格賓生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式選擇及質(zhì)量控制措施研究

陳正中

(江西省水利投資集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330029)

近年來，我國大力倡導(dǎo)綠色發(fā)展、生態(tài)發(fā)展，格賓石籠技術(shù)作為一種綠色無污染新技術(shù)，被逐漸推廣到河道治理中，并表現(xiàn)出了卓越的經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益[1-2]。由于不同地區(qū)的氣候、地理、水文環(huán)境有著很大的區(qū)別，不同的格賓結(jié)構(gòu)形式會(huì)產(chǎn)生不同的社會(huì)生態(tài)效益，如若形式和材料等選擇不善，反而會(huì)降低河道水質(zhì)和工程效益。因此，需要針對不同地區(qū)的格賓生態(tài)治理護(hù)岸進(jìn)行研究。

格賓石籠不僅可以有效治理河道，提高堤壩穩(wěn)定性，還可以凈化水質(zhì)、防止水土流失，保護(hù)周圍生態(tài)環(huán)境。李建杰，王國強(qiáng)，楊發(fā)業(yè)，袁朝中，吳曉明等分別對不同地區(qū)河道治理過程中的格賓石籠設(shè)計(jì)施工技術(shù)進(jìn)行了研究，取得了一些有用的成果和結(jié)論[3-7]。北方地區(qū)由于冬季氣候寒冷，一年里有很長時(shí)間的冰雪天氣，對河道水質(zhì)、護(hù)岸邊坡穩(wěn)定等均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響[8]。我國大部分地區(qū)，其夏季和冬季氣溫、干濕度等相差較大，如何選擇格賓石籠結(jié)構(gòu)形式，對河道治理的整體效益起著關(guān)鍵性作用[9]，同時(shí)，由于格賓石籠本身也具有一定的劣勢，如何避免和減小氣候環(huán)境等帶來的影響，合理的施工措施變成為主要控制手段之一，需引起各方注意[10-11]。

本文在總結(jié)前人研究理論和技術(shù)的前提下，對格賓石籠填料、結(jié)構(gòu)形式的選擇進(jìn)行了理論分析，同時(shí)針對江西獨(dú)特的地理氣候，進(jìn)行了冬季寒冷環(huán)境下凍脹融沉分析，并提出了相應(yīng)的施工質(zhì)量控制措施，可為類似地區(qū)河道生態(tài)治理提供借鑒。

1 工程概況

贛江作為江西省境內(nèi)最大河流、是長江的主要支流之一，流域面積83500km2。贛江流域夏季氣候溫和濕潤，冬季氣溫干燥寒冷，流域年平均氣溫為17.8℃，極端最低溫-12.5℃，年平均降雨量1660.9mm。

由于近年來開發(fā)管理中經(jīng)常出現(xiàn)冬季蓄水不足，夏季容易害水澇的災(zāi)害問題，最重要的是河岸邊坡水土不斷流失，影響周圍生態(tài)環(huán)境的有效維持與河道水資源的清潔，因此對該流域進(jìn)行河道整治成為當(dāng)前最主要的工作之一。贛江流域某支流整治工程，按100a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)治理，設(shè)計(jì)洪峰流量為186m/s，治理工程主要包括河道邊坡保護(hù)、河岸綠化、淤泥清理等工程，該區(qū)段河道平均寬度為9.7m，兩岸全長約4.7km，邊坡坡度較大，約1∶2.4，邊坡斜長3～7m。經(jīng)過初步造價(jià)估算與設(shè)計(jì)，整個(gè)區(qū)段河道治理格賓石籠網(wǎng)護(hù)坡工程總量預(yù)計(jì)達(dá)到12315.17m3。

2 填料及結(jié)構(gòu)形式選擇

2.1 試驗(yàn)概況

填料主要考慮當(dāng)?shù)夭牧锨闆r，充分利用建筑廢料原理，選擇粒徑在40～60 mm的花崗巖塊石、卵石以及廢建筑砌塊3種材料作為填料，其具體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。同時(shí)設(shè)置U型河道模型，長×寬×高=6.08m×0.45m×0.15m，格賓網(wǎng)線直徑為1mm，網(wǎng)孔為3cm×3cm，模型裝置示意圖如圖1所示。采用連續(xù)動(dòng)態(tài)運(yùn)行為試驗(yàn)方法，連續(xù)進(jìn)行30d，分別在規(guī)定時(shí)間點(diǎn)采集模型中的水樣，然后進(jìn)行水質(zhì)檢測，包括N、P、TP以及微生物等分析；然后選取最佳填料，進(jìn)行直立式、階梯式以及魚巢式3種結(jié)構(gòu)形式下的水質(zhì)影響分析，得出該河道格賓護(hù)岸的最佳填料結(jié)構(gòu)形式。

表1 填料物理力學(xué)參數(shù)

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D(單位：mm)

2.2 最佳填料分析

在連續(xù)30d運(yùn)行試驗(yàn)內(nèi)，取水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看到：NO3-N的濃度隨時(shí)間呈“S”型曲線增長，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行至10～15d左右時(shí)，水中的NO3-N濃度大幅度增長，在試驗(yàn)前期，卵石碎塊填料的NO3-N濃度與另外兩組填料濃度基本相等，但當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至25d后，NO3-N濃度明顯大于其它試驗(yàn)組，表明在卵石填料作用下，微生物的硝化作用更強(qiáng)，反硝化生物難以大量繁殖，因此NO3-N濃度大大增加；對比TP去除率可以發(fā)現(xiàn)，3種填料下的去除率呈冪函數(shù)型增長，增長率在逐漸減小，且3種填料的去除率大致相當(dāng)，由于格賓結(jié)構(gòu)具有一定的孔隙，有利于水體流動(dòng)，可為水生物生長創(chuàng)造條件，選擇對磷吸收能力強(qiáng)的植物可以在很大程度上保持對磷的高效去除；在TOC去除率上，3種填料基本呈線性關(guān)系增長，在前期，卵石的去除率略小于其他2組，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至10d以后，卵石的去除率逐漸大于其他2組，這是因?yàn)槁咽辔⒖祝哂休^大的比表面積以及事宜的水分，可以為微生物的附著提供大量場所，從而使得TOC去除率更高。

綜合以上分析，認(rèn)為選擇卵石作為格賓石籠網(wǎng)的填料，對于河道水質(zhì)的凈化作用更好，更能發(fā)揮生態(tài)治理效益，故而卵石相比較而言為首選填料。

圖2 格賓填料對水質(zhì)凈化效果影響

2.3 結(jié)構(gòu)形式的選擇

基于上文分析結(jié)果，對直立式、臺(tái)階式和緩坡式卵石填料格賓護(hù)岸進(jìn)行了水質(zhì)的取樣分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看到：在試驗(yàn)進(jìn)行30d后，NH3-N、TP、TOC 3種指標(biāo)的去除率從大到小的排序?yàn)椋呼~巢式>階梯式>直立式，可見魚巢式結(jié)構(gòu)在水質(zhì)凈化方面的作用強(qiáng)于直立式和階梯式，這是因?yàn)橹绷⑹?、階梯式和魚巢式的表面積分別為802、833、995cm2，相應(yīng)的比表面積為0.8、0.83、0.99cm-1，由于魚巢式的比表面積最大，與水體的接觸面積也就越大，對水體中的N、P及微生物的清除效果也就越佳，故而魚巢式為最佳的格賓結(jié)構(gòu)形式。

圖3 格賓結(jié)構(gòu)形式對水質(zhì)凈化影響

3 凍脹分析

圖4為現(xiàn)場試驗(yàn)段的凍融深度的變化曲線，該試驗(yàn)段的最大凍深為1.405m。同時(shí)對魚巢式卵石格賓進(jìn)行了為期10個(gè)月的現(xiàn)場觀測(當(dāng)年10月—次年8月)，觀測點(diǎn)設(shè)置在壩肩、渠坡上1/4處、渠坡1/2處以及渠坡下1/4處。從圖4中可知：凍脹量曲線隨時(shí)間呈先增后減的趨勢，最大凍脹量在次年1—2月，這時(shí)的溫度最低，因此凍脹量最大；對比不同位置處的凍脹量可以發(fā)現(xiàn)，格賓網(wǎng)墊護(hù)坡(格賓網(wǎng)墊護(hù)腳)的最大凍脹量在渠坡1/2處，為327mm，凍脹量為22.8%，格賓網(wǎng)墊護(hù)坡(格賓網(wǎng)箱固腳)的最大凍脹量也在渠坡1/2處，為314mm，凍脹量為22.1%；格賓網(wǎng)結(jié)構(gòu)的最大殘余變形在渠坡1/2處，在渠坡上部會(huì)發(fā)生一定的融沉變形，表明格賓網(wǎng)具有很好的治愈功能，在凍融過程中，會(huì)自動(dòng)調(diào)整自身的結(jié)構(gòu)，尋找下一次的平衡點(diǎn)來適應(yīng)凍融沉變形，能夠較好地適應(yīng)凍脹損傷。

圖4 現(xiàn)場試驗(yàn)段凍融深度的變化曲線

4 質(zhì)量控制措施探討

在格賓網(wǎng)實(shí)際施工和運(yùn)行過程中，對該河段格賓網(wǎng)缺陷進(jìn)行了檢查和統(tǒng)計(jì)，總體而言存在通縫、厚度不夠、表面平整度不標(biāo)準(zhǔn)等，見表2。出現(xiàn)上述情況的主要原因在于：①由于格賓石籠網(wǎng)護(hù)坡技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，很多工人在工藝流程和質(zhì)量上把控不嚴(yán)，導(dǎo)致人為的缺陷；②采集使用的石料沒有大致的平行面；③石塊粒徑過小，底部鋪砌不足；④施工環(huán)境影響，如雨天造成的嵌固松動(dòng)、粘結(jié)度不夠等問題。這些問題或多或少影響了格賓網(wǎng)在河道治理過程中的生態(tài)治理效益。

表2 缺陷調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

為了全面提高工程的生態(tài)治理效益，作者總結(jié)分析了工程中的一些實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)在前人研究基礎(chǔ)上得出以下幾點(diǎn)格賓網(wǎng)質(zhì)量控制措施[12-15]：

(1)現(xiàn)場管理。在實(shí)施工程前應(yīng)積極組織單位進(jìn)行研討會(huì)議，確定本次工程的現(xiàn)場管理人員，同時(shí)必須派遣2～3名工程管理經(jīng)驗(yàn)豐富、專業(yè)知識(shí)能力過關(guān)的專業(yè)人士前往管理。此外，通過不斷討論研究，制定嚴(yán)格有效的現(xiàn)場管理規(guī)章制度，以求現(xiàn)場管理工作等夠得到高效有序的執(zhí)行。

(2)工藝措施。要對施工人員進(jìn)行一定時(shí)間的崗前培訓(xùn)，同時(shí)在施工前有必要參照其他區(qū)域格賓石籠技術(shù)施工經(jīng)驗(yàn)，制定合格有效的現(xiàn)場操作標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)交底書，施工前對現(xiàn)場工作人員集中進(jìn)行書面技術(shù)交底，明確格賓石籠網(wǎng)技術(shù)護(hù)坡關(guān)鍵工序及施工工藝，并要求嚴(yán)格按技術(shù)交底書標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工。

(3)材料進(jìn)購管理。向材料供貨商明確質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并派出專業(yè)的管理人員進(jìn)行全程跟蹤，經(jīng)試驗(yàn)檢驗(yàn)合格后方可使用。

(4)監(jiān)督措施。強(qiáng)化監(jiān)理監(jiān)督機(jī)制，對現(xiàn)場施工不規(guī)范，如未掛線施工等問題應(yīng)進(jìn)行全面的管控和整治，建設(shè)管理方應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場的巡視工作。

5 結(jié)論

經(jīng)試驗(yàn)分析認(rèn)為：采用卵石填料、魚巢式結(jié)構(gòu)的格賓網(wǎng)護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式能夠發(fā)揮河道最大的生態(tài)治理效益，且能很好適應(yīng)凍融沉變形，減小凍脹損傷破壞；綜合前人研究成果，結(jié)合現(xiàn)場工程經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為應(yīng)從現(xiàn)場管理、工藝措施、材料進(jìn)購管理以及監(jiān)督措施等途徑提升格賓網(wǎng)的質(zhì)量和效益，研究成果可為類似地區(qū)的河道治理工作提供借鑒。