CN118756650B - 一种刚柔协同生态护坡结构、施工方法及护坡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚柔协同生态护坡结构、施工方法及护坡方法，属于生态护坡领域，包括由下游到上游依次布置的生态植生防护石区、消落带过渡区和植物根系锚固区，其中，生态植生防护石区设置于边坡低水位以下，消落带过渡区设置于边坡消落区，植物根系锚固区设置于边坡高水位以上，消落带过渡区和植物根系锚固区还设置有横向排水沟，且消落带过渡区和植物根系锚固区均为刚柔协同结构。本发明采用上述刚柔协同生态护坡结构、施工方法及护坡方法，利用刚柔协调结构，可以改善边坡的水力‑力学环境以及生态环境，实现生态边坡防河水冲刷、高水位以上边坡的防强降雨冲刷，有利于维持生态环境的长期稳定。

Description

一种刚柔协同生态护坡结构、施工方法及护坡方法

技术领域

本发明涉及河道生态护坡领域，尤其涉及一种刚柔协同生态护坡结构、施工方法及护坡方法。

背景技术

由于周期性蓄洪或行洪导致的河流消落带，在涌浪水流冲刷的长期作用下，河岸防护基础日渐薄弱。当汛期在降雨作用下出现较强河道流速时，传统的生态护坡不能很好的防御消落带的水流冲刷及护坡的降雨冲刷，容易出现水土流失、河道崩岸和护坡滑移等问题。

传统柔性生态护坡如生物毯护坡，可植生的植物初期脆弱、抗冲刷性能低；而传统刚性护坡结构虽然有一定的抗冲刷效果，但其无法给植被提供良好栖息及根生环境，而且传统护坡结构通常难以同时兼顾陆生和水生生态环境的长期稳定。

此外，使用水泥基材料护坡，在诸如河道堤防的生态防护中会消耗大量材料，且单纯依靠外源硅铝酸盐用于生态护坡需要长距离运输，既增加了运输成本，也不符合绿色低碳的设计理念。同时，刚性护坡方式也不能充分发挥植被在护坡过程中起到的冠层节流、根系锚固等柔性作用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种刚柔协同生态护坡结构、施工方法及护坡方法，利用刚柔协调结构，可以改善边坡的水力-力学环境以及河道生态环境，实现生态边坡防河水冲刷、高水位以上河道边坡的防强降雨冲刷，有利于维持生态环境的长期稳定。

为实现上述目的，本发明提供了一种刚柔协同生态护坡结构，包括由下游到上游依次布置的生态植生防护石区、消落带过渡区和植物根系锚固区，其中，生态植生防护石区设置于河道边坡低水位以下，消落带过渡区设置于河道边坡消落区，植物根系锚固区设置于河道边坡高水位以上，消落带过渡区和植物根系锚固区还设置有横向排水沟，横向排水沟面向植物根系锚固区的一侧开设有排水孔，且消落带过渡区和植物根系锚固区均为刚柔协同结构。

优选的，刚柔协同结构包括由下到上依次设置的刚性固坡层和柔性植被层，刚性固坡层包括由下到上依次铺设的细粒土层、非饱和导排砂层和粗粒土层组成的双层毛细阻滞效应屏障层；

消落带过渡区的刚柔协同结构还包括依次铺设于双层毛细阻滞效应屏障层顶端的聚乳酸可生物降解土工布和生态植生混凝土格栅，消落带过渡区的柔性植被层包括经反折纤维网固定于边坡上的土工袋组和依次喷播于土工袋组上的基质层和种子层，种子层为香蒲、芦苇、桃叶蓼、茵陈蒿、千屈菜中的一种及其任意组合，聚乳酸可生物降解土工布的上下两端分别与横向排水沟和设置于坡底的混凝土挡板锚固连接；

植物根系锚固区的刚柔协同结构还包括依次铺设于双层毛细阻滞效应屏障层顶端的生态植生混凝土格栅和拦挡网，拦挡网的顶端伸出边坡后经混凝土压顶固定，拦挡网的底端与横向排水沟锚固连接，植物根系锚固区的柔性植被层包括依次喷播于生态植生混凝土格栅上的基质层和种子层，种子层为酸枣、紫花苜蓿、草地早熟禾、黑麦草、狗牙根、无芒雀麦中的一种及其任意组合；

基质层包括河道泥沙、改良剂、肥料、混合种子、保水剂、粘合剂、微生物制剂。

优选的，土工袋组包括由下到上呈阶梯结构设置的固坡土工袋和生态土工袋，固坡土工袋内填充有沙石，生态土工袋内填充有多孔生态陶粒和种植土。

优选的，消落带过渡区的生态植生混凝土格栅上均匀设置有多条与横向排水沟渠连通的纵向排水沟，纵向排水沟与生态植生混凝土格栅之间设置有伸缩缝，伸缩缝内填充有聚乙烯闭孔泡沫板、沥青杉板或者沥青砂板；

横向排水沟的底端经中部抗倾覆桩固定于边坡上。

优选的，生态植生防护石区包括铺设于位于护脚区域的砂砾石垫层顶端的多个石笼，多个石笼呈阶梯布置，且石笼内填充有块石和水生植物生态球，且水生植物生态球紧贴石笼内壁布置；

石笼与底部混凝土挡板之间填充有碎石或者砂砾，最底层石笼且远离边坡的一侧设置倒梯形石笼抛石层；

砂砾石垫层经底部抗倾覆桩固定。

一种刚柔协同生态护坡结构的施工方法，包括以下步骤：

S1、制备原材料：

S11、制备多孔生态陶粒：将30%-40%的河道泥沙和60%-70%外源工业固体废弃物混合均匀后，在400℃-600℃温度条件下预热，而后在焙烧温度为1000℃-1200℃的条件下烧制，得到直径为10mm-30mm、孔隙率为40%-50%的多孔生态陶粒；

S12、制备生态植生混凝土格栅：将步骤S11中制备的多孔生态陶粒作为粗骨料，按照配比将粗骨料60%-70%、水泥10%-20%、粉煤灰10%-15%、减水剂0.3%-1%、水5%-10%混合均匀后浇筑到模具中，养护设定时间后脱模，获得生态植生混凝土格栅；

S13、制备水生植物生态球：将步骤S11中制备的多孔生态陶粒混合基质和水生种子、微生物后填充至天然纤维网中，获得水生植物生态球；

S2、基础准备和护脚施工：在河道的护脚区域钻孔并插入底部抗倾覆桩，在底部抗倾覆桩顶端的河道的护脚区域铺设砂砾石垫层，且使得底部抗倾覆桩嵌入砂砾石垫层内部；

S3、在河道低水位以下施工生态植生防护石区：在河道边坡的坡底插入底部混凝土挡板，并在底部混凝土挡板背离边坡一侧的砂砾石垫层顶端铺设呈阶梯布置的多个石笼，且在石笼的内部填充石块和步骤S13制备的水生植物生态球，且使得水生植物生态球紧贴石笼内壁，在石笼和底部混凝土挡板之间填充碎石或者砂砾，并在石笼面向边坡的一侧铺设反过滤聚乳酸可生物降解土工布，同时对位于边缘位置的石笼封口，最后在最底层石笼且远离边坡的一侧设置倒梯形石笼抛石层；

S4、在边坡的消落区施工消落带过渡区：在消落带过渡区由下到上铺设双层毛细阻滞效应屏障层和聚乳酸可生物降解土工布，并将聚乳酸可生物降解土工布的底端与底部混凝土挡板固定连接，再在聚乳酸可生物降解土工布的顶端铺设步骤S12制备的生态植生混凝土格栅，并将生态植生混凝土格栅锚固至边坡上，再向生态植生混凝土格栅内部且沿边坡由上到下铺设多组土工袋组，每组土工袋组均经反折纤维网定位，反折纤维网的端部固定于边坡上，且每组土工袋组均包括由下到上依次铺设的固坡土工袋和生态土工袋，固坡土工袋内填充有沙石，生态土工袋内填充有步骤S11制备的多孔生态陶粒和种植土，最后依次喷播基质层和种子层；

S5、施工消落带过渡区和植物根系锚固区之间的横线排水沟：在消落带过渡区和植物根系锚固区之间横向钻孔，并将中部抗倾覆桩嵌入钻孔内部，将横线排水沟置于中部抗倾覆桩的顶端，且使得中部抗倾覆桩的顶端插入横线排水沟，再将聚乳酸可生物降解土工布锚固于横向排水沟上；

S6、在河道高水位以上施工植物根系锚固区：在植物根系锚固区由下到上铺设双层毛细阻滞效应屏障层、步骤S12制备的生态植生混凝土格栅和拦挡网，并将拦挡网向边坡顶端延伸，再用混凝土压顶固定伸出边坡的拦挡网，锚固连接拦挡网的底端和横向排水沟，最后依次喷播基质层和种子层。

优选的，S11所述的外源工业固体废弃物的成分配比为：高炉渣10%-15%、粉煤灰15%-20%、污泥20%-25%；

在步骤S12中，制备的生态植生混凝土格栅为正六边形，交点处设置用于固定的锚固件；

在步骤S2中，底部抗倾覆桩的直径为30cm，间距为4m，深度为2m；砂砾石垫层的厚度为30cm，最大粒径不超过30mm，砂砾石垫层的每边超出基础外边缘的宽度为200mm-300mm；

在步骤S3中，单个石笼的长度为1.0m，宽度为0.5m，高度为0.5m，装填厚度不大于35cm；

在步骤S4中，聚乳酸可生物降解土工布为搭接结构或者缝接结构，当为搭接结构时，相邻两块聚乳酸可生物降解土工布之间经U型钉搭接，且搭接重合范围不小于50cm，上游聚乳酸可生物降解土工布覆盖在下游块聚乳酸可生物降解土工布顶端；生态植生混凝土格栅的预制强度不低于C20，边长1.732米；固坡土工袋和生态土工袋的袋体摊平尺寸均为：长0.75m、宽0.55m、厚0.3m，填充率为75%-85%；每组土工袋组的高度为1.5m-2m，反折纤维网包裹的长度不小于2m，沿边坡水平方向需进行搭接，搭接长度不小于0.5m，反折纤维网为由包裹有聚氯乙烯树脂的碳素弹簧钢丝的网状制品；沿生态植生混凝土格栅纵向每隔10m-15m设置1道伸缩缝，伸缩缝宽度为20-30mm，伸缩缝内填充有聚乙烯闭孔泡沫板、沥青杉板或者沥青砂板，并在伸缩缝处设置纵向排水沟；喷播的种子层为香蒲、芦苇、桃叶蓼、茵陈蒿、千屈菜中的一种及其任意组合；

在步骤S5中，横向排水沟的深度为0.5m，宽度为0.5m，横向排水沟面向植物根系锚固区的一侧开设有排水孔；中部抗倾覆桩的直径为30mm，长度为1.5m，钻孔直径为35mm，注浆材料为C30水泥浆；

在步骤S6中，拦挡网的直径为30mm-60mm，伸出边坡的长度为5m；种子层的厚度为5mm-30mm；喷播的基质层包括河道泥沙71.35%、改良剂0.25%、肥料15%、保水剂0.4%、粘合剂10%、微生物制剂3%、以及混合种子35g/m²；喷播的种子层为酸枣、紫花苜蓿、草地早熟禾、黑麦草、狗牙根、无芒雀麦中的一种及其任意组合；

步骤S2和步骤S6所述的双层毛细阻滞效应屏障层均包括由上到下依次铺设的细粒土层、非饱和导排砂层和粗粒土层，其中细粒土层的粒径为50mm-100mm，非饱和导排砂层的粒径为100mm-200mm，粗粒土层的粒径为100mm-200mm；且非饱和导排砂层由方孔筛筛分河道泥沙获得，0.15mm方孔筛累计筛余为100%-90%，0.3mm方孔筛累计筛余为85%-55%，0.6mm方孔筛累计筛余为40%-16%，1.18mm方孔筛累计筛余为25%-0%。

一种刚柔协同生态护坡结构的护坡方法，由于由种植层生长的植物根系伸入细粒土层，故晴天时，在植物茎叶蒸腾作用下，细粒土层吸收水分，为植被根系储存生长所需水分；

降雨时，细粒土层与非饱和导排砂层之间的界面基质吸力达到进水值，使得细粒土层与非饱和导排砂层的第一道毛细阻滞效应失效，且非饱和导排砂层与粗粒土层之间的界面基质吸力小于进水值，非饱和导排砂层与粗粒土层形成的第二道毛细阻滞效应屏障有效，此时水分在非饱和导排砂层的侧向导排作用下，依次由排水孔、横向排水沟和纵向排水沟排入河道内部。

本发明具有以下有益效果：

1、通过河道泥沙结合外源固体废弃物的协同作用，制备多孔植生混凝土，配合通过河道泥沙制备的非饱和导排砂层，既可以有效的消纳淤积河沙以疏浚河道，又可以降低成本。

2、通过筛分河道泥沙中不同粒径的颗粒，使其具有均匀的粒径分布，便于施工和铺设，并通过粒径较大的泥沙颗粒制造非饱和导排砂层，该结构上下紧邻细粒土层与粗粒土层，通过不同材料层的渗透系数差异，控制水分在护坡结构中的分布和流动；

3、通过刚性材料（如生态植生防护石区、生态植生混凝土格栅、纤维网）提供坚固的结构支撑，防止河水冲击和大范围的坡面滑动；柔性材料（如生态土工袋、生态陶粒、植被根系）通过吸收、缓冲和分散应力，可有效减少水流和降雨的直接冲刷力，同时植被根系可固定土壤颗粒；两者发挥刚-柔的协同作用，使护坡结构在不同水位和气候条件下，都能保持结构稳定和生态平衡，从而实现防护和生态修复的双重功能；

4、利用河道泥沙制备生态陶粒并加入水生植被生态球、生态袋和生态植生混凝土中，减缓河道泥沙资源堆积造成的环境问题，可以有效减少对天然矿物材料的开采和使用，实现了资源的循环利用；而且，泥沙中的矿物成分经过高温烧制，形成的具有多孔结构和高强度的陶粒，有利于水生植物根系的固定和生长，为植物根系提供了更多的生长空间和养分吸附点位，从而增强了生态球和生态袋的物理性能、结构稳定性以及改善生态的功能。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的一种刚柔协同生态护坡结构的横截面图；

图2为本发明的一种刚柔协同生态护坡结构的俯视图；

图3为本发明的一种刚柔协同生态护坡结构的双层毛细阻滞效应屏障层渗透系数随基质吸力的变化示意图。

其中：1、混凝土压顶；2、拦挡网；3、刚柔协同结构；31、粗粒土层；32、非饱和导排砂层；33、细粒土层；34、柔性植被层；4、生态植生混凝土格栅；5、横向排水沟；6、中部抗倾覆桩；7、固坡土工袋；8、生态土工袋；9、聚乳酸可生物降解土工布；10、底部混凝土挡板；11、生态植生防护石区；111、石笼；112、倒梯形石笼抛石层；12、砂砾石垫层；13、底部抗倾覆桩；14、反折纤维网；15、伸缩缝；16、纵向排水沟。

具体实施方式

为了使本发明实施例公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，一种刚柔协同生态护坡结构，包括由下游到上游依次布置的生态植生防护石区11、消落带过渡区和植物根系锚固区，其中，生态植生防护石区11设置于河道边坡低水位以下，消落带过渡区设置于河道边坡消落区，即消落带过渡区铺设于河道常年低水位与高水位之间，植物根系锚固区设置于河道边坡高水位以上，消落带过渡区和植物根系锚固区还设置有横向排水沟5，横向排水沟5面向植物根系锚固区的一侧开设有排水孔，且消落带过渡区和植物根系锚固区均为刚柔协同结构3。

具体的，刚柔协同结构3包括由下到上依次设置的刚性固坡层和柔性植被层34，刚性固坡层包括由下到上依次铺设的细粒土层33、非饱和导排砂层32和粗粒土层31组成的双层毛细阻滞效应屏障层；消落带过渡区的刚柔协同结构3还包括依次铺设于双层毛细阻滞效应屏障层顶端的聚乳酸可生物降解土工布9和生态植生混凝土格栅4，消落带过渡区的柔性植被层34包括经反折纤维网14固定于边坡上的土工袋组和依次喷播于土工袋组上的基质层和种子层，种子层为香蒲、芦苇、桃叶蓼、茵陈蒿、千屈菜中的一种及其任意组合，聚乳酸可生物降解土工布9的上下两端分别与横向排水沟5和设置于坡底的混凝土挡板锚固连接；植物根系锚固区的刚柔协同结构3还包括依次铺设于双层毛细阻滞效应屏障层顶端的生态植生混凝土格栅4和拦挡网2，拦挡网2的顶端伸出边坡后经混凝土压顶1固定，拦挡网2的底端与横向排水沟5锚固连接，植物根系锚固区的柔性植被层34包括依次喷播于生态植生混凝土格栅4上的基质层和种子层，种子层为酸枣、紫花苜蓿、草地早熟禾、黑麦草、狗牙根、无芒雀麦中的一种及其任意组合；基质层包括河道泥沙、改良剂、肥料、混合种子、保水剂、粘合剂、微生物制剂。

土工袋组包括由下到上呈阶梯结构设置的固坡土工袋7和生态土工袋8，固坡土工袋7内填充有沙石，生态土工袋8内填充有多孔生态陶粒和种植土。

消落带过渡区的生态植生混凝土格栅4上均匀设置有多条与横向排水沟5渠连通的纵向排水沟16，纵向排水沟16与生态植生混凝土格栅4之间设置有伸缩缝15，伸缩缝15内填充有聚乙烯闭孔泡沫板、沥青杉板或者沥青砂板；横向排水沟5的底端经中部抗倾覆桩6固定于边坡上。

生态植生防护石区11包括铺设于位于护脚区域的砂砾石垫层12顶端的多个石笼111，多个石笼111呈阶梯布置，且石笼111内填充有石块和水生植物生态球，且水生植物生态球紧贴石笼111内壁布置；石笼111与底部混凝土挡板10之间填充有碎石或者砂砾，最底层石笼111且远离边坡的一侧设置倒梯形石笼抛石层112；砂砾石垫层12经底部抗倾覆桩13固定。

一种刚柔协同生态护坡结构的施工方法，包括以下步骤：

S1、制备原材料：

S11、制备多孔生态陶粒：将30%-40%的河道泥沙和60%-70%外源工业固体废弃物混合均匀后，在400℃-600℃温度条件下预热，而后在焙烧温度为1000℃-1200℃的条件下烧制，得到直径为10mm-30mm、孔隙率为40%-50%的多孔生态陶粒；

S11所述的外源工业固体废弃物的成分配比为：高炉渣10%-15%、粉煤灰15%-20%、污泥20%-25%；

S12、制备生态植生混凝土格栅4：将步骤S11中制备的多孔生态陶粒作为粗骨料，按照配比将粗骨料60%-70%、水泥10%-20%、粉煤灰10%-15%、减水剂0.3%-1%、水5%-10%混合均匀后浇筑到模具中，养护设定时间后脱模，获得生态植生混凝土格栅4，具有轻质高强，方便施工的特点，可降低结构整体重量，且具有较多联通孔隙，能够为格栅内护坡植被的生长提供良好的生存环境；

在步骤S12中，制备的生态植生混凝土格栅4为正六边形，交点处设置用于固定的锚固件；

S13、制备水生植物生态球：将步骤S11中制备的多孔生态陶粒混合基质（本实施例中，基质包括河道泥沙、改良剂、肥料、保水剂、粘合剂）和水生种子、微生物后填充至天然纤维网中，获得水生植物生态球，在种子萌发初期，选择天然纤维网包裹生态球，减缓基质和土壤的流失；

S2、基础准备和护脚施工：在河道的护脚区域钻孔并插入底部抗倾覆桩13，在底部抗倾覆桩13顶端的河道的护脚区域铺设砂砾石垫层12，且使得底部抗倾覆桩13嵌入砂砾石垫层12内部；

在步骤S2中，底部抗倾覆桩13的直径为30cm，间距为4m，深度为2m；砂砾石垫层12的厚度为30cm，最大粒径不超过30mm，砂砾石垫层12的每边超出基础外边缘的宽度为200mm-300mm；

S3、在河道低水位以下施工生态植生防护石区11：在河道边坡的坡底插入底部混凝土挡板10，并在底部混凝土挡板10背离边坡一侧的砂砾石垫层12顶端铺设呈阶梯布置的多个石笼111，阶梯式结构用于提升坡面防护和冲刷防护性能，且在石笼111的内部填充块石和步骤S13制备的水生植物生态球，且使得水生植物生态球紧贴石笼111内壁，在石笼111和底部混凝土挡板10之间填充碎石或者砂砾，并在石笼111面向边坡的一侧铺设反过滤聚乳酸可生物降解土工布9，同时对位于边缘位置的石笼111封口，最后在最底层石笼111且远离边坡的一侧设置倒梯形石笼抛石层112，倒梯形石笼抛石层112填埋于河床底部，提高结构整体稳定性和抗冲刷能力；且砂砾反滤层铺设宽度大于倒梯形石笼抛石层112，保证基础稳定；

在施工过程中，石笼111层与层之间码砌装配时应上下交错搭接且未出现通缝，以增强整体的稳固性，当石笼111墙体上表面与碎石填充至同等平面时，方可进行上一层的石笼111码砌。码砌过程中，检查当前石笼111码砌层的碎石填充是否密实、上表面是否平整。

在步骤S3中，单个石笼111的长度为1.0m，宽度为0.5m，高度为0.5m，装填厚度不大于35cm；

S4、在边坡的消落区施工消落带过渡区：在消落带过渡区由下到上铺设双层毛细阻滞效应屏障层和聚乳酸可生物降解土工布9，并将聚乳酸可生物降解土工布9的底端与底部混凝土挡板10固定连接，再在聚乳酸可生物降解土工布9的顶端铺设步骤S12制备的生态植生混凝土格栅4，并将生态植生混凝土格栅4锚固至边坡上，再向生态植生混凝土格栅4内部且沿边坡由上到下铺设多组土工袋组，每组土工袋组均经反折纤维网14定位，反折纤维网14的端部固定于边坡上，提高抗冲刷性能，且每组土工袋组均包括由下到上依次铺设的固坡土工袋7和生态土工袋8，固坡土工袋7内填充有沙石，生态土工袋8内填充有步骤S11制备的多孔生态陶粒和种植土，最后依次喷播基质层和种子层；

在步骤S4中，聚乳酸可生物降解土工布9为搭接结构或者缝接结构，当为搭接结构时，相邻两块聚乳酸可生物降解土工布9之间经U型钉搭接，且搭接重合范围不小于50cm，上游聚乳酸可生物降解土工布9覆盖在下游块聚乳酸可生物降解土工布9顶端，当预估聚乳酸可生物降解土工布9在使用期间可能发生较大位移而使聚乳酸可生物降解土工布9拉开时采用缝接；生态植生混凝土格栅4的预制强度不低于C20，边长1.732米；固坡土工袋7和生态土工袋8的袋体摊平尺寸均为：长0.75m、宽0.55m、厚0.3m，填充率为75%-85%；每组土工袋组的高度为1.5m-2m，反折纤维网14包裹的长度不小于2m，沿边坡水平方向需进行搭接，搭接长度不小于0.5m，反折纤维网14为由包裹有聚氯乙烯树脂的碳素弹簧钢丝的网状制品，具有强度高、稳定性好、低延伸和耐腐蚀的良好性能，能使其在边坡冲刷环境下确保其锚固强度；沿生态植生混凝土格栅4纵向每隔10m-15m设置1道伸缩缝15，伸缩缝15宽度为20-30mm，伸缩缝15内填充有聚乙烯闭孔泡沫板、沥青杉板或者沥青砂板，并在伸缩缝15处设置纵向排水沟16；喷播的种子层为香蒲、芦苇、桃叶蓼、茵陈蒿、千屈菜中的一种及其任意组合，具有耐水淹、抗洪涝、生命力顽强、根系发达的特点；

S5、施工消落带过渡区和植物根系锚固区之间的横线排水沟：在消落带过渡区和植物根系锚固区之间横向钻孔，并将中部抗倾覆桩6嵌入钻孔内部，将横线排水沟置于中部抗倾覆桩6的顶端，且使得中部抗倾覆桩6的顶端插入横线排水沟，再将聚乳酸可生物降解土工布9锚固于横向排水沟5上；

在步骤S5中，横向排水沟5的深度为0.5m，宽度为0.5m，横向排水沟5面向植物根系锚固区的一侧开设有排水孔；中部抗倾覆桩6的直径为30mm，长度为1.5m，钻孔直径为35mm，注浆材料为C30水泥浆；

S6、在河道高水位以上施工植物根系锚固区：在植物根系锚固区由下到上铺设双层毛细阻滞效应屏障层、步骤S12制备的生态植生混凝土格栅4和拦挡网2，并将拦挡网2向边坡顶端延伸，再用混凝土压顶1固定伸出边坡的拦挡网2，锚固连接拦挡网2的底端和横向排水沟5，最后依次喷播基质层和种子层。

在步骤S6中，拦挡网2的直径为30mm-60mm，伸出边坡的长度为5m；种子层的厚度为5mm-30mm；喷播的基质层包括河道泥沙71.35%、改良剂0.25%、肥料15%、保水剂0.4%、粘合剂10%、微生物制剂3%、以及混合种子35g/m²；喷播的种子层为酸枣、紫花苜蓿、草地早熟禾、黑麦草、狗牙根、无芒雀麦中的一种及其任意组合，以借助根系固定坡体，防止坡体受到风化侵蚀和水土流失，还可以美化环境，提高绿化覆盖率；

步骤S2和步骤S6所述的双层毛细阻滞效应屏障层均包括由上到下依次铺设的细粒土层33、非饱和导排砂层32和粗粒土层31，其中细粒土层33的粒径为50mm-100mm，非饱和导排砂层32的粒径为100mm-200mm，粗粒土层31的粒径为100mm-200mm；且非饱和导排砂层32由方孔筛筛分河道泥沙获得，河道泥沙的成分为无机硅酸盐，0.15mm方孔筛累计筛余为100%-90%，0.3mm方孔筛累计筛余为85%-55%，0.6mm方孔筛累计筛余为40%-16%，1.18mm方孔筛累计筛余为25%-0%。

由于非饱和导排砂层32具有良好的侧向导排作用，故能够与细粒土层33和粗粒土层31分别形成两道毛细阻滞作用屏障，为边坡提供良好的防渗排水性能，增强边坡土体的稳定性。

如图3所示，一种刚柔协同生态护坡结构的护坡方法，由于由种植层生长的植物根系伸入细粒土层33，故晴天时，在植物茎叶蒸腾作用下，细粒土层33吸收水分，为植被根系储存生长所需水分；

降雨时，细粒土层33与非饱和导排砂层32之间的界面基质吸力达到进水值，使得细粒土层33与非饱和导排砂层32的第一道毛细阻滞效应失效，且非饱和导排砂层32与粗粒土层31之间的界面基质吸力小于进水值，非饱和导排砂层32与粗粒土层31形成的第二道毛细阻滞效应屏障有效，此时水分在非饱和导排砂层32的侧向导排作用下，依次由排水孔、横向排水沟5和纵向排水沟16排入河道内部。

而且在水位变化和降雨时，生态植生混凝土格栅4依靠自重和锚固作用紧贴边坡表面，抵抗水的浮力和侧向压力，土壤发生滑动时，生态植生混凝土格栅4还将承受土壤的剪切力以保持坡面稳定，发挥刚性作用；土工袋和植被根系吸收和排出多余的水分，减轻土壤的压力，防止滑坡和泥沙流失，实现柔性协同作用。

因此，本发明采用上述刚柔协同生态护坡结构、施工方法及护坡方法，利用刚柔协调结构，可以改善边坡的水力-力学环境以及河道生态环境，实现生态边坡防河水冲刷、高水位以上河道边坡的防强降雨冲刷，有利于维持生态环境的长期稳定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种刚柔协同生态护坡结构，其特征在于：包括由下游到上游依次布置的生态植生防护石区、消落带过渡区和植物根系锚固区，其中，生态植生防护石区设置于河道边坡低水位以下，消落带过渡区设置于河道边坡消落区，植物根系锚固区设置于河道边坡高水位以上，消落带过渡区和植物根系锚固区还设置有横向排水沟，横向排水沟面向植物根系锚固区的一侧开设有排水孔，且消落带过渡区和植物根系锚固区均为刚柔协同结构；

刚柔协同结构包括由下到上依次设置的刚性固坡层和柔性植被层，刚性固坡层包括由下到上依次铺设的细粒土层、非饱和导排砂层和粗粒土层组成的双层毛细阻滞效应屏障层；

消落带过渡区的刚柔协同结构还包括依次铺设于双层毛细阻滞效应屏障层顶端的聚乳酸可生物降解土工布和生态植生混凝土格栅，消落带过渡区的柔性植被层包括经反折纤维网固定于边坡上的土工袋组和依次喷播于土工袋组上的基质层和种子层，种子层为香蒲、芦苇、桃叶蓼、茵陈蒿、千屈菜中的一种及其任意组合，聚乳酸可生物降解土工布的上下两端分别与横向排水沟和设置于坡底的混凝土挡板锚固连接；

植物根系锚固区的刚柔协同结构还包括依次铺设于双层毛细阻滞效应屏障层顶端的生态植生混凝土格栅和拦挡网，拦挡网的顶端伸出边坡后经混凝土压顶固定，拦挡网的底端与横向排水沟锚固连接，植物根系锚固区的柔性植被层包括依次喷播于生态植生混凝土格栅上的基质层和种子层，种子层为酸枣、紫花苜蓿、草地早熟禾、黑麦草、狗牙根、无芒雀麦中的一种及其任意组合；

基质层包括河道泥沙、改良剂、肥料、混合种子、保水剂、粘合剂、微生物制剂。

2.根据权利要求1所述的一种刚柔协同生态护坡结构，其特征在于：土工袋组包括由下到上呈阶梯结构设置的固坡土工袋和生态土工袋，固坡土工袋内填充有沙石，生态土工袋内填充有多孔生态陶粒和种植土。

3.根据权利要求2所述的一种刚柔协同生态护坡结构，其特征在于：消落带过渡区的生态植生混凝土格栅上均匀设置有多条与横向排水沟渠连通的纵向排水沟，纵向排水沟与生态植生混凝土格栅之间设置有伸缩缝，伸缩缝内填充有聚乙烯闭孔泡沫板、沥青杉板或者沥青砂板；

横向排水沟的底端经中部抗倾覆桩固定于边坡上。

4.根据权利要求3所述的一种刚柔协同生态护坡结构，其特征在于：生态植生防护石区包括铺设于位于护脚区域的砂砾石垫层顶端的多个石笼，多个石笼呈阶梯布置，且石笼内填充有石块和水生植物生态球，且水生植物生态球紧贴石笼内壁布置；

石笼与底部混凝土挡板之间填充有碎石或者砂砾，最底层石笼且远离边坡的一侧设置倒梯形石笼抛石层；

砂砾石垫层经底部抗倾覆桩固定。

5.如上述权利要求4所述的一种刚柔协同生态护坡结构的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、制备原材料：

S11、制备多孔生态陶粒：将30%-40%的河道泥沙和60%-70%外源工业固体废弃物混合均匀后，在400℃-600℃温度条件下预热，而后在焙烧温度为1000℃-1200℃的条件下烧制，得到直径为10mm-30mm、孔隙率为40%-50%的多孔生态陶粒；

S12、制备生态植生混凝土格栅：将步骤S11中制备的多孔生态陶粒作为粗骨料，按照配比将粗骨料60%-70%、水泥10%-20%、粉煤灰10%-15%、减水剂0.3%-1%、水5%-10%混合均匀后浇筑到模具中，养护设定时间后脱模，获得生态植生混凝土格栅；

S13、制备水生植物生态球：将步骤S11中制备的多孔生态陶粒混合基质和水生种子、微生物后填充至天然纤维网中，获得水生植物生态球；

S2、基础准备和护脚施工：在河道的护脚区域钻孔并插入底部抗倾覆桩，在底部抗倾覆桩顶端的河道的护脚区域铺设砂砾石垫层，且使得底部抗倾覆桩嵌入砂砾石垫层内部；

S3、在河道低水位以下施工生态植生防护石区：在河道边坡的坡底插入底部混凝土挡板，并在底部混凝土挡板背离边坡一侧的砂砾石垫层顶端铺设呈阶梯布置的多个石笼，且在石笼的内部填充石块和步骤S13制备的水生植物生态球，且使得水生植物生态球紧贴石笼内壁，在石笼和底部混凝土挡板之间填充碎石或者砂砾，并在石笼面向边坡的一侧铺设反过滤聚乳酸可生物降解土工布，同时对位于边缘位置的石笼封口，最后在最底层石笼且远离边坡的一侧设置倒梯形石笼抛石层；

S4、在边坡的消落区施工消落带过渡区：在消落带过渡区由下到上铺设双层毛细阻滞效应屏障层和聚乳酸可生物降解土工布，并将聚乳酸可生物降解土工布的底端与底部混凝土挡板固定连接，再在聚乳酸可生物降解土工布的顶端铺设步骤S12制备的生态植生混凝土格栅，并将生态植生混凝土格栅锚固至边坡上，再向生态植生混凝土格栅内部且沿边坡由上到下铺设多组土工袋组，每组土工袋组均经反折纤维网定位，反折纤维网的端部固定于边坡上，且每组土工袋组均包括由下到上依次铺设的固坡土工袋和生态土工袋，固坡土工袋内填充有沙石，生态土工袋内填充有步骤S11制备的多孔生态陶粒和种植土，最后依次喷播基质层和种子层；

S5、施工消落带过渡区和植物根系锚固区之间的横线排水沟：在消落带过渡区和植物根系锚固区之间横向钻孔，并将中部抗倾覆桩嵌入钻孔内部，将横线排水沟置于中部抗倾覆桩的顶端，且使得中部抗倾覆桩的顶端插入横线排水沟，再将聚乳酸可生物降解土工布锚固于横向排水沟上；

S6、在河道高水位以上施工植物根系锚固区：在植物根系锚固区由下到上铺设双层毛细阻滞效应屏障层、步骤S12制备的生态植生混凝土格栅和拦挡网，并将拦挡网向边坡顶端延伸，再用混凝土压顶固定伸出边坡的拦挡网，锚固连接拦挡网的底端和横向排水沟，最后依次喷播基质层和种子层。

6.根据权利要求5所述的一种刚柔协同生态护坡结构的施工方法，其特征在于：S11所述的外源工业固体废弃物的成分配比为：高炉渣10%-15%、粉煤灰15%-20%、污泥20%-25%；

在步骤S12中，制备的生态植生混凝土格栅为正六边形，交点处设置用于固定的锚固件；

在步骤S2中，底部抗倾覆桩的直径为30cm，间距为4m，深度为2m；砂砾石垫层的厚度为30cm，最大粒径不超过30mm，砂砾石垫层的每边超出基础外边缘的宽度为200mm-300mm；

在步骤S3中，单个石笼的长度为1.0m，宽度为0.5m，高度为0.5m，装填厚度不大于35cm；

在步骤S4中，聚乳酸可生物降解土工布为搭接结构或者缝接结构，当为搭接结构时，相邻两块聚乳酸可生物降解土工布之间经U型钉搭接，且搭接重合范围不小于50cm，上游聚乳酸可生物降解土工布覆盖在下游块聚乳酸可生物降解土工布顶端；生态植生混凝土格栅的预制强度不低于C20，边长1.732米；固坡土工袋和生态土工袋的袋体摊平尺寸均为：长0.75m、宽0.55m、厚0.3m，填充率为75%-85%；每组土工袋组的高度为1.5m-2m，反折纤维网包裹的长度不小于2m，沿边坡水平方向需进行搭接，搭接长度不小于0.5m，反折纤维网为由包裹有聚氯乙烯树脂的碳素弹簧钢丝的网状制品；沿生态植生混凝土格栅纵向每隔10m-15m设置1道伸缩缝，伸缩缝宽度为20-30mm，伸缩缝内填充有聚乙烯闭孔泡沫板、沥青杉板或者沥青砂板，并在伸缩缝处设置纵向排水沟；喷播的种子层为香蒲、芦苇、桃叶蓼、茵陈蒿、千屈菜中的一种及其任意组合；

在步骤S5中，横向排水沟的深度为0.5m，宽度为0.5m，横向排水沟面向植物根系锚固区的一侧开设有排水孔；中部抗倾覆桩的直径为30mm，长度为1.5m，钻孔直径为35mm，注浆材料为C30水泥浆；

在步骤S6中，拦挡网的直径为30mm-60mm，伸出边坡的长度为5m；种子层的厚度为5mm-30mm；喷播的基质层厚度为100-200mm，包括河道泥沙71.35%、改良剂0.25%、肥料15%、保水剂0.4%、粘合剂10%、微生物制剂3%、以及混合种子35g/m2；喷播的种子层为酸枣、紫花苜蓿、草地早熟禾、黑麦草、狗牙根、无芒雀麦中的一种及其任意组合；

步骤S2和步骤S6所述的双层毛细阻滞效应屏障层均包括由上到下依次铺设的细粒土层、非饱和导排砂层100-200mm和粗粒土层100-200mm，其中细粒土层的粒径为50mm-100mm，非饱和导排砂层的粒径为100mm-200mm，粗粒土层的粒径为100mm-200mm；且非饱和导排砂层由方孔筛筛分河道泥沙获得，0.15mm方孔筛累计筛余为100%-90%，0.3mm方孔筛累计筛余为85%-55%，0.6mm方孔筛累计筛余为40%-16%，1.18mm方孔筛累计筛余为25%-0%。

7.如上述权利要求5所述的一种刚柔协同生态护坡结构的护坡方法，其特征在于：由于由种植层生长的植物根系伸入细粒土层，故晴天时，在植物茎叶蒸腾作用下，细粒土层吸收水分，为植被根系储存生长所需水分；

降雨时，细粒土层与非饱和导排砂层之间的界面基质吸力达到进水值，使得细粒土层与非饱和导排砂层的第一道毛细阻滞效应失效，且非饱和导排砂层与粗粒土层之间的界面基质吸力小于进水值，非饱和导排砂层与粗粒土层形成的第二道毛细阻滞效应屏障有效，此时水分在非饱和导排砂层的侧向导排作用下，依次由排水孔、横向排水沟和纵向排水沟排入河道内部。