现代科学的发展使人们认识到,传统意义上的河道治理工程在力图满足人类需求的同时,却在不同程度上忽视了河流ECO本身的需求。如水利、交通等项目施工全套工艺流程中常常会留下许多的开挖边坡、填土边坡、弃土边坡等;在修建整治建筑物时,也会留下的混凝土建筑。这些工程往往在短期内难以回到正常状态生态环境,而社会、经济的发展又需要水利、交通工程发挥作用。因此,如何对由此造成的生态破坏进行生态修复,甚至在建设前就按照绿色环保的理念来进行工程设计,是迫切地需要研究的。目前国内外对于生态建设交通通道已有一些研究成果,本文结合诸多研究成果进行总结,以为后续研究提供参考。
在现有的研究体系中,河流生态工程研究大致上可以分为生态环保建筑材料和生态护坡(也称植被护坡)技术两大方面。在生态环保建筑材料方面,人工生长基及其巩固材料是现阶段生态环保建筑材料的主要研究对象;生态护坡技术方面的研究则主要是厚层基材喷射护坡技术、土工网垫及土工格室复合植被护坡技术和合金钢丝网石笼护坡技术等几大类。现结合具体材料和技术,对国内外研究现状综述如下。“[NextPage]”
绿化混凝土技术是集岩石工程力学、生物学、土壤学、园艺学、环境生态学和水土保持工程学等学科于一体的综合环保技术。绿化混凝土材料由巩固材料——水泥和人工生长基——沙壤土、腐植质、保水剂、长效肥、混凝土绿化添加剂、混合植绿种子和水按特殊的比例组合而成。“[NextPage]”
20世纪90年代,美国、日本、欧洲等国家开始开发使用绿化混凝土这种新型生态材料,尤其是日本在这方而做了深入细致的研究。日本从上世纪90年代开始研究能改善水质富营养化状况的混凝土材料,提出了“亲水”的概念。大成建设技术研究所1993年提出了环境理念材料。1995年日本提出了环境友好混凝土/生态混凝土的概念。它是由低碱度水泥、粗骨料、保水材料等按照特殊工艺制成的混凝上,具有连续的孔隙和一定的抗住压力的强度,能与生态环境相适应,可使水质得到净化。2000年12月,日本鹿岛建设公司开发出表面可生长植物的混凝土。用这种新型混凝土构筑海堤和河堤,能起到保护生态环境的作用。这种吸水混凝土内混有植物纤维,吸水量最多可达自身重量的35%,具有高度的浸透性。新型混凝土价格虽然要比普通混凝土高10%,但强度不变,而且重量减轻了约30%。研究人员用这种混凝土构筑河堤作试验,两个月后发现,混凝土表面长出了杂草和水草,还有螃蟹等水生生物栖息。
韩国自然与环境株式会社开发研制了一种生态混凝土砖,其基本结构为随机多孔型绿化混凝土。这种生态混凝土砖成型设备投资大;构件边缘强度低,易破损;孔隙率低,贯通性不好,植物生长环境差,只能凭借表面覆盖较厚土层种草,适用较缓边坡。该会社在北京曾实验铺设5000m2,其表面敷设了100~150mm的土层,坡比为1﹕5。专家觉得:100~150mm的土层已经完全能使草生长,故这种生态混凝土砖只是一种透气混凝土块。
我国对绿化混凝土的研究在20世纪90年代中后期才开始,与国外水平还存在比较大的差距。但经过近10年的努力,我国研制的绿化混凝土已具有世界领先水平。吉林省某公司自1998年开始,对绿化混凝土进行了大量的实验、观测、研究工作,积累了数万组试验观测数据。在国内外首度系统地提出了绿化混凝土构造理论、特定植物生长环境理论、孔隙盐碱性水环境的概念及改造理论、植物所需营养元素及供给理论、设计原则与方法等理论体系,并结合国内实际,提出用常见各种水泥、集料制作绿化混凝土的原理和方法,解决了绿化混凝土应用的关键理论问题,使绿化混凝土的大规模推广应用成为可能。
环保型绿化混凝土护砌材料利用废砖石、轻纺工业废弃料,较大程度地降低了水泥用量,减少了砂石开采量,相应减少了对自然环境的毁坏,实现了在混凝土护砌面上种草的愿望,使刚性护砌与环境绿化完美地结合起来,是一种环境效应显著的绿色建材。
严格上讲,环保型绿化混凝土在欧美和我国均处于中试阶段(小范围使用到进入产业化阶段),即使是最早研究使用绿化混凝土的日本也还没有进入产业化阶段。根据目前国内的使用情况,绿化混凝土主要被用于城市绿地建设、公路边坡护坡与绿化、河道堤坝防护工程中。
喷射护坡绿化方法是近年来传入我国的新技术,具有机械化程度高、生产能力大的优点。喷射护坡绿化方法种类非常之多,适合使用的范围广,短短几年时间里在我国大面积推广应用。如今,在各种边坡工程中,喷射护坡绿化方法已成为主要的工程技术手段。
英国人上世纪50年代初发明了喷射乳化沥青和植物种子喷播技术,1958年该技术传入日本,经多次实验,开发出了实用的喷射绿化技术——沥青乳剂覆盖膜养生绿化技术,并用于名古屋—神户的高速公路边坡绿化工程中。[NextPage]
1987年,日本从法国引进连续纤维加筋土工法,随后,把它与已有的绿化方法结合,开发出了连续纤维绿化工法(TG绿化工法)。该法使用了连续纤维和沙质土,喷层具备更高的抗侵蚀性;施工体系由绿化基材供给系统、团粒剂供给系统、连续纤维供给系统组成,机械化程度高。TG绿化法1988年开始实用化,已经推广到多个国家。
1989年,广东省水利水电科学研究所从香港引进1台喷播机,开始在华南地区进行液压喷播试验。随后,赴日本考察回国的专家、学者开始介绍这种喷播技术。2000年,四川省某公司自主开发成功了适用于我国国情的厚层基材喷射护坡技术,填补了国内空白并具有世界领先水平。该技术使用经过改进的混凝土喷射机将拌和均匀的厚层基材混和物按设计的厚度喷射到岩石边坡面上,可应用于坡比小于1: 0.3的各类边坡的防护。被列为2002年国家级生态环境重点推广技术。但是,从总体上讲,国内在这样的领域还很薄弱,主要在专用机械设备的开发和基础研究方面与国外还有一定的差距。
植被混凝土护坡绿化技术也是主要是针对岩石边坡的防护与绿化的技术。该技术自问世以来,已成功应用到湖北、湖南、四川、山东、江苏、贵州、云南等多个省份的公路、水电站、采石场等边坡的防护与生态恢复中,在三峡工程中也采用了这种技术,取得了良好的经济和社会效益。
植被护坡技术是基于生态工程学、工程力学、植物学、水力学等学科的基础原理,利用活性植被材料,必要时结合其它工程材料在边坡上构建具有生态功能的护坡系统,通过生态工程护坡系统的自支撑、自组织与自我修复等功能来实现边坡的抗冲蚀、抗滑动加固和生态恢复,以达到减少水土流失,维持生态多样性和生态平衡以及美化环境等目的。在前节介绍的喷射护坡绿化技术也属于植被护坡技术中的一种,所不同的是,喷射护坡绿化技术需要专用的喷射设备,而本节介绍的植被护坡技术主要是采用人工或播种机械。[NextPage]
1633年,日本采用铺草皮、栽树苗治理荒坡,成为植被护坡的起源。到20世纪30年代,这种植被护坡方法首次引入中欧,并在欧洲盛行,主导着世界植被护坡的研究与应用。1951年,川端勇作开发了草原外来草种的植生盘用于道路坡面,标志着以牧草类为代表的外来草种开始用作坡面绿化。20世纪60年代以后,植被护坡技术已推广到世界各国。
20世纪30~40年代,高速公路景观设计在德国起源。60年代开始,美国及欧洲一些发达国家就已经将生态保护和恢复措施纳入了高速公路建设之中。1965年,美国制定了《公路美化规定》;1975年原苏联颁布了《公路建筑和景观设计规范》。在亚洲,日本走在生态护坡研究的前列,并具世界领先水平。1976年,日本发布了《公路绿化技术基准》,把生态护坡作为护坡工程的基础优先采用,其它工程措施仅作为辅助措施。生态护坡在日本已经大量推广使用,不仅一些大的专业性公司重视生态护坡技术,日本政府对推广这项技术也是不遗余力,日本组织编写了大量的书籍、规范,介绍生态护坡的设计、施工、管理、维修、养护、应用等。
20世纪90年代以前,我国一般多采用撤草种、穴播或沟播、铺草皮、片石骨架植草等护坡方法。1993年,我国引进土工材料植草护坡技术,随后土木工程界与塑料制品生产厂商合作,开发研制出了各式各样的土工材料产品,如三维植被网、土工格栅、土工网、土工格室等,结合植草技术在铁路、公路、水利等工程的边坡中陆续获得应用。1997年以后,国内不少科研单位针对岩石边坡的植被防护,也开始做比较广泛的应用研究。经过十余年的发展和逐渐完备,目前已形成多种多样的植被护坡技术。对于深层稳定边坡,根据不同条件可采用铺草皮、植生带、液压喷播、三维植被网、挖沟植草、土工格室植草、片石骨架植草、藤蔓植物、六棱空心砖植草等;对于深层不稳定的边坡,结合钢筋混凝土框架、预应力锚索桩、预应力锚索地梁、预应力锚索框架地梁等加强固定措施,再结合稳定边坡的植被护坡技术。
植草护坡技术主要是针对土质边坡进行的一种植物防护技术。这种技术施工便利,造价相比来说较低。从目前使用情况看,主要有人工种草护坡、平铺草皮护坡、三维土工网植草护坡、行栽香根草护坡四种方法。[NextPage]
双绞格网工艺起源于欧洲,已有一个多世纪的历史。在双绞格网的研究、开发方面,欧洲走在世界的前列。意大利开发的格宾网箱、加筋石笼、雷诺护垫、麦克垫等多种技术和产品已成功地应用于水利工程、公路、铁路工程、堤防的保护工程中,并在全球得到推广。使得双绞格网已经在全球范围内成为保护河床、治理滑坡、防治泥石流、防止落石兼顾环境保护的首选结构型式。
欧美发达国家在航道和水利工程中采用双绞格网技术已有50多年的历史,具有很成熟的实施工程技术和经验。双绞网格已被应用于修建堤坝、整治建筑物(丁坝、顺坝等)、河岸防护、河底防护工程中。我国在双绞格网的研究方面主要是依靠引进消化国外的先进的技术。1998年,我国先后与意大利、韩国、马来西亚、捷克等国的著名公司取得了联系,吸收引进了双绞格网堤坡防护技术,使双绞格网堤防技术在中国的运用有了深厚的科研背景和丰富的工程经验,开辟了该项技术在中国的运用前景。(作者单位:贵州顺达水运规划勘察设计所)