現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土在河道邊坡工程中的應(yīng)用

劉 峰，顏庭成

(1．南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210093;2．江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇南京210007)

現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土在河道邊坡工程中的應(yīng)用

劉 峰1，2，顏庭成2

(1．南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210093;2．江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇南京210007)

針對(duì)傳統(tǒng)護(hù)坡工程方法在河道邊坡工程生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)方面的缺陷，提出了新型現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土護(hù)坡技法，優(yōu)化設(shè)計(jì)了該技法組成材料，并對(duì)生態(tài)混凝土的耐久性、植生能力和凈水性能進(jìn)行了綜合分析。通過該技法在泰州周山河河道邊坡生態(tài)治理工程中的實(shí)際應(yīng)用，認(rèn)為所提出的現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土護(hù)坡技法不僅能充分保證護(hù)坡工程的安全性，還可維持和改善周邊生態(tài)環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)。

現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土;配合比設(shè)計(jì);植生;生態(tài)型護(hù)坡技法;江蘇泰州

0 引言

河道邊坡由于降雨、波浪沖刷以及水位升降等因素造成侵蝕，使得坡面的抵抗力變?nèi)?，常需要?duì)淹水區(qū)邊坡進(jìn)行護(hù)理。對(duì)河道邊坡進(jìn)行防護(hù)，必須考慮邊坡穩(wěn)定和環(huán)境保護(hù)問題。既要保護(hù)路基邊坡表面免受河水侵蝕、雨水沖刷，防止和延緩軟巖土表面的風(fēng)化、破碎、剝蝕演變過程來(lái)保護(hù)路基的整體穩(wěn)定性;又要使工程對(duì)環(huán)境的擾亂程度減少到最小，并謀求人工構(gòu)造物與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。傳統(tǒng)的護(hù)坡工程常采用在過濾層上鋪設(shè)拋石和現(xiàn)場(chǎng)澆筑普通混凝土兩種護(hù)坡方式對(duì)淹水區(qū)邊坡進(jìn)行防護(hù)(吳美安，2003)。但實(shí)踐證明，拋石法需要拋填大量的石塊，雖然其耐風(fēng)化性好且材質(zhì)堅(jiān)固，但整個(gè)工程需要進(jìn)行高額的投資?，F(xiàn)場(chǎng)普通混凝土所形成的護(hù)坡面對(duì)坡面下沉變形的應(yīng)變協(xié)調(diào)性差，通常會(huì)造成自身開裂，從而造成坡面易被沖刷(尤其對(duì)于堆土材料為松軟土質(zhì)的淹水區(qū)坡面)。最后，采用拋石和現(xiàn)場(chǎng)普通混凝土護(hù)坡方式無(wú)法改善景觀性和自然環(huán)境。針對(duì)上述傳統(tǒng)護(hù)坡方法的缺陷，現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土可以根據(jù)不同的功能需求，通過選擇合適的粗骨料級(jí)配和細(xì)砂含量，以及不同的水灰比、外加劑來(lái)滿足實(shí)際工程需要的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性(劉榮桂等，2006)。同時(shí)，現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土具有較大的透水系數(shù)和孔隙率，使其具有自然凈化水質(zhì)(生態(tài)清淤技術(shù))、實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)(植生)、防波浪沖刷、自然排水透水(護(hù)坡)以及消波降噪等優(yōu)點(diǎn)，可有效改善自然生態(tài)環(huán)境以及營(yíng)造城市景觀。因此，對(duì)于現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土在河道邊坡的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)方面，應(yīng)用前景十分廣闊。

1 現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土的技術(shù)研究

1．1 材料選用

現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土是通過選用粗骨料、水泥、耕土、粉煤灰、礦渣、有機(jī)肥、各種添加劑等拌制而成的一種多孔混凝土，其表面包裹著一薄層水泥漿的粗骨料相互粘結(jié)而形成孔隙均勻連續(xù)分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，形成了其最主要的內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。因此，對(duì)試驗(yàn)原材料的選用(主要是水泥強(qiáng)度等級(jí)、組成成分、粗骨料種類、粒徑以及化學(xué)添加劑性能等)就顯得尤為重要。

粗骨料：?jiǎn)我患?jí)配的骨料，可以采用普通碎石、卵石，也可以采用浮石以及人造多孔性輕質(zhì)材料，甚至可以采用廢棄的碎磚、玻璃、混凝土等。骨料的粒徑范圍為2．5mm～25mm。

細(xì)骨料：河砂、海砂，碎石砂等，粒徑范圍為1.2mm～10mm。

水泥：普通波特蘭硅酸鹽水泥、高爐水泥B等。

保水劑：SAP高吸水樹脂(簡(jiǎn)稱SAP)、聚丙稀酰胺(PAM)和甲基纖維素(CMC)。

添加劑：SR-3/SR-4(生態(tài)混凝土專用添加劑，以碳酸鈣、硅石粉、機(jī)能性無(wú)機(jī)鹽及改性聚羧酸組成的復(fù)合物)，提高生態(tài)混凝土的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性，控制和保證其物理特征(透水性、孔隙率、均一性等)，改善其內(nèi)部和表面的化學(xué)特征(化學(xué)抵抗性、酸堿度、生物親和性等)。

1．2 配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

混凝土配合比設(shè)計(jì)是涉及混凝土生產(chǎn)和使用整個(gè)過程中的最重要的環(huán)節(jié)之一，由于現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土研究和應(yīng)用時(shí)間較短，到目前為止還沒有一種得到廣泛認(rèn)同的標(biāo)準(zhǔn)方法，而普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)(水膠比等)以保羅米公式為基礎(chǔ)，并具體考慮混凝土強(qiáng)度等級(jí)、外加劑的減水效率、混凝土工作性要求等因素，形成了工程上較為通用的設(shè)計(jì)方法。本次研究基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立了現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土配合比設(shè)計(jì)模型，用于指導(dǎo)生態(tài)混凝土配合比設(shè)計(jì)。通過不同配合比生態(tài)混凝土的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以配合比數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的樣本，以混凝土的各組分質(zhì)量和混凝土配合比參數(shù)為輸入單元，建立了生態(tài)混凝土的強(qiáng)度、孔隙和耐久性模型。

1．3 基本物理力學(xué)性能

1．3．1 孔隙率 由于現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土表面如米花糖狀，孔隙較多，因此其孔隙率需通過特殊手法來(lái)測(cè)定：先測(cè)定試件在空氣中的質(zhì)量，再測(cè)定其飽水后的質(zhì)量，最后求得該試件的孔隙率。具體步驟如下：體積為V的試件自然養(yǎng)護(hù)7d，烘干稱得干重D，然后在(20+3)℃的水中浸泡41d，測(cè)得試件在水中的質(zhì)量S。由公式P=(D－S)/V求得各個(gè)試件的孔隙率P，取其平均值即為該多孔混凝土的孔隙率。結(jié)果表明，現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土孔隙率在15% ～30%之間。

1．3．2 孔隙內(nèi)pH值 采用取出固液萃取法來(lái)制備溶液測(cè)定多孔混凝土的pH值。具體步驟如下：將生態(tài)混凝土試塊破碎，充分研磨，過篩(用0.08mm方孔篩)，稱取10g，然后加入10倍重量的蒸餾水中，用橡皮塞塞緊以防碳化，每隔約5min震動(dòng)均勻1次，2h后過濾，使用濾液的pH值。經(jīng)測(cè)定，摻加了添加劑，齡期為7d的現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土的pH值維持在10左右，這樣低堿性的環(huán)境有利于植物和水中生物的生長(zhǎng)。

1．3．3 抗壓強(qiáng)度 試件尺寸為150mm×50mm×150mm，按照GB 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(金偉良等，2002)，根據(jù)公式N=P/A求得7d和28d的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，該生態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到15N/mm2～30N/mm2，能滿足一般護(hù)坡的要求。

1．4 耐久性損傷分析

通過對(duì)現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土的凍融耐久性試驗(yàn)分析得出：配有SR-3/SR-4添加劑的生態(tài)混凝土具有良好的強(qiáng)度和力學(xué)性能，在確?？紫堵什坏陀?5%及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，抗壓強(qiáng)度可達(dá)10MPa～35MPa，能滿足護(hù)坡功能要求(陳楊輝等，2007;朱啟貴等，2010)。其在凍融試驗(yàn)中，經(jīng)過50次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失6．3%，強(qiáng)度損失17．2%，表現(xiàn)出了良好的抗凍脹循環(huán)應(yīng)力性能，具有很好的凍融耐久性，能有效減緩實(shí)際裂縫的擴(kuò)展(劉榮桂等，2005)。

1．5 護(hù)坡性能

1．5．1 透水性 透水性是生態(tài)混凝土的一個(gè)重要指標(biāo)之一(陳志山，2001;王武祥等，1996)，它的大小隨基礎(chǔ)材料的顆粒組成不同而有所差異，但對(duì)于現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土來(lái)說(shuō)，要達(dá)到植生效果，其透水系數(shù)必須大于1mm/s。本次研究通過添加SR-3/SR-4無(wú)機(jī)質(zhì)混合材料的多孔混凝土，保持水灰比在0．40～0．60之間，可使其透水性普遍達(dá)到7mm/s以上，透水性良好，滿足植物生長(zhǎng)的要求。

1．5．2 護(hù)坡消波性能 現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土護(hù)坡技法相對(duì)于傳統(tǒng)護(hù)坡技法，無(wú)論波浪的強(qiáng)弱、高低，其消波的效果都非常顯著。當(dāng)坡面受到波浪沖擊時(shí)，波浪會(huì)侵入到多孔的生態(tài)混凝土層的連續(xù)狀孔隙中去，波浪在通過孔隙中的復(fù)雜路徑時(shí)，相互之間不斷發(fā)生沖撞，加上路徑壁面的摩擦作用，使得波浪的流速大幅下降。另外，在坡體表面上，連續(xù)性孔隙的開口處呈現(xiàn)凸凹狀，使得波浪在此沖撞時(shí)發(fā)生反射，從而改變了波浪的流動(dòng)方向，減弱了波浪的強(qiáng)度。

1．6 凈化水質(zhì)性能

現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土是一類特種混凝土，具有較小的孔徑和較大的比表面積。一方面，當(dāng)水通過生態(tài)混凝土濾層時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)、物理、物理化學(xué)及逐漸形成的生物膜的生物化學(xué)作用，清除和降解污染物質(zhì)。多孔生態(tài)混凝土的連續(xù)孔隙，可為微生物提供生存空間，同時(shí)也為微生物生長(zhǎng)提供了載體，微生物和微小動(dòng)物在多孔混凝土表面及連續(xù)孔隙內(nèi)棲息繁衍，形成生物膜。另一方面，由于多孔混凝土較大的比表面積，具有較好的吸附能力，可降低水體中的污染物質(zhì)。在水與多孔混凝土接觸的局部范圍內(nèi)，由于水泥在水化過程中會(huì)不斷溶出Ca(OH)2，起到無(wú)機(jī)混凝劑的作用，使水體中的膠體物質(zhì)部分混凝沉淀，從而達(dá)到水質(zhì)凈化的目的(宋志斌等，2006)。

同時(shí)，由于河流水位的周期變化，邊坡的水位變動(dòng)區(qū)是一個(gè)由水、水生生物、空氣組成的生態(tài)系統(tǒng)，在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，水生植物以及附在上面的微生物、昆蟲是生態(tài)系統(tǒng)生物鏈的重要環(huán)節(jié)和水環(huán)境的核心組成部分?，F(xiàn)澆透水性混凝土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及可植性，可以有效促進(jìn)河道岸坡的生態(tài)系統(tǒng)的建立。水生植物能有效吸收水中的N、P以及難以降解的持久性污染物，改善河流的水質(zhì)(羅楠，2006;陳楊輝等，2007)。

1．7 植生性能

在河道水位以上采用植生性生態(tài)混凝土+客土噴播，即在現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土坡面上覆蓋植被材料，為植物的幼芽和根須提供最初的養(yǎng)分供給和生存環(huán)境，直到植物的根須伸入到生態(tài)混凝土層，便完成了邊坡綠化功能，綠化效果可使兩岸坡面景觀與周邊環(huán)境融為一體。

1．8 與傳統(tǒng)混凝土護(hù)坡效果的比較

表1是現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土與傳統(tǒng)混凝土的護(hù)坡效果比較(陳志山，2001;董建偉等，2002;李化建等，2005;Wong Nyukhien et al，2003)。

表1 現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土與傳統(tǒng)混凝土的護(hù)坡效果比較

2 泰州周山河河道邊坡生態(tài)治理工程

2．1 工程概況及目的

泰州周山河整治工程是泰州市通南地區(qū)的主要區(qū)域性骨干河道。其中整治工程一期為2008年度工程項(xiàng)目，工程位于泰州市周山河街區(qū)范圍內(nèi)。周山河河道地面標(biāo)高5．20m，河道水位標(biāo)高3.80m，地面到河床底4m～5m，河床寬5m～6m，河岸一側(cè)坡度在30°以內(nèi)，另一側(cè)在20°以內(nèi)。河道生態(tài)治理范圍約120m，兩側(cè)河道邊坡穩(wěn)定，坡面地層裸露，與周邊景觀不協(xié)調(diào)。工程在滿足生態(tài)、綠化、環(huán)保、節(jié)能的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用新型生態(tài)混凝土材料對(duì)河道邊坡進(jìn)行生態(tài)治理，發(fā)揮透水性生態(tài)混凝土消波、護(hù)岸、透水、植生功能，不但能夠防止水土流失及水位升降對(duì)河岸造成的影響，在一定程度上還可以改善河道水質(zhì)，使建成后的河道邊坡景觀與周邊環(huán)境融為一體，滿足周山河公園作為第六屆園藝博覽會(huì)園藝博覽園舉辦場(chǎng)所的生態(tài)、綠化、環(huán)保、節(jié)能的要求。

2．2 施工設(shè)計(jì)方案

2．2．1 框架結(jié)構(gòu) 混凝土框架采用普通混凝土(C25)現(xiàn)場(chǎng)澆筑而成，整個(gè)框架由邊長(zhǎng)為2m的基本方格構(gòu)成?；炷量蚣艿闹饕饔貌⒎翘岣咂旅娴姆€(wěn)定性和防止垮塌，而是將坡面和生態(tài)混凝土約束成一體并提高生態(tài)混凝土的施工性能。設(shè)置混凝土框架(橫、豎框)尺寸時(shí)要考慮施工性、坡面長(zhǎng)度及坡度等諸多因素。框架的布置及尺寸如圖1。

圖1 混凝土框架布置圖

框格梁高15cm，梁寬15cm，縱、橫向間距均為2m，在混凝土框架的上部及下部分別設(shè)置200mm×300mm及300mm×500mm的C25混凝土擋土墻(圖1)。

2．2．2 現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土的現(xiàn)場(chǎng)澆筑 現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土采用現(xiàn)場(chǎng)澆灌技術(shù)。根據(jù)實(shí)際情況，現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土可以采用混凝土運(yùn)輸車進(jìn)行運(yùn)輸，也可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行配置、攪拌，然后進(jìn)行澆筑。

2．2．3 植生工程及植生效果 現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土鋪設(shè)中要控制兩個(gè)重要參數(shù)：一是現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土的孔徑分布，以確保植生功能，從而提高景觀和生態(tài)效果;二是抗壓強(qiáng)度和孔隙率，以確保具有優(yōu)良的防洪和抗沖刷能力?，F(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土的澆筑厚度為100mm，其上覆土厚度為50mm(圖2)。

2．3 工程效果

(1)利用現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土來(lái)覆蓋斜面進(jìn)行固土護(hù)坡，有效地防止了河道邊坡的水土流失。

(2)工程利用現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土護(hù)坡，降低了波浪的流速，改變了波浪的流動(dòng)方向，減弱了波浪的大小。

(3)工程中選用的現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土具有連續(xù)孔隙，可以使水、空氣自由滲透，不僅可以創(chuàng)造生物環(huán)境，更明顯的是由于其孔隙內(nèi)部和外部表面上棲息著多種微生物、小動(dòng)物及藻類植物，有效地促進(jìn)了水質(zhì)的自然凈化。

(4)河道水位以上采用現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土+客土噴播，即在現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土坡面上覆蓋植被材料，為植物的幼芽和根須提供最初的養(yǎng)分供給和生存環(huán)境，直到植物的根須伸入到現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土層，完成了邊坡的綠化功能，綠化效果使兩岸坡面景觀與周邊環(huán)境融為一體。圖3(a)和圖3(b)是周山河河道邊坡治理前后的實(shí)物圖，從圖中可以直觀地看到現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土在河道邊坡工程中應(yīng)用效果很好。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土是一種考慮環(huán)境因素的新型混凝土，該生態(tài)混凝土具有過濾(只讓水安全滲透而土質(zhì)細(xì)顆粒不流出)、生物共生、植生綠化、凈化水質(zhì)等良好的生態(tài)親和性?，F(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土在生態(tài)護(hù)坡工程尤其是河道沿岸的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

在泰州周山河河道邊坡生態(tài)治理工程中，通過植生材料、混凝土、外加劑等材料優(yōu)化組合驗(yàn)證了最新生態(tài)型護(hù)坡技法的設(shè)計(jì)、施工效果。實(shí)踐表明，該技法除能實(shí)現(xiàn)固土護(hù)坡外，還能實(shí)現(xiàn)植物和水中生物的生長(zhǎng)，起到凈化水質(zhì)、改善景觀和完善生態(tài)系統(tǒng)等多重功效。

通過對(duì)現(xiàn)澆透水性生態(tài)混凝土的凍融耐久性試驗(yàn)分析得出：配有SR-3/SR-4無(wú)機(jī)混合材料的生態(tài)混凝土，除保證其力學(xué)、耐久性滿足要求之外，該混凝土還具有一定的生態(tài)維護(hù)功能。凍融試驗(yàn)過程中，其表現(xiàn)出的良好抗凍脹循環(huán)應(yīng)力性能，能有效減緩工程中裂縫的擴(kuò)展，提高凍融循環(huán)次數(shù)，使其具有較好的凍融耐久性。最后，由于該生態(tài)混凝土是一種早強(qiáng)的混凝土，只需7d自然養(yǎng)護(hù)就可以達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，且pH值低于普通混凝土，內(nèi)部能夠適應(yīng)植物的生長(zhǎng)，給混凝土施工帶來(lái)方便。由于生態(tài)混凝土填充于框格梁內(nèi)，不配鋼筋，因此碳化對(duì)此混凝土性能的影響不大，能夠滿足實(shí)際工程對(duì)生態(tài)混凝土的要求。

圖2 坡面植生工程及生態(tài)效果示意圖

圖3 治理前后周山河河道邊坡

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Application of cast-in-place permeable eco-concrete in slope engineering of river course

LIU Feng1，2，YAN Ting-cheng2

(1．School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210093，China;2．East China Geological Exploration Bureau of Nonferrous Metals，Jiangsu Province，Nanjing 210007，China)

In terms of the defects of conventional slope engineering in fields of eco-environmental protection and repairing of river course slope engineering，the authors brought up a new slope engineering method of cast-in-place permeable eco-concrete，optimized the component material of this technology，made a synthetic analysis on durability，vegetation power and water purification properties of the eco-concrete．Through a case study in Zhoushanhe river course slope engineering ecological treatment in Taizhou City，the technology was tested to be secure in slope engineering，and maintain and improve the eco-environment and eco-system of the surroundings．

Cast-in-place permeable eco-concrete;Mix ratio design;Vegetation;Techniques of ecotype slope protection;Taizhou，Jiangsu

U416．14

A

1674－3636(2011)04－0418－06

10．3969/j．issn．1674-3636．2011．04．418

2011－05－27;

2011－06－03;編輯：蔣艷

劉峰(1966—)，男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事巖土工程、勘察工程領(lǐng)域技術(shù)研究及管理，E-mail：liufeng0070@126．com