植被型混凝土護坡技術(shù)研究與展望

甄自強，宋為威

（揚州大學(xué) 水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009）

為了實現(xiàn)河道正常的防洪、排澇、容蓄功能，保證水土保持和生態(tài)平衡，應(yīng)該對河道進行有效的邊坡防護。傳統(tǒng)的護坡方法主要有砌石型護坡、框格型護坡、淺層保護型護坡、噴混型護坡和護面墻型護坡。其建筑材料主要是水泥、石料等硬性材料，傳統(tǒng)的護坡主要特點是護坡強度高、時效長，但存在投資大、破壞生態(tài)環(huán)境等問題。隨著時代發(fā)展及環(huán)境的要求，植被型混凝土護坡應(yīng)運而生。

植被型混凝土護坡以保護、創(chuàng)造良好生態(tài)環(huán)境和景觀為前提，同時保證護坡的安全和耐用，達到土體和生物的相互涵養(yǎng)，仿造適合動植物生長的自然狀態(tài)。

德國、瑞士等國家在20世紀80年代末提出“自然型護岸”技術(shù)，日本在20世紀90年代初開始研究改變水質(zhì)狀況的混凝土并提出“親水”概念。美國、歐洲等國家提出土壤生物工程護岸技術(shù)。

1 物理性能分析

1.1 植被根系對混凝土基材抗剪強度影響

植被根系在土體中可以視為天然加筋材料，通過限制土體的變形，提高土體抗剪強度，從而起到護坡作用。護坡基材自重或外荷載與植物根系之間存在相互錯動，這種錯動被他們之間的摩擦阻力抵消，根系受到拉力很大，根系與土體的側(cè)向約束力提高了整體的強度。根系的數(shù)量、直徑、種類等都會對基材的抗剪強度有一定影響。在一定范圍內(nèi)，根系數(shù)量越多，根系抗拉能力越強，接觸面積越大，摩擦力越大［1］。在不同時期植被與基材粘聚力隨土層深度變化明顯，可認為是與不同土層根系生長特征有關(guān)，在不同土層植被根系分維系數(shù)較大。不同期限的根土復(fù)合體各土層剪應(yīng)力隨垂直壓力增大而增大，植被根系對土壤內(nèi)摩擦角影響較小，植被根系對土壤黏聚力有一定的增強作用［2］。

1.2 主體結(jié)構(gòu)強度分析

主體結(jié)構(gòu)由粗骨料和膠凝材料構(gòu)成，主要依靠粗骨料之間的摩擦力和膠凝材料形成的黏聚力構(gòu)成強度。

粗骨料是植被型混凝土骨架，主要有碎石、廢棄磚塊、再生混凝土等。不同的粗骨料、相同粗骨料不同級配或粒徑配置的混凝土性能差異較大。制作時應(yīng)選用強度高的石料，同時選擇粒徑較大的顆粒，這樣形成的孔隙滿足植物生長的需要。

膠凝材料以水泥為主，當骨料定量時，增加水泥用量，漿體層增厚，骨料連接點增多，強度隨之升高，但是孔隙率降低，且pH值升高［3］，不利于植被生長。

植被型混凝土添加了有機質(zhì)，較水泥土強度低，其抗壓全應(yīng)力應(yīng)變曲線類似于普通混凝土，具有脆性材料性質(zhì)。植被型混凝土模量大致隨水泥摻入比和齡期的增加而增加，峰值應(yīng)變大致隨水泥摻入比和齡期增加而減?。?］。

1.3 混凝土基材凍融效應(yīng)

當溫度下降到零度時，植被型混凝土內(nèi)水體結(jié)晶，形成較多冰夾層、冰棱體的膨脹，引起基材顆粒發(fā)生位移，容易產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)，水土流失。對基材凍融效應(yīng)影響強弱順序為種植土類型、含水率、冷端溫度、融化溫度。植被型混凝土的凍脹率隨冷端溫度或含水率的升高而增加，砂土配置的植生型混凝土融沉系數(shù)和凍脹率比黏土配置要小，融化溫度對融沉系數(shù)影響不顯著且無規(guī)律可循。融沉與凍脹過程對其耐久性的破壞主要體現(xiàn)在內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)上，凍融對總的體積變化作用微弱［5］。經(jīng)歷過凍脹和融沉之后，植被型混凝土黏聚力下降，內(nèi)摩擦角多表現(xiàn)為增大，抗剪強度降低，且黏聚力隨著冷端溫度的下降而下降。含水率對植被型混凝土的黏聚力和內(nèi)摩擦角具有雙重影響，內(nèi)摩擦角隨著含水率增加而減小，黏聚力先快速減小后緩慢減小最后至穩(wěn)定［6］。

2 綠化技術(shù)

2.1 特點

水泥用量大于5%，噴射層具有護坡所需的強度，抗沖刷能力強且不易產(chǎn)生龜裂，采用國產(chǎn)機械設(shè)備干式分兩層噴播，噴射距離遠，噴射厚度不超過10cm，在面層含植物種子，采用高技術(shù)專利綠色添加劑，有效控制植物生長pH值環(huán)境。

2.2 植被型混凝土配方

（1）壤土：80%～90%，含砂量小于10%，粒徑小于1cm，創(chuàng)造植物生長條件。

（2）P.O 425號水泥：5%～12%， 要求少含游離的CaO和MgO，提高混凝土強度和抗沖刷能力。

（3）有機質(zhì)：10%～20%，酒槽、稻殼、鋸末，增加養(yǎng)分，改善土壤結(jié)構(gòu)。

（4）肥料：0.6%～1.0%，一般復(fù)合肥，提高土壤營養(yǎng)。

（5）保水劑：0.08%～0.1%，一般吸水樹脂，提高抗旱能力。

（6）草種：30g/m2，冷暖季混合草種，播種。

（7）綠色添加劑：2%～5%，專利產(chǎn)品，主要調(diào)節(jié)pH值。

2.3 草種搭配

目前工程中多使用外國進口草種，速度快、成活率高、整齊一致，工程經(jīng)驗證明以下3種搭配適合我國華南、華中、華北地區(qū)。

（1）高羊茅、百喜草、羊胡子草、狗芽根、銀合歡組合適用于華南地區(qū)。

（2）高羊茅、黑麥草、羊胡子草、狗芽根、胡枝子組合適用于華中地區(qū)。

（3）狼尾草、黑麥草、紫花苜宿、狗芽根組合適用于華北地區(qū)。

2.4 施工工藝

植被型混凝土護坡施工工藝主要有：施工準備、清理整平坡面、測量放樣、安放鐵絲網(wǎng)、錨釘錨固、噴射植被混凝土、覆蓋養(yǎng)護［7］。

3 主要功能分析

3.1 水土保持功能

植被型混凝土基材以壤土為介質(zhì)，摻入一定比例的水泥、有機質(zhì)、保水劑及三峽大學(xué)專利綠色添加劑與水混合而成。自身滿足植被生長所需的營養(yǎng)，同時也要足夠強度。植被護坡常使用三圍植被固土網(wǎng)，留有較大空間充填砂礫及土壤，延伸率低、強度高，防止坡體下滑。植被根系均勻穿過掛網(wǎng)，形成牢固的復(fù)合力學(xué)體系。掛網(wǎng)加筋能夠改善基材接觸環(huán)境和約束整體變形，增加網(wǎng)絲粗糙度和直徑從而加大接觸面和摩擦，利用網(wǎng)面凹凸處理增大與基材的咬合力。鉚釘?shù)腻^固作用將基材固定在坡面上，連同水泥黏結(jié)力和植物根系作用，一同保證坡面的抗滑穩(wěn)定。坡面植被成型后植被根系穿插網(wǎng)孔，掛網(wǎng)、根系、基材相互結(jié)合。植被根系通過與土體纏繞將土體錨固與掛網(wǎng)上。植物根系通過加筋作用，增加掛網(wǎng)和基材的接觸面積，增大基材穩(wěn)定性［8］。

3.2 生態(tài)功能

植被型混凝土孔隙率高，平均孔隙直徑為4～5mm，緩釋性材料不斷溶出增加內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，擁有較大的比表面積，從而具有較好的過濾和吸附功能，使水資源得到凈化?；炷林腥艹龅腃a（OH）2是絮凝劑，能夠使水中的膠體物質(zhì)絮凝沉淀下來，緩慢溶出的Mg2+可以與水中的NH4+發(fā)生交換，也可以與水中的磷酸根離子生成磷酸氫鎂沉淀。溶出的Al3+形成氫氧化鋁后成為無機混凝劑，去除水中部分膠體物質(zhì)。同時多孔結(jié)構(gòu)的植被混凝土提供了適合微生物生長的生存環(huán)境，如硝化菌、脫氮菌、甲烷菌等厭氧和好氧性細菌在孔隙內(nèi)大量繁衍棲息。有研究認為采用孔隙率20%～30%的植被型混凝土護坡凈化河水，BOD、COD的去除率達50%，T-N、T-P的去除率可達30%以上。其凈水功能使得水資源得到凈化，保證源頭水質(zhì)，保障了引水安全。

植被型混凝土具有良好的透水性和透氣性，在能夠抵抗堤岸受到侵蝕的同時，又可以保證植被正常地生長，從而建成具有自然生態(tài)性的護坡，并且形成一道綠色的自然景觀，進而使生態(tài)得到修復(fù)［9］。

4 其他種類生態(tài)護坡方法

按照各個地區(qū)的時間和空間分布特點及流域分布和河道自身特征，應(yīng)選取合適護坡方式。除傳統(tǒng)的混凝土護坡及植被型混凝土護坡之外，還有植物護坡、三維土工植被網(wǎng)護坡、土工材料復(fù)合種植基護坡。

4.1 植物護坡

利用植物地上部分形成堤防迎水坡面，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加表層土壤團數(shù)目，提高表層土壤的抗剪強度，能夠減少迎坡面的侵蝕作用及坡面的水土流失。

水生植物蘆葦、宮蒲對水體中的N、P具有良好的吸收效果［10］。植物根系給水土微生物提供良好的棲息環(huán)境，由此形成的生物膜有利于水體自然凈化。植物護坡形成的自然河道在長期的紊亂流動，有利于水體的增氧。根系發(fā)達、適應(yīng)性強、抵抗力強的植物主要有：羊毛草、紫花苜宿、黑麥草、蘆葦、野茭白等。

4.2 三維土工植被網(wǎng)護坡

三維土工植被網(wǎng)主要利用活性植物與土工材料相結(jié)合，類似于絲瓜瓢狀植草土工網(wǎng)，加入炭黑尼龍絲加工而成。絲與絲的相互交叉纏繞熔合黏結(jié)，孔隙率89%以上，孔隙之中填充草種與土。植物生長后，穿過土工網(wǎng)，根系深入土壤連同土工網(wǎng)合為一體，牢固地貼于坡面，能夠有效防止坡面徑流沖刷破壞。實踐表明：草皮形成之前，坡度為45°時，土工網(wǎng)固土阻滯效率接近98%，坡度為60°時，效率接近85%。邊坡植被覆蓋率超過30%以上，能夠承受小雨沖刷，當覆蓋率達到80%時能夠承受暴雨沖刷。在水較深情況下，能夠抵御6m/s流速的水流，對于2d的水流，也能承受4m/s流速，且能夠使流速顯著下降。植被應(yīng)具有根系發(fā)達、耐旱澇等特點，如蟛蜞菊、百喜草等適合做此類型護坡植被［11-12］。

4.3 土工材料復(fù)合種植基護坡

主要由噴塑鐵絲網(wǎng)籠裝碎石、種植土和肥料組成復(fù)合種植基，適用于流速大的河流，整體性好、抗沖刷能力強、適應(yīng)地基沉降能力強，有效避免了預(yù)制混凝土護坡整體性差和現(xiàn)澆混凝土、模袋混凝土較差適應(yīng)地基沉降，同時滿足生物與微生物共存的生態(tài)型護坡。另外，還有土工網(wǎng)墊、土工格柵、土工單元固土種植基。由聚乙烯、聚丙烯等制成的網(wǎng)墊與草種、種植土組成土工網(wǎng)墊，具有疏松、柔韌特點，隨著植被生長能夠有效地使網(wǎng)墊、草皮、泥土牢固連為一體，一般由人工鋪設(shè)網(wǎng)墊，利用草籽加水力噴草技術(shù)完成植物種植［13］。

5 結(jié)語

從水利發(fā)展、農(nóng)業(yè)發(fā)展、環(huán)保要求及生態(tài)平衡等看，植被型混凝土護坡技術(shù)將會從部分地區(qū)實施到全面覆蓋，護坡技術(shù)也將會越來越成熟，成本也會越來越低。未來的植被型混凝土護坡技術(shù)可以著重考慮河流自凈功能，并且考慮保護生物多樣性，與計算機建立聯(lián)系，能夠通過互聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)控分析河流及周邊土壤、植被、大氣的污染狀況，并能夠及時控制環(huán)境污染。

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