理技术、生物膜法处理技术、土地处理技术及生物操纵技术等。人工湿地是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重共同作用来实现对污水的净化。生物膜法是指用天然材料（如卵石）、合成材料（如纤维）为载体，在其表面形成一种特殊的生物膜，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。这些微生物吞噬污染物分解为二氧化碳和水。土地处理技术是以土地为处理设施，利用土壤－植物系统的吸附、过滤及净化作用和自我调控功能，达到某种程度对水的净化。生物操纵技术的原理主要是利用营养级链状效应达到净化水的目的。比如在湖泊水库中投放经选择的鱼类，用以吞食另一类小型鱼类，借以保护某些浮游动物不被小型鱼类吞食，这些浮游动物的食物正是人们所讨厌的藻类，利用河卵石表面形成的生物膜，使河流的BOD、SS等有较高的处理率。研究结果表明：在适宜的条件下，挺水植物如慈菇、茭白以及沉水植物伊乐藻、菹草等对水体中的氮和磷都有较高的去除率。常用的芦苇对于磷的去除率达65％。
我国目前的水利工程学简称水工学（Hydraulic Engineering）,主要是以对水流的控制为目标建造水工建筑物，经过计算设计保证水工建筑物承载的安全性（强度、稳定及耐久性），以满足人们对于供水、防洪、水力发电、航运等需求。水利工程满足了人们对于水的各种不同的需求，但是水体自身的需求常被忽视。水的需求是它喜欢留在一个完整的、健全的生态系统之中。人们为了控制水流，或者改变了自然的水生态系统，或者把水从生态系统中分割出来，放到了一个在空间由人工设定的特定的或规则的形状中，再用人工材料如混凝土、金属、塑料等材料为水体制作出的某种人工环境。当水体在改变的生态系统中或在某种人工环境中，水体脱离了生物群落，自净能力降低，稍有外界干扰因素的出现，比如污水加入，水体的腐败就将是时日早晚的问题。
以往治河工程常对河流形态的多样化重视不足，当然也受到材料和施工技术的限制。自然状态的河流多呈弯曲形状，也有不少自然状态的河流处于分岔散乱状态。在自然界长期的演变过程中，河流的河势也处于演变之中，使得弯曲与裁弯两种作用交替发生。但是弯曲或微弯是河流的主要形态。当人们为了防洪需要或对河流进行开发时，往往将散乱状态的河流集中成一条主流。对于弯曲的河流未经充分论证而实施裁弯取直工程，把河流自然状态的弯曲形状改变成直线或折线。其影响除了河段冲刷与淤积可能影响行洪外，也使自然河流中主流、浅滩和急流相间的格局改变。这导致浅滩中的湿地消失，而习性在急流中游泳或在浅滩产卵的鱼类减少甚至绝迹，也会使其它动植物种类减少。
在自然河流的横断面上，浅滩与深潭相间，也显示出多样性的变化。改造过的河床常用输水性能好又便于施工的梯形断面等规则断面，使得水流流速均一化。另外，河道疏浚工程，往往忽视原有河道断面的生态合理性，也使得河道断面出现均一化倾向。这些都可能使生物群落失去栖息生长的条件。需要强调的是，河流形态的多样化是生物物种多样化的前提。河流形态的规则化、均一化，会在不同程度上对生物多样性造成影响。渠道或改造过的河道断面、江河堤防迎水坡面采用硬质材料，如混凝土、浆砌块石等，使得植物难以生长，进而又影响到鱼类、两栖类动物和昆虫的栖息，而这些动物又是鸟类的食物，于是食物链就此中断。
在城市水域整治的景观建设中，往往将水流置于诸如楼台亭阁等混凝土与砌石形成的人工环境之中，目的是使人们赏心悦目，取悦于人的感官。但这种单调、呆板的人工环境也使河流失去了自身的美学价值和生机勃勃的河流的生命，毫无美感可言，更谈不上保护、净化水质，北京市前几年修建的城市亮化工程的河流，现在大都变成死河，违背了当初的创作意图。
在2002年召开的讨论环境与发展的联合国约翰内斯堡峰会上，水问题被列为全球可持续发展五大问题之一，全球范围的水资源短缺、洪水威胁和饮水安全问题成为世界关注的焦点。为解决这些难题，世界各国特别是发展中国家计划建设不同类型的水利工程是一种不可避免的选择。随着我国社会经济的发展与进步，公众的社会参与程度会越来越高，新建水利工程的建设，有可能面临来自社会各方面的压力。在面对环境保护方面的批评，与其被动地解释说明水利工程的效益，不如主动地扩展与更新水利工程自身的工程理念，吸收来自环保、生物界合理的意见和建议。
人与自然和谐共处是生态水工学的指导思想。未来的水利工程既能够实现人们期望的开发利用水的功能价值，又能兼顾建设一个健全的河流湖泊生态系统，实现水的可持续利用。未来的水利工程不仅是满足人们对水需求的工程，也是有利于改善和恢复健全的生态系统工程，是有利于环境保护的可持续发展工程。
水利工程设施要造成一种人与自然亲近的环境，注意保留江河湖泊天然的美学价值。现代的城市景观设计，应刻意创造环境取悦于生物群落，长远看，人群也会在一个健全的水生态系统中受益无穷。水利工程还应为公众广泛参与和对儿童进行水环境保护教育创造良好条件。如水生态公园、河流小型博物馆等。
水利工程结合生态建设，是一个发展的必然趋势。在欧美已经提出“自然设计方法”，日、韩等国提出“与自然亲近的治河工程”理念，我国台湾也正开发“生态工法”技术。世界各国一些示范性工程正在建设，一些河流生态工程咨询与技术开发公司也应运而生，他们提供技术咨询和产品。这些局部的进展，说明在国际上水利工程结合生态建设可谓是方兴未艾，渐成潮流。在这样的背景下，美国舒布洛克集团利用自身的人员、技术、设备优势，引进欧、美、日等国家先进的水利设计方法，采用独特的刚性面层、柔性结构的生态水利护坡保护系统产品，全面更新我国传统的河流建设方案，努力打造我国生态护岸。
柔性结构的生态水利护坡保护系统是采用高性能、绿色混凝土制成形状一致的块体，块体之间通过特殊的连接形成一个整体，来抵抗水流的冲刷，块体之间允许适当的位移和变形，从而使该种铺面维护系统具有高度的地形适应性，使护坡系统能够适应地形和地貌的变化，避免传统河流改造采用的单一断面形状，从而实现河流改造的多样性。
此外，新型柔性护坡系统具有开孔和闭孔两种形式，这两种类型的块体具有不同的糙率和强度，尤其是对于开孔块形，开孔率和块形的强度、水下重量、块体的细部尺寸以及块体的总体尺寸等都有影响关系，分别适应不同的水文、气候、地质条件以及施工方法等。我国地域辽阔，南北地质、气候、水文等条件相差很大，针对不同的工程应进行具体设计，针对性的设计出满足当地水文、气候、地质等条件下的块形，切不可生搬硬套。但我国目前部分地区在河流改造时，进行针对性设计较少，有的工程甚至在没有了解新型水工产品特点的前提下，仅凭产品生产厂家的一些产品说明，就直接将产品应用到实际工程中，而且，整个工程设计中也没有按照水工产品的特点设置各种构造层，使得水工产品不能够充分发挥其应有的作用，特别值得注意的是，我国目前水利工程改造时，大都是按照抗洪设防的，有的工程抗洪标准甚至是按照100年到150年一遇的洪水标准，个别工程甚至是按照200年以上防洪标准设置的。因此，如果产品使用不当，一旦洪水来临，后果将不堪设想。
水利工程建设利国利民，但工程投资额大、回收期长，大部分工程为公益性工程，因此，一旦建设要确保万无一失，精确设计以及采用合理的结构形式和块形对整个工程建设具有重要的意义。美国舒布洛克集团愿与我国的各地水利设计人员一起努力，合理解决土壤的水腐蚀问题，共同打造我国的生态水利堤防设计。