植生型多孔混凝土在河道岸坡整治工程中的應(yīng)用

宋文杰

（湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

前 言

河流環(huán)境是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，是人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。河岸帶是河流的重要組成部分，是河流與陸地兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的區(qū)域，河岸帶的生態(tài)條件是影響河流環(huán)境的關(guān)鍵因素。部分河岸帶的抗沖刷能力較弱，岸坡長(zhǎng)期受水流淘刷、波浪浪蝕及降雨沖刷等侵蝕作用，導(dǎo)致河岸帶出現(xiàn)崩塌、水土流失等險(xiǎn)情，需要對(duì)河岸帶險(xiǎn)工段采取工程防護(hù)措施。對(duì)河岸帶進(jìn)行防護(hù)，需同時(shí)考慮工程規(guī)范與生態(tài)修復(fù)要求，一方面要保護(hù)岸坡免受水流淘刷、波浪浪蝕及降雨沖刷等侵蝕作用，保證河岸帶的整體穩(wěn)定性，另一方面還要對(duì)已破壞的河岸帶生態(tài)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)，使得坡面景觀與周邊環(huán)境融為一體，謀求工程措施與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。

目前廣泛應(yīng)用的河道岸坡防護(hù)技術(shù)主要有：混凝土類材料護(hù)坡技術(shù)，孔洞型材料護(hù)坡技術(shù)以及植被護(hù)坡技術(shù)。傳統(tǒng)的護(hù)坡材料主要存在綠化率低、抗沖刷能力弱以及強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。因此，研究一種在工程應(yīng)用中能夠兼顧工程規(guī)范與生態(tài)修復(fù)要求，并將工程防護(hù)和植物防護(hù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的新型護(hù)坡材料很有必要。

日本混凝土工學(xué)協(xié)會(huì)于1995 年首次提出了“生態(tài)混凝土”的概念，并成立了“生態(tài)混凝土研究委員會(huì)”專門(mén)開(kāi)展植生型多孔生態(tài)混凝土的應(yīng)用研究。目前日本已在數(shù)百個(gè)工程實(shí)例中采用了植生型多孔混凝土護(hù)坡技術(shù)[1～3]，主要包括堤壩邊坡防護(hù)、市政公路邊坡防護(hù)以及河道岸坡生態(tài)整治等工程，取得了較好的生態(tài)修復(fù)效果。歐美國(guó)家在植生型混凝土方面的研究較日本要晚，目前主要靠引進(jìn)日本的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于各種邊坡生態(tài)防護(hù)工程[4]。目前，我國(guó)對(duì)植生型多孔混凝土的研究還處在起步階段，研究重點(diǎn)主要圍繞如何規(guī)范多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)方法和制備工藝、如何提高多孔混凝土強(qiáng)度和有效孔隙率等方面開(kāi)展，關(guān)于多孔混凝土植生性能方面的研究還比較少[5]。

本文基于國(guó)內(nèi)外植生型多孔混凝土防護(hù)技術(shù)研究的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合具體工程實(shí)例，對(duì)植生型多孔混凝土原材料選用、配合比設(shè)計(jì)、制備工藝及護(hù)坡工程施工工藝進(jìn)行了探討，并分析了工程應(yīng)用效果，為植生型多孔混凝土在河道岸坡整治工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 植生型多孔混凝土構(gòu)造及原理

如圖1 所示，植生型多孔混凝土主要由以下3 部分組成：多孔混凝土、適生材料和植被。其中，多孔混凝土為基本骨架，主要由粗集料、水泥、礦物摻合料、化學(xué)添加劑和水等按照一定比例拌合而成；適生材料為多孔混凝土孔隙中的填充物，主要由種植基材、緩釋肥料、保水材料、減水劑和水等按照一定比例拌合而成。

待制備完成的多孔混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，將適生材料配置成具有一定流動(dòng)度的漿液，采用泵送或者自流的方式填充滿多孔混凝土內(nèi)部的連通孔隙，將植物種子與適生材料進(jìn)行充分拌和，采用噴播的方式覆蓋在多孔混凝土的表面，植物種子在表層的適生材料中發(fā)芽生長(zhǎng)后，其根系在多孔混凝土孔隙內(nèi)的適生材料中繼續(xù)生長(zhǎng)并最終穿過(guò)多孔混凝土護(hù)坡層到達(dá)邊坡土體，從而形成具有一定強(qiáng)度和植被覆蓋率的生態(tài)型護(hù)坡結(jié)構(gòu)[6～7]。

圖1 植生型多孔混凝土構(gòu)造示意圖

2 工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況及設(shè)計(jì)方案

本次植生型多孔混凝土應(yīng)用試點(diǎn)工程位于長(zhǎng)沙縣太陽(yáng)灘水閘閘址處，主要涉及水閘下游撈刀河右岸150 m 長(zhǎng)堤防臨水坡的生態(tài)整治。試點(diǎn)工程所在河道斷面的控制集雨面積為1 161 km2，上游干流長(zhǎng)83 km，多年平均徑流量23.89 m3/s，10 年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為1 652 m3/s，對(duì)應(yīng)閘下河道水位為43.50 m?，F(xiàn)狀閘下右岸堤防堤頂高程45.00 m，臨水坡分二級(jí)，坡比均為1∶2，其中，一級(jí)堤坡已采用草皮護(hù)坡，但坡面雜草叢生、浪蝕沖刷嚴(yán)重，二級(jí)堤坡已采用干砌塊石護(hù)坡，坡腳設(shè)有拋石護(hù)腳。

本次設(shè)計(jì)將水閘下游右岸堤防臨水坡一級(jí)堤坡的現(xiàn)有草皮護(hù)坡改為12 cm 厚植生型多孔混凝土護(hù)坡，護(hù)坡范圍為一級(jí)平臺(tái)頂（高程42.50 m）至堤頂（高程45.00 m），設(shè)計(jì)坡比1∶2，護(hù)坡頂部新建C20 混凝土壓頂，具體布置詳見(jiàn)圖2。

圖2 植生型多孔混凝土護(hù)坡橫斷面圖

2.2 原材料選用

1）水泥。湖南南方水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5 水泥。

2）粗集料。瀏陽(yáng)市洞陽(yáng)鎮(zhèn)采石場(chǎng)產(chǎn)的粒徑為20～30mm 的單級(jí)配石灰?guī)r碎石，緊密堆積孔隙率為46.8%。

3）礦物摻合料。湖北粒固微硅粉有限公司生產(chǎn)的硅灰，二氧化硅含量為99.999%，顆粒粒徑0.1～0.2 μm，比表面積約為15 000 m2/kg。

4）化學(xué)添加劑。湖南同遠(yuǎn)混凝土外加劑公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑（粉劑），主要成分為β-萘磺酸亞甲基高聚物，減水率可達(dá)20%以上。

5）拌合水。普通自來(lái)水。

6）植物。多年生狗牙根和黑麥草，草籽播種密度為20～25 g/m2。

7）適生材料。種植基材采用耕植土，緩釋肥料采用泥炭，保水材料采用蛭石。

2.3 配合比設(shè)計(jì)

1）多孔混凝土最佳水灰比。本文通過(guò)大量的拌和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠結(jié)材料的凈漿流動(dòng)度控制在180～200 mm 范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的水灰比控制在0.28～0.32 范圍內(nèi)時(shí)，混凝土拌合物粘結(jié)性好，表面有金屬光澤，屬于最佳狀態(tài)。

2）多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)。本文參考眾多文獻(xiàn)，確定采用“體積法”設(shè)計(jì)多孔混凝土的配合比[8～10]?！绑w積法”的基本原理可概括為：膠結(jié)材料將緊密堆積的粗集料均勻地包裹粘結(jié)在一起，凝固硬化后形成了多孔堆聚的結(jié)構(gòu)，其剩余的空隙構(gòu)成了混凝土內(nèi)部的連通孔隙，即多孔混凝土體積=粗集料體積+膠結(jié)材料體積+目標(biāo)孔隙體積。按照上述方法計(jì)算得出多孔混凝土的初步配合比，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)大量的實(shí)配、檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)配合比進(jìn)行修正，得出目標(biāo)孔隙率為25%、設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度≥8 MPa、孔隙堿環(huán)境pH 值＜9 的多孔混凝土基準(zhǔn)配合比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 多孔混凝土基準(zhǔn)配合比（目標(biāo)孔隙率25%） kg/m3

3）適生材料配合比設(shè)計(jì)。本文將適生材料拌和后加水配置成具有不同流動(dòng)度的漿體，使其在自重作用下自流充填多孔混凝土的孔隙，通過(guò)觀察孔隙內(nèi)漿體的填充程度發(fā)現(xiàn)：當(dāng)適生材料漿體的流動(dòng)度控制在200～220 mm 范圍以內(nèi)時(shí)，漿體能充分地充填多孔混凝土的孔隙。進(jìn)而得到適生材料的配合比，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 適生材料配合比 kg/m3

2.4 制備工藝

由于多孔混凝土的組成材料和構(gòu)造形式與普通混凝土區(qū)別較大，若采用傳統(tǒng)的一次投料法，膠結(jié)材料將無(wú)法均勻地包裹住粗集料，漿液充斥在孔隙中，堵塞了孔道, 不僅影響孔隙的連通性，也不利于強(qiáng)度的提高。

如圖3 所示，本文采用多次投料的“裹漿法”[11～13]制備多孔混凝土。采用這種特殊的攪拌工序攪拌的混凝土拌合物粘結(jié)性好，表面有金屬光澤，膠結(jié)材料能均勻地包裹住粗集料，并在集料表面形成一定厚度的包裹層，有利于提高多孔混凝土的連通孔隙率和強(qiáng)度。

圖3 “裹漿法”攪拌工序

2.5 護(hù)坡工程施工工藝

植生型多孔混凝土作為一種新型護(hù)坡材料應(yīng)用于河道岸坡整治工程時(shí)，應(yīng)綜合考慮自然環(huán)境、地形地質(zhì)、河道水流條件等情況來(lái)制定工程施工工藝[14]，本次應(yīng)用試點(diǎn)工程主要施工工藝及施工技術(shù)要求如下所述：

1）按設(shè)計(jì)要求平整、清理邊坡以達(dá)到初始施工條件。嚴(yán)格控制高程、邊線、坡度放樣的準(zhǔn)確度。護(hù)坡的清基處理要滿足坡面平整，無(wú)碎石、雜草、樹(shù)根等雜物，應(yīng)盡量避免大面積翻動(dòng)坡面土壤，以減少坡面水土流失。

2）鋪設(shè)反濾土工布。由于植生型多孔混凝土護(hù)坡的孔隙率及孔隙的孔徑較大，為防止坡面土體的流失，需要在坡面土體與多孔混凝土護(hù)坡結(jié)構(gòu)之間鋪設(shè)一層土工布進(jìn)行反濾。鋪設(shè)土工布時(shí)應(yīng)保證其平整且無(wú)破損，需按照設(shè)計(jì)要求預(yù)留搭接寬度，為了防止土工布滑動(dòng)和錯(cuò)位，可采用“U”形釘對(duì)土工布進(jìn)行固定。

3）嚴(yán)格按照基準(zhǔn)配合比配料，采用“裹漿法”攪拌工序制備多孔混凝土，拌和后出料運(yùn)至坡面澆筑，出料到澆筑的整個(gè)流程時(shí)間應(yīng)控制在10 min 之內(nèi)。

4）拌合料澆筑完成后，應(yīng)插搗密實(shí)并整平表面。3 d 內(nèi)禁止加載負(fù)荷、行車(chē)及人員行走。護(hù)坡初步起強(qiáng)后，7 d 內(nèi)應(yīng)每天選擇早晚灑水養(yǎng)護(hù)。7 d 內(nèi)如遇陰雨天氣則不需養(yǎng)護(hù)。

5）護(hù)坡澆筑完成7 d 后便可進(jìn)行適生材料充填和表層覆土作業(yè)，具體做法：①適生材料充填：將按配比拌合均勻的適生材料制成具有一定流動(dòng)度的漿體，采用泥漿泵泵送或者自流的方式將漿體灌入護(hù)坡的孔隙內(nèi)；②表層覆土：將按配比拌合均勻的適生材料和植物種子均勻地撒播到護(hù)坡表面，厚度控制在2～4 cm；③養(yǎng)護(hù)：覆蓋18 g/m2的無(wú)紡布用于初期保墑，無(wú)紡布采用U 形釘固定在坡面上。

6）覆蓋無(wú)紡布后，28 d 內(nèi)視天氣情況澆水養(yǎng)護(hù)：晴熱天氣蒸發(fā)量大時(shí)應(yīng)在早上6—7 時(shí)澆透水一遍。

7）進(jìn)行簡(jiǎn)單園林養(yǎng)護(hù)，至植被長(zhǎng)出并覆蓋良好。護(hù)坡工程施工工藝見(jiàn)圖4。

2.6 工程應(yīng)用效果

該應(yīng)用試點(diǎn)工程于2019 年6 月底基本完工，經(jīng)過(guò)1 年多的運(yùn)行和檢查觀測(cè)，堤防邊坡采用植生型多孔混凝土護(hù)坡后達(dá)到以下效果：

1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明：植生型多孔混凝土護(hù)坡28 d 的抗壓強(qiáng)度達(dá)到9.8 MPa，有效孔隙率達(dá)到24.3%，基本滿足了護(hù)坡強(qiáng)度和植生的設(shè)計(jì)要求。

圖4 護(hù)坡工程施工工藝

2）植生型多孔混凝土護(hù)坡施工完成后，經(jīng)過(guò)15 d的養(yǎng)護(hù)，大部分植物種子均能正常的發(fā)芽，幼苗發(fā)育良好（圖5a）；1 個(gè)月時(shí)，植被生長(zhǎng)茂盛，植株高度達(dá)到10～15 cm，基本覆蓋了植生型多孔混凝土護(hù)坡的表面（圖5b）；兩個(gè)月時(shí)，植物根系穿過(guò)多孔混凝土護(hù)坡扎根于邊坡表層土壤中，并在邊坡土體中繼續(xù)發(fā)展（圖5c 和圖5d），這對(duì)邊坡坡面的水土保持和強(qiáng)度的提高非常有利。

3）工程完工后1 年多，經(jīng)歷了幾次洪水和持續(xù)2個(gè)月的高溫干旱天氣，植生型多孔混凝土護(hù)坡表面的植物生長(zhǎng)情況依然良好，堤防邊坡未發(fā)生沖刷和垮塌等穩(wěn)定性破壞現(xiàn)象，基本達(dá)到了預(yù)期的固坡和綠化效果，使坡面景觀與周邊環(huán)境融為一體，圖5e 和圖5f 是應(yīng)用試點(diǎn)工程實(shí)施前后的實(shí)物圖，從圖中可以直觀地看到植生型多孔混凝土在河道岸坡整治工程中的應(yīng)用效果很好。

3 結(jié) 語(yǔ)

植生型多孔混凝土是一種在工程應(yīng)用中能夠兼顧工程規(guī)范與生態(tài)修復(fù)要求，并將工程防護(hù)和植物防護(hù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的新型護(hù)坡材料。植生型多孔混凝土在生態(tài)護(hù)坡工程尤其是河道岸坡生態(tài)治理工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖5 工程應(yīng)用效果

本文以長(zhǎng)沙縣太陽(yáng)灘水閘下游河道岸坡整治工程為例，對(duì)植生型多孔混凝土原材料選用、配合比設(shè)計(jì)、制備工藝及護(hù)坡工程施工工藝進(jìn)行了探討，并分析了工程應(yīng)用效果，認(rèn)為植生型多孔混凝土護(hù)坡技術(shù)不僅能充分保證護(hù)坡工程的安全性，還可以保護(hù)和恢復(fù)河道生態(tài)環(huán)境、改善河道生態(tài)條件。所以，研究植生型多孔混凝土在水利工程中的應(yīng)用及推廣對(duì)推動(dòng)生態(tài)水利的發(fā)展具有積極的意義。