1.5 河流护岸结构发展
河流护岸建设是“水利工程学”的一个重要内容。人类需要保护河道及其他水道的岸坡，这可以追溯到人类的早期文明。经过上千年的发展已形成了多种保护方式，许多应用天然材料的传统保护方法至今还发挥着重要作用，同时现代化的材料和工程系统正不断地发展和完善。护岸结构有多种分类方法，如根据使用的主要护岸材料可分为植物护岸、木材护岸、石材护岸、石笼护岸和混凝土护岸等多种类型；也可根据河道的断面形式可分为梯形护岸、矩形护岸、复合型护岸和双层护岸等类型。
本书在此提出了能反映护岸发展阶段的新分类方法，即不管护岸工程采用何种材料和结构形式，按设计出发点和目的的不同，我国现有的护岸形式可划分为工程型护岸、景观型护岸和生态型护岸等三种护岸类型。
1.5.1 工程型护岸
工程型护岸指确定加固处理岸坡方案仅出于防洪、输水和航运等工程需要，将原有天然岸坡改造为混凝土、砌石等为代表的刚性工程护坡。混凝土、浆砌块石等建筑材料的广泛采用原因是这些材料的抗冲、抗侵蚀性及耐久性好，同时对于输水的人工运河，还可减低糙率，提高输水效率，减少渗透损失。这种结构从传统的工程水利角度来看，是安全、经济和有效的，但它同时也破坏了原有的岸坡自然生态系统及其相应功能。
硬质化的护坡结构隔断了地表水与地下水的联系通道，阻碍了向地下水的补水过程，使大量水陆交错带的植物失去生存条件，同时也影响岸坡土壤中微生物的生存；另外，人工护坡的光滑表面也改变了原来天然岸坡的多孔特性，使鱼类难寻产卵的适宜场所［41］。典型的河流工程型护岸见图1.1，我国在十年前所建设的河流护岸基本上为此类型。
图1.1 河流硬质护岸 Fig.1.1 River horniness revetment
图1.2 北京昆玉运河景观护岸 Fig.1.2 Landscape revetment of Beijing Kunyu Canal
1.5.2 景观型护岸
景观型护岸也可称为亲水型护岸，是指确定加固处理岸坡方案时不仅考虑工程的安全性、经济性和有效性，同时还要满足人的视觉感观享受，提供人们一个亲水的空间。景观型护岸是在工程型护岸基础上的功能延伸，但对岸坡自然生态系统同样有破坏作用。以北京昆玉运河景观护岸（图1.2）为例，其采用了仿古汉白玉护栏和人工草皮护坡，且由于结构为二层台式，使人可以很容易接触到水体，进行游泳和垂钓等娱乐活动。以上做法虽然使河道整洁、美观，但人们看到的是禁锢在水泥槽中的人工河，而不是自然中的河流［42］。目前，我国正掀起建设景观型护岸的热潮。
1.5.3 生态型护岸
生态型护岸是指确定加固处理岸坡方案时不仅考虑工程的安全、经济和有效性和人的需要，同时还要考虑生态问题和环境问题，注意保存和增加生物的多样性和食物链的复杂性，积极为水生动物、两栖动物和昆虫等提供栖息空间。
目前，国内的一些河流治理已应用了生态护岸［［43-48］］，研究试验工作正在一些高校及科研院所展开，并取得了一定的成就。刘滨谊等［49］提出护岸规划设计的四大核心内容为：提升生态环境、结构稳定安全、视觉景观美化和亲水可游。俞孔坚等［50］以中山岐江公园为例进行了水位多变情况下的栈桥式生态护岸设计，该护岸由梯田式种植台、临水栈桥和水际植物群落三部分组成，实现了工程安全性、亲水和生态等多重效果。
日本一坂川护岸改造工程中为实现原氏萤火虫回归，根据萤火虫繁衍特点（图1.3）采取了如下综合措施［51］：①创造靠近水边的苔藓生长环境，潮湿而柔软的苔藓可为萤火虫提供产卵场所；②为保护幼虫不被冲走，建造小的落差和蛇行弯曲，形成缓急有致的水流；③尽量多造一些蛹化用的填土接缝；④在靠近水流的地方种植萤火虫喜爱栖息的水芹、艾蒿、龙须草和柳树等植物。改造后的一坂川护岸效果如图1.4所示。
图1.3 萤火虫繁衍循环示意图 Fig.1.3 Circulation of firefly multiplication
图1.4 日本一坂川萤火虫回归改造护岸 Fig.1.4 Reconstructed revetment for firefly return in Japan
常用的生态型护岸结构和材料汇总如下［［52-56］］：
1.笼石结构生态型护岸
此法为一传统型护岸方法，在20世纪90年代得到了广泛的应用。该法将方形式圆柱形的铁丝笼内装满直径不太大的自然石头，利用其挠性大，允许护堤坡面变形的特点用作为边坡护岸以及坡脚护底等，形成具有设定抗洪能力并具高孔隙率、多流速变化带的护岸。单纯的石笼是优良的护岸材料，但只有待泥沙淤积，茂密的水生植物（人工种植或自然生长）在其间生长之后，才能发挥作为鱼类和水生昆虫生存场所的多重效果。与此同时，植物繁茂的根须可紧缚土壤、增强抗洪能力，且在铁丝腐蚀前就裹住了石笼石材，石笼寿命得以延长。
目前笼石结构在防锈蚀措施方面做出了改进。一是通过加大镀锌量来克服网笼易锈蚀的缺点；二是附加保护是在镀锌表面外加PVC涂层，以用于腐蚀环境中。根据国外的应用情况，PVC涂层的镀锌钢丝网笼在较差的水环境中寿命达60年以上。美国自然资源保护署（NRCS）推荐，在pH值小于5.5的酸性环境中和在pH值大于11.0的碱性环境中使用PVC涂层的镀锌钢丝材料。
因为采用网笼定型产品，不需现场编制，在施工现场安装更简便，工人不需要特别技术就可很方便快捷的安装好符合要求的网笼产品，工程质量容易控制。其一个最大的优点就是它比较适合于流速大的河道，抗冲刷能力强、整体性好、适应地基变形能力强，避免了预制的混凝土块体护坡的整体性差和现浇混凝土护坡与模袋混凝土护坡适应地基变形能力差的弱点，同时又能满足生态型护坡的要求，即使进行全断面护砌，生物与微生物都能照样生存。
总体上来说，笼石结构由于采用增加钢丝镀锌厚度及PVC涂层，以提高网笼的防锈蚀性，延长笼石结构寿命，使材料费增加较大。但在一般护岸工程条件下，浆砌石结构和笼石结构相比，如浆砌石结构的基础处理难度越大，浆砌块石料的运距越远，则笼石结构施工简便、填料卵石容易获得的优点就越显突出，笼石方案就显出其较好的综合经济性。计划类似于其他形式的挡墙，笼石挡墙的结构设计的漓江护岸笼石挡土墙试验段——杨梅坪堤段，其笼石方案和浆砌石方案的投资比较结果：笼石方案投资516万元，浆砌石方案投资522万元。与浆砌石挡墙方案相比，笼石挡墙方案材料费虽高，可总的工程费用却略低，对漓江风景区，笼石结构有其经济优越性。
2.土工网复合植被技术
在冲刷不很严重的岸坡上如采用网笼垫块护岸，则结构安全有余而景观尚欠自然，费用也高。新兴的复合植被技术（或称草皮加筋技术）提供了解决这一问题的方向，而该技术本身又是近年来土工材料往高强度长寿命方向研究发展的产物。
复合植被是在纯草皮存在易遭受强降雨或常年被坡面径流的冲蚀而导致边坡失稳、滑坍等缺陷的基础上发展起来的，是在土质边坡上铺一层三维高强土工塑料网，并用U形钉固定，然后种植草籽或草皮，当植被生长茂盛后，高强土工网有使草更均匀地、更紧密地生长在一起，形成牢固的网、草、土整体铺盖，对坡面起到浅层加筋的作用，从而防止坡面被暴雨冲刷并阻止坡面表层土体滑动。由于密集植被根系和高强土工网紧密交织、共同作用，加筋草皮能够抵抗4m/s的坡面流速冲刷达50h之久。
（1）土工网垫固土种植基。土工网垫固土种植基主要由聚乙烯、聚丙烯等高分子材料制成的网垫和种植土、草籽等组成。固土网垫是由多层非拉伸网和双向拉伸平面网组成，在多层网的交接点经热熔后黏结，形成稳定的空间网垫。该网垫质地疏松、柔韧，有合适的高度和空间，可充填并存储土壤和砂粒。植物的根系可以穿过网孔均衡生长，长成后的草皮可使网垫、草皮、泥土表层牢固地结合在一起。固土网垫一般可由人工铺设，植物种植一般采用草籽加水力喷播技术完成。
（2）土工格栅固土种植基。主要是用土工格栅进行土体加固，并在边坡上植草固土。土工格栅是以聚丙烯、高密度聚乙烯为原料，经挤压、拉伸而成，有单向、双向土工格栅之分。设置土工格栅，增加了土体摩阻力，同时土体中的孔隙水压力也迅速消散，所以增加了土体整体稳定和承载力。而且，由于格栅的锚固作用，抗滑力矩增加，草皮生根后草、土、格栅形成一体，更加提高了边坡的稳定性。
（3）土工单元固土种植基。利用聚丙烯、高密度聚乙烯等片状材料经热熔黏结成蜂窝状的网片整体，在蜂窝状单元中填土植草，达到固土护坡的作用。
3.网格反滤生物工程
网格反滤生物组合护坡，即在坡面上砌筑方格，在格内栽种固土植物，可以选择的主要有：沙棘林、刺槐林、墨穗醋栗、黄檀、胡枝子、池杉、龙须草、金银花、紫穗槐、油松、黄花、常青藤、蔓草等等，在长江中下游地区还可以选择芦苇、野茭白等，可以根据该地区的气候选择适宜的植物品种。
该护坡工程特点是投资少，见效快，易排水，防冲刷，抗冻涨，为土渠衬砌创出一条既经济又实用的新技术。引滦入唐工程，1993年网格反滤生物组合护坡试验成功。
4.植被型生态混凝土
植被型生态混凝土是日本近年在河道护坡方面作出的研究，主要由多孔混凝土、保水材料、难溶性肥料和表层土组成。多孔混凝土由粗骨料、混有高炉炉渣和硅灰的水泥、适量的细料组成，是植被型生态混凝土的骨架。保水材料常用无机人工土壤、吸水性高分子材料、苔泥炭及其混合物。表层土铺设有多孔混凝土表面，形成植被发芽空间，同时提供植被发芽初期的养分。在城市河道护坡或护岸结构中可以利用生态混凝土预制块体做成砌体结构挡土墙，或直接作用为护坡结构。
5.水泥生态种植基
水泥生态种植基在国内国外均有研究。它是由固体、液体和气体三相组成的具有一定强度的多孔性材料。固体物质主要包括适合于植被生长的土壤、肥料、有机质及由低碱性的水泥、河砂组成的胶结材料等。在种植基固体物质间，由稻草秸秆等成孔材料形成孔隙，以便为植物提供充足的水分和空气。在种植基内还可填充保水剂，保持植物在常日照坡面能很好生长。
6.多孔质护岸
多孔质护岸形式主要有用混凝土预制件构成的各种带有孔状的适合动植物生存的护岸结构，如不规则鱼巢结构、盒式结构、自然石连接等结构形式。多孔质护岸大多是预制构件，施工方便，既为动植物生长提供了有利条件，又抗冲刷，是生态护岸中较有代表性的一类护岸型式，该种护岸在日本研究应用比较多，国内较少。
从护岸所考虑因素侧重的角度可以把环境护岸划分为生态型护岸和景观型护岸。多孔质护岸兼顾了生态型护岸和景观型护岸的要求，从而成为值得推广的新型护岸。
对于不同类型的护岸（此处按陡坡护岸、缓坡护岸和抗冲护岸来划分）有不同的结构，常用的几种简列如下：
多孔质护岸优点在于：多为预制件结构，施工简单快捷；多孔结构符合生态设计原理，利于植物生长，小生物繁殖；有一定的结构强度，耐冲刷；对护坡起着保护作用，防止泥土的流失；对于水质污染有着一定的天然净化作用。
7.多自然型护岸
目前，在国内外河流治理工程中，对于流路短、冲刷不太严重的河流，护岸趋向于以自然的植被、原石、木材等材料来替代混凝土，尽量创造多自然型的河道，在日本和台湾这种被称作“近自然工法”和“生态工法”的河道治理方法比较普遍。如朝仓川（丰桥市）的河道整治工程，以纵横圆木作水下部分的护岸，为水生物提供良好的生态空间。在水流冲刷部的岸边堆上较大的天然石块，以抵抗水流的冲刷；鞍流濑川（大府市）的防洪工程，以天然石块做护岸保证河岸不被洪水冲坏。河床里种上柳树等树木，洪水来时柳树会顺势倒下，对河道行洪不会造成大的阻碍。野生的芦苇、真蔬等水生植物和柳树一起构成了河道的绿色景观，同时保护了昆虫、鱼类的生息环境。再如台北市南港四分溪整治工程采用了半重力式结构护岸，表面以天然块石衬砌；型框护岸除稳定步道基脚，维护步道畅通外，还可种植绿化；台湾的七家湾溪河川治理中，采用蛇笼加筋格网护岸形式。我国以自然块石堆砌护岸的例子也为数不少，如杭州市古荡沿山河、浙江绍兴县鉴湖、杭州市古新河、杭州市冯家桥河和天台县始丰溪等。