再生節(jié)能型護(hù)坡在城市生態(tài)河道治理中的應(yīng)用

王 鵬 張高旗 陳麗剛

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003)

1 概述

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷深入，建筑垃圾以及廢棄混凝土已經(jīng)成為威脅生態(tài)環(huán)境的重要因素。廢棄混凝土中70%左右是天然砂石，天然砂石是一種短時間內(nèi)不可再生的資源，棄置不用將極大的浪費自然資源，是有悖于可持續(xù)發(fā)展要求的行為[1]。但我國對廢舊建筑材料資源的利用和處理相對滯后，致使廢舊建筑材料利用水平較低，處理方式主要以露天擱置和填埋為主。這樣的處理方式不僅為廢棄物的運輸、填埋增加了成本，而且由于占用大量土地，還會造成環(huán)境的污染和資源的浪費[2]。據(jù)資料顯示，每使用100 t建筑垃圾再生產(chǎn)品，可以節(jié)約天然砂石150萬 t，標(biāo)準(zhǔn)煤8.7萬 t，減少二氧化碳排放6.6萬 t，減少二氧化硫排放0.12萬 t，減少建筑垃圾占地200余畝。因此對于再生骨料的利用成為解決這一環(huán)境危機(jī)的有效途徑。建筑垃圾或者廢棄混凝土經(jīng)過清洗、破碎、分級和按一定比例相互配合后得到的骨料稱為再生骨料或再生混凝土骨料(Recycled Aggregate/Recycled Concrete Aggregate，簡稱RCA)[3]。通過一定的加工制作工藝，使再生骨料在一定程度上恢復(fù)原有的性能，形成新的建材產(chǎn)品，從而使有限的資源得以再利用。

目前我國對建筑垃圾及廢棄混凝土再生化的研究及應(yīng)用也有了一定程度的發(fā)展，尤其將再生骨料制品應(yīng)用于建筑工程取得了一定進(jìn)步。但是，再生骨料在河道治理中的應(yīng)用研究較少，國內(nèi)很多城市成為了“水生態(tài)文明城市”試點，在我國節(jié)能、低碳、減量化的工程治理思路的指引下，在生態(tài)河道的治理中，更加應(yīng)當(dāng)從建筑垃圾回收利用的角度去思考工程設(shè)計，根據(jù)工程的具體特點，更多的應(yīng)用再生節(jié)能型的材料，而不是傳統(tǒng)意義上鋼筋混凝土治理思路。這就對城市河道生態(tài)治理工程提出了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)。在滿足防洪安全的前提下，實現(xiàn)節(jié)能型，生態(tài)型的治理愿景。本次研究以許昌市清潩河綜合治理工程為背景，進(jìn)行再生節(jié)能型護(hù)坡材料的應(yīng)用研究，以期對今后的城市河道生態(tài)治理工程提供一定的借鑒。

2 再生節(jié)能型護(hù)坡在水利工程中首次應(yīng)用

經(jīng)過調(diào)研國內(nèi)已經(jīng)實施的生態(tài)河流治理工程和相關(guān)的文獻(xiàn)資料，對目前我國城市河流治理中常用的生態(tài)防護(hù)材料進(jìn)行了整理和歸類，并且結(jié)合許昌市清潩河綜合治理工程的實際情況，采用了多種形式的生態(tài)護(hù)岸，比如：格賓石籠、自然石、木樁、草坡、再生砌塊、再生護(hù)坡磚等，其中再生砌塊擋土墻和再生護(hù)坡磚屬于首次在水利工程中的大膽嘗試應(yīng)用，旨在踐行“會呼吸的河道”的設(shè)計理念，保護(hù)與修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)，維持城市河流的健康生命，提升城市品位，將許昌打造成一條城市生態(tài)文化廊道。

2.1 再生護(hù)坡磚

再生護(hù)坡磚以再生骨料、水泥為主要原料，并加入適量的外加劑或摻合料，加水?dāng)嚢韬蟪尚偷脑偕u。其結(jié)構(gòu)采用四邊穿插式組合，網(wǎng)邊支撐相當(dāng)于鉸接，剛性的結(jié)構(gòu)柔性化的處理，變形能力強(qiáng)。再者，由于再生護(hù)坡磚的大孔及相鄰兩塊磚形成的連接孔，可以作為植生孔使用，也可以加入級配碎石起到消能防沖的作用。由于孔內(nèi)植物的生長，根系扎入土層中，也起到一定的固坡作用，而且植物作為過濾屏障，也起到凈化水質(zhì)的作用，且施工中無需砂漿，無需大型機(jī)械，施工快，造價低，節(jié)能環(huán)保，見圖1。

2.2 再生砌塊擋墻

再生砌塊擋土墻是以再生骨料、水泥為主要原料，并加入適量的外加劑或摻合料，加水?dāng)嚢韬蟪尚偷脑偕鰤K與土工加筋技術(shù)集成的一種柔性擋土墻。它是由填土、格柵、再生砌塊、再生骨料濾層四者的結(jié)合體，見圖2。

以上兩種再生骨料型防護(hù)材料，均是再生骨料的制成品。具有相同的特點及優(yōu)勢，本次主要以再生砌塊為例，進(jìn)行深入的研究。

1)再生砌塊的性能指標(biāo)。

隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，再生砌塊多用于建筑中的填充墻及其他非承重結(jié)構(gòu)。因此對其的力學(xué)性能等指標(biāo)的要求不高。而應(yīng)用在水利工程中，對其的力學(xué)性能，抗凍融指標(biāo)，滲透性能，抗沖刷性能等均有一定的要求。

a．再生骨料在生產(chǎn)破碎及原建筑承載使用期間產(chǎn)生了一定的損傷，使得再生骨料強(qiáng)度低于天然骨料。此外，再生骨料包含一定的水泥砂漿，弱化了骨料與水泥基體之間的粘結(jié)力，這也不利于再生混凝土砌塊抗壓力學(xué)性能[3]。因此通過調(diào)整砌塊各種骨料之間的配置比例即可獲得適合工程使用的砌塊強(qiáng)度。本工程所使用的再生砌塊根據(jù)設(shè)計要求，具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗沖擊能力(特別體現(xiàn)在水下使用情況)，不會分裂或腐朽。采用的砌塊強(qiáng)度等級不小于MU20。

b．再生骨料的吸水率較高，主要是由于再生骨料中水泥砂漿含量較高，再加上機(jī)械破碎中造成損傷積累，使再生骨料內(nèi)部存在大量微裂紋，使再生骨料孔隙率高[4]。正是由于再生砌塊的大孔隙的微觀結(jié)構(gòu)造就了其優(yōu)越的透水性，當(dāng)應(yīng)用在生態(tài)河道治理時，擋水而不阻斷水，因此使得用再生骨料所生產(chǎn)的再生砌塊應(yīng)用在生態(tài)河道治理工程中，不僅使得砌塊的抗凍融能力有了很大的改善，而且有利于河水與地下水的聯(lián)通和物質(zhì)交換。

c．再生砌塊及再生護(hù)坡磚均具有一定的抗沖刷能力，根據(jù)計算清潩河的水流流速從清潩河關(guān)莊閘至瑞貝卡大道河段，20年一遇斷面平均流速1.13 m/s～3.40 m/s，50年一遇斷面平均流速1.27 m/s～3.73 m/s，而這兩種護(hù)坡材料的抗沖刷流速為5 m/s，均能滿足抗沖刷的要求，抗沖刷能力較強(qiáng)。

2)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

a．再生砌塊擋土墻屬于柔性結(jié)構(gòu)，再生砌塊之間采取直接干壘無砂漿砌筑，對變形的適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以承受較大的位移而不至于失穩(wěn)破壞，對小規(guī)?；A(chǔ)沉陷或短暫的非常荷載組合具有較強(qiáng)適應(yīng)能力，特別是在松軟基礎(chǔ)上應(yīng)用。

b．墻后填土和格柵之間的摩擦力改善了土的物理性質(zhì)，使得填土與格柵結(jié)合成為一個整體，共同抵抗墻后土體的側(cè)壓力，依靠帶有后緣的塊與塊之間的嵌鎖作用以及加筋體來防止滑動傾覆。

c．再生級配骨料濾層與以往工程中所應(yīng)用的級配碎石濾層具有同樣的功能，由級配再生骨料進(jìn)行替代，同樣可以達(dá)到良好的排水效果，水體的順利排出即可加大土工格柵的摩擦力，加筋土體采用土工布包裹，墻后部的水不僅可以及時的排出，而且又不會使得土中的細(xì)顆粒被帶走，有效降低墻后水位，迅速減少擋墻后的水壓力，增強(qiáng)了擋墻的抗滑穩(wěn)定。

3)水體交換。

再生砌塊擋土墻沿用自嵌式設(shè)計的同時做了進(jìn)一步改進(jìn)，利用建筑垃圾所生產(chǎn)的再生骨料代替天然骨料配制再生砌塊，由于再生骨料的棱角較多，而且骨料表面較為粗糙，其組分中含有大量的已經(jīng)硬化的水泥漿體，由于水泥石本身的空隙就比較大，在加工成型的過程中，會產(chǎn)生更多的微裂縫，這就使得再生骨料的透水性和透水速率要比天然骨料大得多，可以更多的進(jìn)行水體的交換。應(yīng)用于河道護(hù)岸時，擋而不隔的滲透性可保證河岸與河流之間的物質(zhì)交換，實現(xiàn)生態(tài)護(hù)岸功能。

4)節(jié)能環(huán)保。

再生砌塊采用了低堿水泥，可以有效的避免產(chǎn)品本身對水體中的各種生物的有害輻射；大體量的利用建筑垃圾或者回收的廢棄混凝土作為基礎(chǔ)材料來制作砌塊，再生砌塊在城市河道生態(tài)化治理中，一方面可大量利用廢棄的混凝土及各種建筑垃圾，經(jīng)特殊的工藝進(jìn)行處理，用作天然骨料的直接替代品，可以減少河道治理工程對天然砂石骨料的開采利用和無節(jié)制的消耗；另一方面再生砌塊的應(yīng)用還從根本上解決了天然骨料日益匱乏及大量混凝土廢棄物造成生態(tài)環(huán)境日益惡化等問題，也符合我國當(dāng)前所提出的低碳、節(jié)能、環(huán)保的設(shè)計理念，保證了人類社會的可持續(xù)發(fā)展[5]。

5)景觀效果好。

通過顏色、面層質(zhì)感和塊形的完美搭配，可實現(xiàn)各種裝飾效果和風(fēng)格。塊體獨具匠心的劈裂面產(chǎn)生的質(zhì)感，塊體之間上下錯縫并前后退步偏移產(chǎn)生的美感，形成了獨一無二的墻面，與單調(diào)的鋼筋混凝土墻面或漿砌塊石墻面相比更具生命力和新鮮感，能自然地融于周圍建筑從而營造出和諧舒適的人居環(huán)境，如圖3所示。

3 再生節(jié)能型護(hù)坡應(yīng)用效益分析

3.1 生態(tài)效益

我國目前正處于建設(shè)發(fā)展的高速時期，大量建筑的改、擴(kuò)建活動也迅猛發(fā)展，這樣勢必會應(yīng)用到大量的天然礦石儲備，不僅切斷了可持續(xù)發(fā)展的道路，而且對于環(huán)境的污染、生態(tài)的破壞、資源的浪費是不可避免的。應(yīng)當(dāng)將建筑垃圾視為綠色生態(tài)的原材料，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，將廢舊建筑材料通過科學(xué)的加工和改造，形成新的產(chǎn)品。尤其是在“水生態(tài)文明城市”的背景下，我國對“綠水青山”的需求愈加迫切，河道生態(tài)治理中大量的應(yīng)用再生節(jié)能型材料可有效減少直接污染，改善城市河流生態(tài)環(huán)境。與堆放建筑垃圾的方式相比，可減少50%的一氧化二氮、99.3%的氮化物和28%的一氧化碳排放，生態(tài)效益顯著。再生護(hù)坡材料的應(yīng)用可以緩解資源與環(huán)境壓力，符合綠色環(huán)保節(jié)能的要求，是未來水生態(tài)治理中材料應(yīng)用的必然趨勢，具有重大研究意義。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

再生砌塊擋土墻及再生護(hù)坡磚除了具有良好的生態(tài)效果、優(yōu)美的景觀效果、優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能等優(yōu)勢之外，還可以在現(xiàn)場設(shè)計擋土墻位置、層位、高度與施工方法?？梢愿淖兤鰤K形狀、大小，可不用機(jī)械施工。而無漿砌的施工方法可以大大提高施工速度，縮短建設(shè)工期?？梢怨?jié)省大量的人工費用，比傳統(tǒng)的混凝土擋墻、漿砌石擋墻綜合費用低，再生砌塊擋土墻的經(jīng)濟(jì)效益較強(qiáng)。

3.3 社會效益

再生砌塊及再生護(hù)坡磚在許昌市清潩河綜合治理工程中的應(yīng)用，不僅將建筑垃圾變廢為寶，節(jié)約了城市資源，而且還帶動了周邊的建筑垃圾處理行業(yè)的發(fā)展，創(chuàng)造了更多的就業(yè)崗位，激活了建筑垃圾處理的市場環(huán)境。有效的解決了城市建筑垃圾，帶來了巨大的社會效益。

4 結(jié)語

再生節(jié)能型護(hù)坡材料在許昌水生態(tài)文明城市的建設(shè)中，發(fā)揮了極大的優(yōu)勢和作用。大量的建筑垃圾得以有效的回收，并且在河道的治理中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，極大的改善了河流的生態(tài)環(huán)境，形成了完整的水生態(tài)系統(tǒng)，打造出了“北國水鄉(xiāng)”的盛世，經(jīng)濟(jì)效益，生態(tài)效益，社會效益顯著。通過本次生態(tài)河流治理的初步探索，以期能給今后的河流生態(tài)化治理提供一定的理論依據(jù)和工程借鑒。

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