疏浚底泥生態(tài)護岸材料在河道治理中的應(yīng)用

王 迪

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518100)

生態(tài)環(huán)境的組成部分之一是河道，河道的作用是過流、排洪，同時還可以對地下水起到補給的作用，多樣性的水流衍生了多樣化的水生物[1]。保留河道的蜿蜒性、彎道、回流、水草、石頭等，實現(xiàn)變換河道斷面，調(diào)節(jié)水流，深淺潭的交錯，為水生動植物及微生物提供多元化的生活環(huán)境，進而達到自我凈化的功效，實現(xiàn)生態(tài)效益。河道整治的前提是實現(xiàn)河道的基本功能，對流域的整個生態(tài)環(huán)境進行改善，增強水域的自我凈化功能，同時有效地建立綠色河道[2]。近些年人民生活水平不斷提高，對于河道治理也提出了新的要求，希望不僅傳承傳統(tǒng)工藝，還可以將親水性概念融入其中，實現(xiàn)人、水、自然和諧共存。河流建設(shè)中不能單一注重水利工程建設(shè)的防汛抗旱，更要將自然環(huán)境與地域文化相融合，構(gòu)建多元化的親水性生態(tài)流域[3]。

由于目前河流普遍存在的湖泊淤積嚴重、兩岸塌陷及護岸生態(tài)能力弱等問題，田旭等[4]通過采用ISER技術(shù)改善河流湖泊泥沙淤積并修復(fù)生態(tài)環(huán)境，生態(tài)修復(fù)出來的淤泥資源可以用來做護岸、護坡的材料，同時在新建的護岸上種植鳶尾、美人蕉等植物，重新構(gòu)造河岸并且優(yōu)化河岸生態(tài)景觀，經(jīng)過崇明區(qū)工程的示范，證明了對河岸被侵蝕、坍塌引起的排水不通暢，硬質(zhì)護岸生態(tài)功能的不足等難題都有非常顯著的功效，改善了生態(tài)景觀，保障了崇明區(qū)的世界級別的生態(tài)島嶼的完好以及持續(xù)發(fā)展的需求；岳景哲[5]致力于降低工程的成本，提升城市河道工程的長久性，選取高密度聚乙烯單向土工體外加筋土疊墻結(jié)構(gòu)來設(shè)計護岸，運用回包、反慮的形式建筑加筋體墻面，利用廢棄的砂礫料、建筑剩余垃圾進行填充，運用DIBT方法計算墻體的穩(wěn)定性，采取蠕變極限值設(shè)計加筋材料參數(shù)，新的墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決了兩個問題：疊墻的上一級墻體基礎(chǔ)是否穩(wěn)定沉降、加筋體與護面天然料石如何連接，能夠提高一倍甚至更多的使用年限，節(jié)省31%的工程費用，工程竣工后檢驗表明疊墻結(jié)構(gòu)非常安全。

基于以上研究背景，采用疏浚底泥制備了生態(tài)護岸材料，并將其應(yīng)用到了河道治理中，緩解了河湖淤積、岸坡坍塌以及護岸的生態(tài)功能。

1 利用疏浚底泥制備生態(tài)護岸材料

1.1 設(shè)計疏浚底泥生態(tài)護岸材料的配合比

將疏浚底泥生態(tài)護岸材料應(yīng)用到河道治理中，首先需要設(shè)計疏浚底泥生態(tài)護岸材料的配合比，制備疏浚底泥生態(tài)護岸材料。疏浚底泥制備生態(tài)護岸材料的目標參數(shù)見表1。

表1 疏浚底泥制備生態(tài)護岸材料的目標參數(shù)

根據(jù)疏浚底泥制備生態(tài)護岸材料的目標參數(shù)，設(shè)計了疏浚底泥生態(tài)護岸材料的配合比(見表2)。

表2 疏浚底泥生態(tài)護岸材料的配合比

1.2 分析疏浚底泥生態(tài)護岸材料的理化性質(zhì)

河道治理采用的疏浚底泥一般選擇河道底部表層0～0.3m的沉積物，對于采集到的疏浚底泥進行自然風(fēng)干處理[6]，經(jīng)測試，大部分疏浚底泥的粒徑都在5～75μm，通常屬于粉質(zhì)黏土[7]。其主要的理化性質(zhì)以及重金屬含量見表3～表5。

表3 疏浚底泥的理化性質(zhì)統(tǒng)計

續(xù)表

表4 疏浚底泥生態(tài)護岸材料的化學(xué)成分

表5 疏浚底泥生態(tài)護岸材料的重金屬含量 單位:mg/kg

2 測試疏浚底泥生態(tài)護岸材料的性能指標

2.1 測試疏浚底泥生態(tài)護岸材料的無側(cè)限抗壓強度指標

將疏浚底泥、添加劑和固結(jié)劑按照表2的配合比進行混合攪拌，模具選擇70.7mm×70.7mm×70.7mm的立體模具，制備疏浚底泥生態(tài)護岸材料的結(jié)構(gòu)體試塊，將試塊養(yǎng)護處理直到規(guī)定齡期之后[8]，將試塊放到電腦全自動水泥抗折抗壓實驗機上，以0.03～0.15kN/s的速度進行均勻且連續(xù)的加壓處理，直到試件破壞為止，將試件破壞時的荷載記作P，利用下式計算疏浚底泥生態(tài)護岸材料試塊的無側(cè)限抗壓強度

式中f——疏浚底泥生態(tài)護岸材料試塊的無側(cè)限抗壓強度，MPa；

P——試塊在破壞時的最大受力，N；

A——試塊在河道治理中的承壓面積，mm2。

疏浚底泥生態(tài)護岸材料的抗壓強度是衡量坡岸穩(wěn)定性的一個重要指標，河道底泥的固結(jié)強度值越高，說明坡岸越穩(wěn)定[9]，基本不會發(fā)生下沉垮塌現(xiàn)象，疏浚底泥生態(tài)護岸材料不同齡期的無側(cè)向抗壓強度見表6。

表6 疏浚底泥生態(tài)護岸材料不同齡期的無側(cè)向抗壓強度

由表6的抗壓強度值可知，當(dāng)疏浚底泥生態(tài)護岸材料外摻固結(jié)劑的含量為7%、樹脂粉添加劑含量為1%、秸稈粉添加劑含量為2%時，固結(jié)強度值會隨著齡期的增加而越來越高，當(dāng)齡期為28天時，疏浚底泥生態(tài)護岸材料的無側(cè)限抗壓強度為0.92MPa，符合設(shè)計要求。

2.2 測試重金屬浸出安全性

對疏浚底泥生態(tài)護岸材料進行重金屬浸出試驗，測試出浸出液是否滿足國家生態(tài)指標，從而探究出河道治理過程中的環(huán)境安全性[10]。疏浚底泥生態(tài)護岸材料浸出濃度與生態(tài)指標的試驗測試結(jié)果見表7。

表7 疏浚底泥生態(tài)護岸材料的重金屬浸出濃度 單位：mg/kg

從表7的結(jié)果可以看出，疏浚底泥固結(jié)體的每一種重金屬浸出濃度都小于國家生態(tài)指標中的每一種重金屬濃度指標，說明疏浚底泥固結(jié)體制備出來的生態(tài)護岸材料不會讓重金屬污染物浸出，避免了二次污染發(fā)生，固結(jié)劑對疏浚底泥生態(tài)護岸材料的處理具有比較良好的穩(wěn)定性和固化作用。

2.3 分析疏浚底泥生態(tài)護岸材料的抗剪強度

疏浚底泥生態(tài)護岸材料經(jīng)過固結(jié)處理之后應(yīng)用到河道護岸結(jié)構(gòu)體上具有一定的抵抗剪切的能力，而抗剪強度是指疏浚底泥生態(tài)護岸材料在外力作用下，一部分土體對另一部分土體產(chǎn)生相對滑動過程中，所具有的抵抗剪切破壞的極限強度[11]。將河道土體顆粒之間的內(nèi)摩擦角、膠結(jié)物以及束縛水膜的分子產(chǎn)生的黏聚力作為抗剪強度指標，利用三軸壓縮固結(jié)不排水試驗的方法[12]，測量疏浚底泥生態(tài)護岸材料的內(nèi)摩擦角和黏聚力(見表8)。

表8 疏浚底泥生態(tài)護岸材料的內(nèi)摩擦角和凝聚力測量結(jié)果

從表8的結(jié)果可以看出，疏浚底泥生態(tài)護岸材料經(jīng)過固結(jié)處理之后，抗剪切性能有了比較顯著的改善，隨著齡期的增加也在不斷增強，由于后期植被的生長，當(dāng)根系進入到固結(jié)體之后，并伴隨植被根系的協(xié)同作用，疏浚底泥生態(tài)護岸材料的抗剪切強度越來越強，岸坡的穩(wěn)定性也發(fā)生了顯著性改善。

2.4 測試疏浚底泥生態(tài)護岸材料的固化泥干密度和孔隙率

由于干密度和孔隙率之間的關(guān)系非常密切[13]，通過測量疏浚底泥生態(tài)護岸材料的固化泥干密度和孔隙率，分析兩者之間的關(guān)聯(lián)性能(見表9)。

表9 疏浚底泥生態(tài)護岸材料的干密度和孔隙率值

由表9可知，當(dāng)疏浚底泥生態(tài)護岸材料的干密度和孔隙率分別為1.2g/cm3和21%時，符合設(shè)計要求，疏浚底泥生態(tài)護岸材料的孔隙率高，可以增加疏浚底泥生態(tài)護岸材料的比表面積，為河道中的微生物繁殖提供一個比較良好的載體，為水陸能量和物質(zhì)之間的交換提供了一條良好的通道。

3 工程實例分析

為了評估生態(tài)效果，當(dāng)生態(tài)河道建設(shè)工程施工完成之后，定性觀測施工之前和施工一年之后的河岸區(qū)域植被覆蓋度和區(qū)域水土流失情況，生態(tài)河道建設(shè)工程竣工結(jié)束的一年以內(nèi)，對生態(tài)護岸和護坡進行生態(tài)監(jiān)測和水質(zhì)監(jiān)測。

3.1 生態(tài)河道建設(shè)工程施工前后的效果對比

利用疏浚底泥生態(tài)護岸材料，進行河道整治、岸坡修復(fù)以及植被修復(fù)[14]。生態(tài)河道建設(shè)工程施工前后的對比情況見圖1。

圖1 生態(tài)河道建設(shè)工程施工前后的對比情況

生態(tài)河道建設(shè)工程實施后，河道邊坡整體水土的保持能力有了顯著性的提升，完全不會因為水位區(qū)域的變動和水流的沖刷作用發(fā)生垮塌或者滑移的現(xiàn)象；在護坡區(qū)域栽植一些綠色植被或者在護岸區(qū)域種植一些挺水植物，增加河道邊緣處的植被多樣性，可以使河道景觀性恢復(fù)達到良好的狀態(tài)；河道邊緣處由于居民違章搭建房屋建筑而導(dǎo)致出現(xiàn)臟亂差的現(xiàn)象也得到集中性整治，河道治理后，水生態(tài)環(huán)境恢復(fù)能力越來越好，水的質(zhì)量也越來越高[15]。

3.2 監(jiān)測并分析水質(zhì)指標情況

在一年當(dāng)中監(jiān)測生態(tài)護岸、護坡的水質(zhì)4次，經(jīng)分析，生態(tài)河道建設(shè)工程實施后，溶解氧和水體透明度都得到了顯著提高，分別提高了50%和75%，這一結(jié)果是水體理化性質(zhì)和生物學(xué)的綜合反映，說明河道水體的自凈能力得到了非常顯著的改善。水質(zhì)指標監(jiān)測數(shù)據(jù)見表10。

表10 河道水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

從表10的結(jié)果可以看出，在水質(zhì)的前三次監(jiān)測中，總磷、總氮、氨氮、化學(xué)需氧量和pH值都呈現(xiàn)出顯著性降低，氨氮含量下降大約20%左右，pH值下降大約10.8%左右，總氮和總磷的含量大約下降12%左右，說明通過河道治理可以為生物多樣性創(chuàng)造更好的條件，水質(zhì)也出現(xiàn)了明顯改善，提高了河道的生態(tài)效果。

4 結(jié) 語

在應(yīng)用疏浚底泥生態(tài)護岸材料進行河道治理過程中，通過設(shè)計疏浚底泥生態(tài)護岸材料的配合比，分析了疏浚底泥生態(tài)護岸材料的理化性質(zhì)，實現(xiàn)了疏浚底泥生態(tài)護岸材料的制備，并測試了疏浚底泥生態(tài)護岸材料的性能指標，通過工程實例分析，驗證了疏浚底泥生態(tài)護岸材料在河道治理具有良好的應(yīng)用前景。