（材料学专业论文）硬质护坡生态化改造的关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着社会的快速发展，人们对环境美化的要求不断提高，生态护坡技术即在具有抗洪 抗涝作用的同时，兼具净化水质和美化环境作用的一种护坡技术应运而生。但目前国内在 硬质护坡生态修复方面的研究多致力于公路岩石边坡绿化技术的开发，而对于河流硬质护 坡生态修复技术的研究起步比较晚，针对性不强。与普通混凝土相比，生态型多孔混凝土 具有良好的透气、透水特性，可以改善周围大气环境，营造生物多样性环境，可被广泛用 于河道护坡工程。但生态型多孔混凝土用于河堤护坡，随着潮涨潮落多孔混凝土长期处于 干湿交替的状态，特别是用于寒冷地区时，多孔混凝土还会遭受到冻融循环的破坏作用。 能否确保河堤护坡的长期安全稳定，即生态型多孔混凝土在冻融、干湿交替条件下的耐久 性问题，是当前水利学者和材料学者都十分关注的重要问题。 针对上述问题，本文采用空隙率在2 0 3 0 之间的生态型多孔混凝土，在研究多孔混 凝土耐久性以及水质净化性能的基础上，提出了采用多孑l 混凝土对硬质护坡进行生态修复 的技术路线，这对应用生态型多孑l 混凝土恢复受损河流生态系统，推进生态河流的建设具 有重要的现实意义。 在提出硬质护坡生态修复方案之前，研究了生态型多孔混凝土技术对硬质护坡进行生 态修复中应用的稳定性，即生态型多孔混凝土的耐久性问题。在多孔混凝土抗冻性能研究 中，采用自行研究设计的单向快速冻融法对多孔混凝土的抗冻性能进行全面研究。设计不 同矿物掺量配合比的多孔混凝土，研究硅灰、矿粉、粉煤灰对其抗冻性能的影响；在多孔 混凝土干湿交替试验中采用四种不同的干湿制度，对多孔混凝土的抗干湿交替性能进行研 究分析。试验结果表明：掺加矿物掺合料可以有效改善多孔混凝土的抗冻性能和抗干湿交 替性能，其中硅灰、矿粉、粉煤灰的最佳掺量分别在2 - - - - 5 、1 0 2 0 、2 0 - 3 0 之 间；干湿交替可以对多孔混凝土造成破坏，且湿度因素的影响与温度因素相比更加明显， 湿度3 0 和4 0 条件下破坏情况好于绝对干燥条件。 研究了生态型多孔混凝土技术在硬质护坡生态修复中应用的可行性。模拟实际环境条 件，分别研究流水装置下多孔混凝土的水质净化效果，水生植物的水质净化效果，以及多 孔混凝土与水生植物复合应用后对水质的净化效果。试验结果表明：多孑l 混凝土具有良好 的水质净化性能，掺加1 0 硅灰、掺加2 0 的矿粉或粉煤灰的多孔混凝土具有良好的水质 净化效果，其高锰酸盐指数的平均去除率达6 0 ，t p 的平均去除率达8 0 ，t n 的平均去 除率达5 0 ；当多孔混凝土与水生植物复合应用时，其水质净化效果有明显提高。 关键字：生态型多孔混凝土：抗冻性能；干湿交替；水质净化：生态修复 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t y , p e o p l e sd e m a n d sf o re n v i r o n m e n ta r eg r a d u a l l ys t e p u p e c o l o g i c a ls l o p e p r o t e c t i o nt e c h n o l o g ye m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e ，w h i c hc a l ln o to n l y p r o t e c tb a n k s b u ta l s od e c o n t a m i n a t et h ew a t e ra n dm a k eb a n k sb e a u t i f u l b t i tt h es t u d yo f e c o l o g i c a ls l o p ep r o t e c t i o nt e c h n o l o g ym o s t l ya p p e a r s i nh i g h w a yr o c k ys l o p e g r e e n i n g t e c h n o l o g y , s h 甜1 sl a t ea n dt h ep e r t i n e n c ei sn o ts t r o n g c o m p a r e dw i t hn o r m a lc o n c r e t e ，e c o t y p e p o r o u sc o n c r e t e ( p o c ) i sn o ww i d e l yu s e di nr i v e rs l o p ep r o j e c tf o ri t sf i n ew a t e r - p a s s 、a i r - p a s s p r o p e r t y i tc a ni m p r o v es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t , b u i l du pt h eb i o l o g yd i v e r s i t y w h e ne c o t y p e p o r o u sc o n c r e t ei su s e di nf i v e rs l o p ep r o j e c t , i tw i l ls u f f e rt h ee f f e c to fw e t - d r yc i r c l ew i t ht h e t i d eg o e su pa n dd o w n ，e s p e c i a l l yi nc o l dr e g i o ni tw i l la l s os u f f e rt h ee f f e c to ff r e e z i n g - t h a w i n g c i r c l e i t sv e r yi m p o r t a n tt oi n s u r et h el o n g - t e r md u r a b i l i t yo fe c o t y p ep o r o u sc o n c r e t e ，s ot h e s e p r o b l e m sc a u s ew i d e l ya t t e n t i o n i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h ed u r a b i l i t ya n dt h ew a t e r - p u r i f i c a t i o no fe c o t y p ep o r o u s c o n c r e t e ( p o c ) w i t h2 0 - 3 0 v o i dr a t i oh a v eb e e ns t u d i e dh e r e o nt h i sb a s i st h ee c o l o g i c a l r e s t o r a t i o np r o c e s st e c h n i c a lr o u t eo fu s i n gp o ch a v eb e e np r o p o s e d t h i sw o r kw i l lb eo fg r e a t s i g n i f i c a n c et oc o n s t r u c t i o no fe c o t y p er i v e n b e f o r ep u t t i n gf o r w a r dt h ee c o l o g i c a lr e s t o r a t i o np r o c e s st e c h n i c a lr o u t e ，t h es t a b i l i t yo f u s i n ge c o t y p e p o r o u sc o n c r e t e ( p o c ) d u r i n gt h ee c o l o g i c a lr e s t o r a t i o np r o c e s sh a sb e e ns t u d i e d s t u d i e dt h ef r o s tr e s i s t a n c eo fp o t 3 ，an e wf r e e z i n g - t h a w i n gc i r c l et e s tm e t h o d - - s i n g l e s i d e d r a p i dm e t h o dh a sb e e nd e s i g n e dt om a k eac o m p r e h e n s i v es t u d y d e s i g no f t h em i x t u r er a t i ow i t h d i f f e r e n tm i n e r a la d m i x t u r e sa m o u n t ，t h ei n f l u e n c eo f t h es i l i c af u m e 、s l a g 、f l ya s ho nt h ef r o s t r e s i s t a n c eo fp o ch a v eb e e ns t u d i e d a sw e l la s ，t h es t u d yo ft h ew e t - d r yc y c l er e s i s t a n c eo f p o ch a sb e e ns t u d i e dw i t hf o u rd i f f e r e n tw e t - d r yt e s tm e t h o d s t h er e s u l ts h o w st h a tw i t ht h e u s eo fm i n e r a la d m i x t u r e st h ef r o s tr e s i s t a n c ep r o p e r t ya n dt h ew e t - d r yc y c l er e s i s t a n c ep r o p e r t y w i l lb ei m p r o v e d ，t h eo p t i u mm i xa m o u n to f i l i c af u m e 、s l a g 、f l ya s hi s2 5 、1 0 2 0 、 2 0 - - 。3 0 ；t h ew e t - d r yc y c l ec a nd od a m a g et op o c ，t h ei n f l u e n c eo fh u m i d i t yl e v e li sg r e a t e r t h a nt h et e m p e r a t u r e ，w h e nh u m i d i t yl e v e li s3 0 a n d4 0 t h ec o n d i t i o n so fd a m a g ei sb e t t e r t h a nt h ea b s o l u t ed r y i n gc o n d i t i o n s s t u d i e dt h ef e a s i b i l i t yo fu s i n ge c o t y p ep o r o u sc o n c r e t e ( p o c ) d u r i n gt h ee c o l o g i c a l r e s t o r a t i o np r o c e s s w i ms i m u l a t i o no ft h ea c t u a le n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s t h ew a t e v p u f i f i c a t i o n o fp o ci nf l o w i n gw a t e rc o n d i t i o n 、t h ew a t e r - p u r i f i c a t i o no ft h ea q u a t i cp l a n t s 、a n dt h e p u r i f i c a t i o nb yt h ec o m b i n e da c t i o no ft h ea q u a t i cp l a n t sw i t hp o ch a v eb e e ns t u d i e d t h e r e s u l t ss h o w st h a tt h ep o ch a v eag o o dw a t e r - p u r i f i c a t i o n ，w h e ns i l i c af u m e 、 s l a ga n df l ya s h & r ea d d e dt op o r o u sc o n c r e t e ，t h ew a t e rp u r i f i c a t i o np r o p e r t i e sw i t hr e m o v a lr a t i oo fc o d m ni s 6 0 ，r e m o v a lr a t i oo ft pi s8 0 a n dr e m o v a lr a t i oo fi s5 0 ：w i t ht h ec o m b i n a t i o no fa q u a t i c p l a n t st h ew a t e r - p u r i f i c a t i o nw i l li n d i c a t em o r ee f f i c i e n tt h a nt h a to fo n l yu s i n ga q u a t i cp l a n t s k e y w o r d s ：e c o t y p ep o r o u sc o n c r e t e ( p o c ) ；t h ef r o s tr e s i s t a n c e ；t h ew e t - d r yc i r c l e ； w a t e r - p u r i f i c a t i o n ；e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： * 一章镕* 1 1 引言 1 1 1 国内水环境现状 第一章绪论 2 0 0 8 年晟新公布的中国环境状况公报指出，全国地表水污染依然严重。七人水系 总体为中度污染，浙闽区河流和西南、两北诺河水质良好，湖泊营养化问题突出。长江、 黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河嚣七大水系总体水质与上年持平。】9 7 条河流4 0 7 个断面中，i i 粪、v 娄和劣v 类水质的断面比例分别为4 99 、2 65 和2 36 。 其中，珠江、长江总体水质良好，松花| = 为轻度污染，黄河、淮河为中度污染，辽河、海 河为中度污染。 幽1 - 1 七大水系水质类别比例 2 8 个国控重点湖库) 中，满足u 类水质的2 个，占71 ；u 【娄的l6 个，占2 1 4 ； 娄的4 个，占1 43 ：v 类的5 个，占1 79 ；劣v 类的1 1 个，占3 93 。只耍污染指 标为总氨和总磷。在检测的2 6 个湖( 库) 中，重度富营养的2 个，占77 ；中度富营养 的3 个，占1 】5 = 轻度富营养的9 个，占3 46 。其中2 0 0 7 年出现蓝藻水危机的无锡太 湖，总体为劣v 娄，湖体处于中度富营养状态，主要污染指标为总氮a 表1 1 重点湖( 库) 水质类别 n 竺 个数 i 类 i i 类类类 v 类 劣v 娄 三湖 人型漩水湖 城市内湖 大型水库3 总计 比例( ) 东南大学硕士学位论文 营养状套指数 图1 2 重点湖( 库) 营养状态指数 1 0 个重点国控大型淡水湖泊中，博斯腾湖、洱海的水质为i i i 类，镜泊湖、洞庭湖、鄱 阳湖和兴凯湖为类，南四湖为v 类，白洋淀、达赉湖和洪泽湖为劣v 类。洱海、鄱阳湖 和洞庭湖处于中营养状态，南四湖、洪泽湖、博斯腾湖和镜泊湖处于轻度营养状态，达赉 湖处于中度营养状态。城市内湖的营养化的程度较高，昆明湖( 北京) 处于中营养状态， 玄武湖( 南京) 、西湖( 杭州) 、大明湖( 济南) 处于轻度富营养状态，东湖( 武汉) 处于 中度富营养状态。 表1 2 重点大型淡水湖泊水质状况 营养状态指水质类别 主要污染指 湖库名称营养状态 数 2 0 0 7 年 2 0 0 6 年标 氨氮、总磷、 白洋淀 8 3 重度富营养劣v劣v 总氮 p h 、高锰酸盐 达赉湖 6 4 中度富营养劣v劣v 指数 镜泊湖5 9轻度富营养 挥发酚、总磷 博斯腾湖 5 7 轻度富营养 ii i i 洪泽湖 5 6 轻度富营养劣v劣v总氮、总磷 总磷、总氮、 南四湖 5 3 轻度富营养 v 劣v 石油类 洞庭湖 4 5 中营养 v 总磷、总氮 鄱阳湖 4 5 中营养 v 总磷、总氮 洱海4 0中营养i i ii 兴凯湖 u挥发酚 表1 3 城市内湖水质评价结果 湖库名称营养状态指营养状态水质类别主要污染指 数2 0 0 7 年2 0 0 6 年标 东湖 6 5 中度营养化劣v劣v总磷、总氮 大明湖 5 6 轻度营养化总氮、五日生 劣v劣v 化需氧量 玄武湖 5 5 轻度营养化劣v劣v总氮、总磷 西湖5 5 轻度营养化 劣v劣v总氮、总磷 昆明湖 4 7 中营养 ii 2 硒骝姆m o 哥岛衡 密云承露”援农率薰铺表露 轮托糍 唠山东痒 丹江n 承庠 f 褥农摩 犬伙房承摩 隧甥凝 蘧潮 蓉武潮太碉澎 承澎 洱海 帮陬湖瀚赶游澎网潮汰泽磺 滑斯跨凝 褥没裙这赘游n 洋淀 鬓潮滇避太瀚 第一章绪论 地下水水环境现状：地下水是存在于土壤空隙和地下岩层裂隙溶洞中的水，是陆地水资 源重要的赋存形式。在我国，由于重视了地下水超采带来的地质灾害，许多省市采取了强制 封井的措施，加之地表水污染源治理力度加大，地下水污染有逐渐改善的趋势，但还存在很多 问题。全国大部分城市和地区地下水水质总体较好，局部受到一定程度的点状或面状污染， 部分指标超标。污染区主要分布在人口密集和工业化程度较高的城市中心区，主要超标指标 有矿化度、总硬度、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、铁、锰、氯化物、硫酸盐、氟化物和p h 值 等。三氮污染在全国各地区均较突出，矿化度和总硬度超标主要分布在东北、华北、西北和 西南地区，铁和锰超标主要分布在东北和南方地区。与2 0 0 4 年相比，大部分城市和地区地下 水水质基本稳定或污染略有减轻，部分城市局部地段水质有恶化趋势。i l j 1 1 2 水体富营养化的危害 由上所述可知，我国的地表水已受到“富营养化”的严重威胁。如何防治水体的富营养 化及对富营养化水体的修复技术的研究己成为水环境保护研究的重点。 水体富营养化是水质恶化的主要水环境问题之一，湖泊富营养化是人类活动对湖泊的 影响导致的湖泊自然演变过程的浓缩，所有的湖泊都面临富营养化，人类的活动更是加剧 了这个过程。水体富营养化是由于过多的氮磷营养物质从路堤输入到水体中，污染源主要 产生与工业和生活污染，雨水冲刷也从地面和农田带入一部分营养物质到水域环境中，其 中氮主要是由于农业面源污染输入水体，磷主要是生活污水和工业废水的排放引起的水体 的富营养化是自养型生物( 主要是浮游植物) 在富含氮、磷、有机物等营养物质的水体中异 常繁殖的结果。富营养化的征兆包括来自藻类水华的浮渣和毒素，某些水生植物的大量侵扰， 与水关联的疾病发病率的增加，水体透明度的降低，水体恶臭，水中溶解氧枯竭以及水生动物 的灾难性大批死亡。 水体富营养化的危害l z j ： 1 )对饮用水源的污染：富营养化使水体中有机质增加，病原菌孳生，并产生有害的藻毒素， 危及饮用水的安全。处于富营养化状态的水体作为供水水源时，会给净水厂的正常运作 带来一系列的问题，如增加水处理费用、降低处理效果和产水量等。 2 )对水体生态环境的影响：处于富营养化的水体，正常的生态平衡遭到破坏，导致水生生物 的稳定度和多样化降低，且最终的发展将使水体库容因有机物残渣淤积而减少，水体生 态结构破坏，生物链断裂，物种趋向单一，水体功能退化，加速水体沼泽化、陆地化的进程。 3 )对渔业等生物资源利用的影响：一定程度的富营养化可能导致鱼产量增加，但严重富营 养化的水体会因为藻类释放的毒素和溶解氧的稀缺而使鱼类种类数量减少，并直接影 响鱼类质量，从而导致水体经济价值大大降低。 4 )对水体感观性状的影响：富营养化水体中的蓝、绿藻类大量繁殖，致使水体色度增加， 水质浑浊，透明度降低，并散发鱼腥臭味，污染居住环境，丧失水体美学价值。 富营养化的防治对策：富营养化的防治是指阻断引起水体富营养化的污染源和削减其 污染的措施。防治的目的在于有效地阻断或削减污染来源，减少过量氮、磷等营养元素对水 体的输入，以抑制其初级生产力。防治对策分为以下两类：p - 5 j 1 )外源控制：制定相应的环保对策，控制n 、p 的排放，控制农田污染；实施截污工程， 大力发展具有脱氮除磷的废水生物处理新技术。 2 )内源控制：减少内源性污染物质，应主要防止营养盐类的恢复，根据具体实际情况，采取 不同的方法，控制底泥污染，旅游污染，船舶污染和养殖污染。 富营养化的生态修复：生态修复的具体措施主要是通过建立生态净化系统，利用水生生 物吸收氮、磷元素等营养物质并进行代谢活动，达到去除氮、磷元素等营养物质的目的。主 要方法有： 3 东南大学硕士学位论文 1 )食物链重组：水体中的藻类除受营养物质的控制外，作为食物链中的一环，也受浮游动物 和鱼类的控制因此，可通过食物链的重组来达到控制藻类和削减氮、磷的目的。例如 在富营养化水体中投放某些藻食性鱼类如鲢鱼，以控制浮游植物的生长，再适当搭配某 些以浮游动物为食的鱼类，如鳙鱼等，可有效控制水体的富营养化。除此之外，还可在水 体中放养田螺、河蚌，用以削减底泥中的有机质和营养盐。 2 )植物、微生物净化：对于已经富营养化的水体，要逐步恢复以沉水植物为主的水生植被， 包括漂流植被，挺水植被和浮游植被，利用水体沿岸浅滩的植物和微生物的作用，形成人 工净化生态系统，提高水体的生态环境质量。 1 2 研究背景 六七十年代，由于人们对河流生态系统、平衡缺乏足够的认识，采用“截流”、“裁弯取 直”、“渠化”、“硬化”等破化河流多样化的水泥工程，造成了自然河流渠道化、非连续化， 使自然河道的生态系统受到了不同成都的干扰，对水生态环境造成了极大的危害，其主要 表现为：河流生物带找到破化，造成生物群趋于单一化、一些物种缺乏生存或产卵场所 而濒临灭绝；河岸生态系统丧失服务功能，造成水体自净能力下降，水质恶化状况难以 缓解；河道生态系统与陆生生态系统的联系被隔绝，造成河道生态系统严重孤立：河 流形态儿何规则化，致使自然景观遭受破环，影响人与自然的和谐发展。 在传统的水利工程当中，对河流生态形成危害，河流硬质护坡表现较为突出。2 0 世纪 6 0 年代后期，德国及瑞士认识到传统的水利设计及管理思想是导致河流自然生态系统受埙 的根本原因，其中硬质护坡是造成河流生态系统急剧退化的主要根源之一。河流硬质护坡 是指由坚硬的石块或混凝士材料组成的与土体完全隔绝的结构体，其主要有浆砌或干砌块 石护岸、现浇混凝土护岸、预制混凝土砌块护岸等几种形式。这种传统的护坡工程将整个 河岸表面封闭起来，隔绝了土壤与水体之间的物质交换，原来生长在岸坡上的生物不能继 续生存，断开了河道生态系统的食物链，使得土壤和水体中的生物失去了赖以生存的环境， 对河流生态环境造成了极大的危害，具体表现在：从微生态结构来看，硬质护坡隔断了 坡面上下水分、营养元素、能量等的自然运动和交流，严重破坏了生物生存、栖息、繁衍 的环境；从河道生态系统来看，硬质护坡隔断了水域生态系统与陆地生态系统的交流与 联系，造成河流生态系统与非河流生态系统相互绝缘，致使河、湖生态系统遭到孤立，不 利于河流生态系统对水体自净能力的发挥和自然生态系统的恢复；从景观生态学来看， 护岸无植被硬质化、生态多样性单一等严重影响河岸带自然风貌和生态景观；更有甚者， 河道护坡和护岸结构还采用全断面护砌的结构，对生态环境的破坏就更加严重，大量采用 这种护砌方式会使城市地面形成一层不透水的薄壳，时间久了就会造成城市地下水位大面 积降低，建筑物下沉。1 6 河流护坡是河流生态系统与陆地生态系统进行物质、能量、信息交换的一个重要过渡 带，并成为两者相互作用的重要纽带和桥梁，其生物群落的组成、结构和分布格局对河流 生态环境的改善有着重要的作用间。它将陆地高等和低等植物合成的有机物质、岩石风化 物、土壤生成物以及陆生生态系统中转化的物质不断输入河流，成为河流生态系统的营养 物质的重要米源1 7 叫，而且河流护坡生态系统对增加动植物物种种源、提高生物多样性和生 态系统生产力、治理水土流失、稳定河岸、调节微气候和美化环境、开展旅游活动均有重 要的现实和潜在价值。 因此，研究对河流硬质护坡的生态化改造，对于恢复受损的河流生态系统和提高河流 的生态景观具有十分重要的技术参考和现实指导意义。 4 第一章绪论 1 3 国内外研究现状 1 3 1 生态护坡的概念与研究现状 在探讨对硬质护坡的生态化改造之前，就不得不先了解一下生态护坡这一概念，国外 发达国家在生态护坡技术方面的研究已有很长的历史，并已广泛应用于高速公路的边坡治 理中。生态护坡英文有称b i o t e c h n i q u e ，s o i lb i o e n g i n e e r i n g ，v e g e t a t i o n 或r e v e g e t a t i o n 等， 国内也有称植被护坡、植物固坡、坡面生态工程( s l o pe c o e n g i n e e r i n g ，简称s e e ) 或坡 面生物工程( s l o p eb i o e n g i n e e r i n g ) 等。在国际上专门以生态护坡为主题的首次国际会议 于1 9 9 4 年9 月在牛津举行。国外一般把生态护坡定义为：“用活的植物，单独用植物或者 植物与土木工程和非生命的植物材料相结合，以减轻坡面的不稳定性和侵蚀。”【9 】 生态护坡工程技术的应用，欧美国家主要是围绕着防止坡地免受雨水侵蚀的目的而进 行的，目前常用的护坡方法有活枝捆垛( 1 i v ef a s c i n e ) 、活枝扦插( 1 i v ec u h i n g ) 、枝条篱墙 ( w a t t l ef e n c e ) 等，只要应用于公路边坡的植被防护及河堤护岸。另外液压喷播技术 ( h y d r o s e e d i n g 或h y d r a u l i cm u l c h i n g ) 自2 0 世界5 0 年代发明后至今也获得广泛应用。2 0 世界8 0 年代又发明了三维网植草护坡方法。从总体上来看，目前日本在生态护坡工程技术 研究方面处于领先地位。 在日本，生态护坡被称为坡面绿化。二战以后，日本大规模的公路建设为其现代坡面 绿化提供了大量的机会，发展至今已有半个多世纪的历史。1 9 5 1 年，川端勇作开发了采用 外来草种开始用于坡面绿化。为适应大规模快速绿化坡面，日本住宅公团委托京都大学农 学部造园学研究宝研究快速绿化工法，1 9 5 8 年4 月在大阪香里团进行了多组现场喷射试验， 开发了喷射种子法。由于住宅丘陵地斜面不大，喷射种子法无法体现其效率高的优点，并 没有得到广泛的应用。但是日本道路公团建设的高速公路却十分需要此技术，并于1 9 5 8 年l o 月、1 9 5 9 年3 月及9 月在京都东山道路边坡的喷射试验中确认了此项技术的实用性， 后来又经过多次试验，采用沥青乳剂覆盖膜养生，在名神( 名古屋神户) 高速公路的 路堑边坡中得到大规模的应用。1 9 6 0 年从美国引进了喷播机( h y d r o s e e d e r ) ，把当时很先 进的液压喷播技术( 日本称种子撒布法) 广泛应用于名神高速公路路堤边坡的绿化。1 9 6 4 年从美国进口喷射专用纤维，1 9 6 5 年即实现了喷射纤维的国产化。 1 9 7 3 年开发出的纤维土绿化工法( f i b e r - - - s o i lg r e e n i n gm e t h o d ) 标志着岩体绿化工程 的开始，这也是日本最早开发的厚层基材喷射工法。纤维土绿化工法的主要特征为：台 阶形喷射，确保有效喷射厚度的经济性；局部呈水平状，降低径流，减少基盘的流失； 砂质土系，能有效利用现场开挖的砂质土。此工法于1 9 8 1 年获得美国发明专利，技术上 又几经改进，在2 0 世纪8 0 年代获得广泛应用，至今仍在应用。纤维土绿化工法的不足之 处：喷射基盘无法形成最适宜植物生长所需的团粒结构；由于粘结材料为普通硅酸盐 水泥，喷射初期基盘的p h 值很高，影响植物发育；采用砂质土，基盘材料易流失。为 解决纤维土绿化工法的缺陷，1 9 8 3 年开发出高次团粒s f 绿化工法( s o i lf l o c kg r e e n i n g m e t h o d ) ，工法的基本特征为：壤土系，并添加团粒剂，促进了基材团粒结构的形成； 粘结材料为特殊的沥青乳剂，基材抗侵蚀性更强，且p h 值呈中性。此技术开发至今，在 日本已施工2 万余处，施工总面积超过2 0 0 万m 2 。 1 9 8 7 年6 月，日本从法国引进连续纤维加筋土工法，随后把它与已有的坡面绿化工法 结合在一起，开发出连续纤维绿化工法( t g 绿化工法) 。工法的基本特征为：由于砂粒 和连续纤维相互混合，基材的抗侵蚀性更强，能适应坡体的微小变形：由于确保了大根 系的伸长空间，可引进木本类植物，用于坡面的树林化；施工体系由绿化基材供给系统、 团粒剂供给系统和连续纤维供给系统组成。t g 工法于1 9 8 8 年开始实用化。 5 东南大学硕士学位论文 上面介绍的纤维土绿化工法、高次团粒s f 绿化工法和连续纤维绿化工法是近2 0 年来 日本最常用的厚层基材喷射工法。在这三类工法中，由于主要用材、粘结剂及纤维的种类 不同，又形成种类繁多的厚层基材喷射工法。总体上来讲，按主要用材分类，可分为砂土 质系列、粘土质系列、粘土与有机质混合系列和全有机质系列；按粘结剂分类，可分为普 通硅酸盐系列、特殊沥青- l 齐u 系列以及高分子树脂系列：按纤维分类，可分为有机纤维系 列、无机纤维及连续纤维系列。从实际工程应用看，已可应用于坡度小于l ：0 5 的软岩、 中硬岩、硬岩边坡及强酸性土质边坡的坡面绿化，另外。也有应用于混凝土面及片石挡墙 面的实例。 除厚层基材喷射工法外，其它常用的坡面绿化工法还有框格植被绿化工法( 包括预制 框格、现浇框格) 、绿化网等。 另外，为防止水流对河岸的冲刷并考虑环境的保护，日本大成建设技术研究所进行了 连续4 年的探索性研列1 0 】，在1 9 9 3 年提出生态材料( e n v i r o n m e n tc o n s c i o u sm a t e r i a l ) 概 念的基础上，1 9 9 5 年日本j 二，夕l j 一卜工学协会提出了( e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yc o n c r e t e e c o c o n c r e t e ) 概念【l l 】。所谓生态混凝土是一种特种混凝土，具有特殊的结构与表面特性， 它能减少环境负载，与生态环境相协调，并能为环保做出贡献。 国内在生态护坡技术应用方面的研究起步较晚，2 0 世纪9 0 年代以前一般多采用撤草 种、穴播或沟播、铺草皮、片石骨架植草、空心六棱砖植草等护坡方法。1 9 8 9 年，广东水 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。1 9 9 0 - 1 9 9 1 年，中国黄土高原治山技术培训中心与日本合作在黄土高原首次进行了坡面喷涂绿化技术 ( 即液压喷播) 试验研究。此后经过十年左右的发展完善，液压喷播技术已广泛应用于我 国不同地区的公路、铁路及堤坝等工程中的边坡防护。1 9 9 3 年我国引进士工材料植草护坡 技术，随后土木工程界与塑料制品生产厂家合作，开始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、土工格宝等，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。 1 3 2 硬质护坡的生态化改造技术 硬质护坡的生态化改造也可称为硬质护坡的生态修复工程，早在1 9 世纪3 0 年代，一 些两方学者就开始涉及生态修复方面的研究，但将生态修复作为生态学的一个分支进行系 统研究，则是从1 9 8 0 年c a i r n s 主编的受损生态系统的恢复过程一书出版以后才开始 的l 眩j 。生态修复涉及到环境、水利、林业、农业等诸多领域，学科交叉性非常强，因此国 内外专家有关生态修复的提法也不尽相同。 2 0 多年来，国内外许多学者从不同的角度对生态修复概念有不同的理解和认识，尚未 形成统一的看法。1 9 9 7 年，美国俄勒p i j 州大学教授j b o o n ek a u f f m a n 等将生态修复的概念 定义为生态修复是把陆地生态系统与水域生态系统之间的过程、功能及生物、化学和物理 的关联性重建起来i l3 1 。日本学者多认为，生态修复是指通过外界力量使受损生态系统得到 恢复、重建或改进，使生态系统接近于自剁1 4 】，该观点与欧美国家所提倡的生态恢复内涵 比较相似。国内水利学者焦居仁( 2 0 0 3 ) 认为，为了加速被破坏生态系统的恢复，运用辅助 人工措施为生态系统健康运转服务，而加快恢复则被称为生态修复i i s l 。杨爱民在前人研究 的基础上将生态修复概括为在特定的区域、流域内，依靠生态系统本身的自组织和自调控 能力的单独作用，或依靠生态系统本身的自组织和自调控能力与人工调控能力的复合作用， 使部分或完全受损的生态系统恢复到相对健康的状态i l6 | ，该概念突出了生态修复应该结合 生态系统本身的自组织和自调控能力，辅以人工调控能力使受损的生态系统趋于健康。从 狭义上对生态修复进行定义的，国内外的研究也略有所见，美国河溪生态恢复研究组织( t h e f e d e r a li n t e r a g e n c ys t r e a mr e s t o r a t i o nw o r k i n gg r o u p ) 认为，生态系统的修复需要对河道生 6 第一章绪论 态系统的结构、功能，以及影响生态系统结构、功能的物理过程、化学过程和生物特征有 充分的认识，并指出河道生态修复是使河道生态系统恢复到与未被破坏前近似的状态，且 能够自我维持动态均衡的复杂过程【1 7 】。多年从事生态修复方面研究的杨海军针对针对受损 河岸生态系统，提出了生态系统修复的概念，他认为“受损河岸生态系统修复”是根据需要 和可能按照生态学原理设计并建设符合人类文明进步和可持续发展的健康河流生态系统。 即预先对河流护岸工程进行生态设计，实现在生态系统零损失的前提下，对河流自然资源 和环境进行合理的利用i l 引。 目前，国内外对于硬质护坡的生态修复主要有下面两个方面： 1 )破除硬质护坡后进行生态修复 破除硬质坡面后，再对护坡进行生态修复，其实质与直接在退化的土质护坡上进行生 态化改造所需采用的方法和技术区别不是很大，国内外在此技术方面的研究已较为成熟。 根据其技术针对生态修复的侧重点不同，大致可分为三个方面以恢复河流形态多样性研究 为主、以提供生物生长栖息的生物材料研究为主、以生态景观和亲水机能研究为主。 1 以恢复河流形态多样性为主的技术研究 河流形态多样性是流域生态系统生境的核心，是生物群落多样性的基础。在欧洲如德国、 法国、瑞士、奥地利等国，多采用一种近自然工法，在瑞士这种方法被称为n a t u r a n h e w a s s e r b a u l l 9 1 ，该方法主要是根据河流形态的自身特点和生物栖息繁殖的需求，在水岸交接 带设置了许多浅滩、深潭以及人工湿地，并在落差大的断面( 如水坝) 专门设置了为鱼类 回游提供的各种类型鱼道，使生态环境得以良好恢复。著名的塞纳河、多瑙河、莱茵河均 运用了这种方法，并取得了良好的效果。日本在恢复河流形态多样性方面的技术研究起步 比较早，9 0 年代初期开展了“创造多自然型河川计划( p r o j e c tf o r c r e a t i o n o fr i c hi n n a t u r e ) ”，并提出了卓有成效的植石治理法或埋石治理法1 2 0 】，该方法是将直径0 8 1 0 米 大小的自然石埋入河床和河滨带，以形成深沟及浅滩。这种方法能为鱼类提供良好的栖息 环境，并能加快鱼的繁殖。 2 以提供生物生长栖息的生物材料为主的技术研究 近几年，国内外专家多通过研究生物材料来对受损护岸进行生态修复，具有代表性的 有： 生态混凝土护岸技术 该技术是采用动植物及微生物能够和谐共存的生物相容型混凝士作为载体，利用多孔 混凝土空隙的透气、透水等性能，并渗透植物所需的营养，从而恢复河岸植物群落； “土壤生物工程”( s o i l b i o e n g i n e e r i n g ) 护坡技术 该技术是从最原始的柴木枝条防护措施发展而来的，经过多年的研究，现已形成一套完 整的理论体系和施工方法，并在欧美国家得到了广泛应用【2 1 2 2 1 。土壤生物工程对于陆地生 态系统和河流生态系统的恢复有着良好的促进作用，但在抵抗暴雨和水流对坡体的冲刷能 力方面有所欠缺； 生态种植基生态修复技术 该技术研究的是一种由固体、液体和气体三相物质组成的具有一定强度的多孔人工材料 张季如研究提出一种强度和抗侵蚀能力较高，且草灌植被可生长的z z l s 绿色生态护坡材 料f 2 3 】。该类技术最大的缺点就是水泥在凝固前种植基的p h 值偏高，植物难以成活，而且 其保水性能得不到保证。 3 以生态景观和亲水技能为主的技术研究 景观型多级阶梯式人工湿地护坡技术 景观型多级阶梯式人工湿地护坡是以无砂混凝土桩板或无砂混凝土槽为主要构件，在岸 坡上逐级设置而成的护岸形式。通过在桩板与岸坡之夹格或无砂混凝土内填充土壤、砂石、 7 东南大学硕士学位论文 净水填料等物质，并从低到高依次种植挺水植物和灌木，从而形成岸边多级人工湿地系统。 通过系统内植物一填料一微生物的协同作用，可以起到很好的截留入河面源污染的效果， 对河道水体也同样具有一定的净化效果，种植的美人蕉、风车草、香根草和芦苇等植物， 也美化了河道岸坡，呈现出层层阶梯式绿色景观。 景观净污型混凝土组合砌块护坡技术 继承现有砌块护坡特点的基础上，通过一定形式的预制混凝土砌块组合可以节省用地， 通过组合砌块内种植植物，利于生物栖息生长，砌块内生长的植物一土壤一微生物系统对 污染物质具有去除效应，可以达到对入河面源污染物的截留去除效果，并形成了多层次的 “生态景观”。根据不同的坡度应用条件，可分为应用于垂直岸坡的景观净污型组合实体砌 块护岸和应用于倾斜岸坡的景观净污型组合空心砌块护岸【2 4 1 。 4 以恢复水生植物为主的技术研究 通过限制污染物的排放仅能达到维持水质不继续恶化，以及农业面源污染和农村生活 污染控制和治理，有必要在此基础作进一步的研究和探索，为改善水环境质量提供一条更 为有效的和低成本的途径，保证工农业用水和生活用水的安全。以恢复原有水生植物为主 的生态工程修复技术就是在此基础上发展起来的，是但前水环境的研究开发热点。人工建 立生物多样性的健康的水生生态系统，从而提高生态系统的稳定性，恢复以沉水植物为主 的，动植物种类丰富的水生生态系统，是控制浅水湖泊富营养化发展的必要环境，目标是 实现由藻型到草型的反向转变。其主要特点和优势如下： 既适合于小流域治理，同样适用于大流域水体治理，低能耗、低成本； 大型水生植物是水生生态系统中处于初级生产者的地位，主要作用是吸收营养物 质降低水体氮磷，可以通过收获大型植物将水体营养盐带出水体； 同时向周围的环境释放氧气，也在局部区域形成一个缺氧环境，为微生物生长提 供一个平台的作用； 还为植食性浮游生物创造遮阴和提供逃避鱼类摄食的隐蔽所； 减少因为风和摄食底栖生物的鱼类引气的沉积物再悬浮，降低浊度； 水生大型植物还能分泌杀藻物质，对藻类有相生相克作用，抑制等地藻类的生长 和促进水中其他水生生物的代谢。 这种技术研究是选择一些耐污的先锋水生植物，。吸收水层和底泥中的氮磷等营养，在 提高透明度的基础上，恢复水生植物( 漂浮植物、沉水植物、浮叶植物和挺睡植物) 、动物、 螺贝类以及微生物等来简历生物多样性系统，变“藻类型湖泊”为“草型”湖泊，提高生态系 统的稳定性和抗污染冲击能力，但是由于人们对水生植物的营养吸收特性和生理特性研究 有限，利用植物修复污染水体有时会因为植物腐烂造成二次污染，因此建立稳定的水生植 物系统成了一个非常艰巨的任务。 2 )在硬质护坡基础上进行生态修复 针对直接在硬质护岸上进行生态修复，国内外的研究不是很多，而且一些技术还不够 成熟，有待进一步完善。在经济发达，特别注重吸