生態(tài)混凝土在河道工程中的研究及應(yīng)用

葉瑞彬

(深圳市金河建設(shè)集團(tuán)有限公司，深圳 518049)

隨著我國現(xiàn)代化生產(chǎn)水平提高，水利工程建設(shè)經(jīng)過了20多年的高速發(fā)展期，各種混凝土護(hù)岸、漿砌石護(hù)坡、混凝土防洪墻等項目建設(shè)保障了一方的防洪安全，消除了黑臭水體，為千家萬戶的生活、生產(chǎn)提供了便利。大量混凝土的應(yīng)用也帶來的消極的一面：混凝土由水泥、砂、碎石按一定比例配制，材料的獲取必須實施開礦、燒制、采(洗)砂、采石等破壞環(huán)境行為，消耗了大量的能源和不可再生資源，同時還排放了大量的廢氣、揚塵、污水等，對生態(tài)環(huán)境和水生物系統(tǒng)造成了很大的損害。十九大以來，以政府各級部門為主導(dǎo)的各行業(yè)各單位都在參與生態(tài)文明建設(shè)，水利建設(shè)工程與水生態(tài)關(guān)聯(lián)最為密切，在保證防洪要求的同時創(chuàng)建和恢復(fù)生物圈的生物多樣性是水利工程生態(tài)建設(shè)的關(guān)鍵。生態(tài)混凝土因為具有多種優(yōu)點，正在全國各地進(jìn)行實踐及推廣。

1 生態(tài)混凝土的種類

生態(tài)混凝土是一種能夠適應(yīng)植物和動物生長的混凝土總稱，它既保留混凝土強度、耐久性、耐水性的特征，又具備保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)植生物生長、改善生態(tài)條件的特殊性，生態(tài)功能顯著。自1993年日本大成建設(shè)技術(shù)研究院首先提出生態(tài)混凝土的概念以后，我國國內(nèi)多個研究機構(gòu)進(jìn)行深入研究、實驗，陸續(xù)發(fā)表科技成果，取得較大的成效。目前生態(tài)混凝土在我國沒有一個國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性的分類和定義，名稱叫法和做法五花八門，各研究機構(gòu)(單位)百家爭鳴，從施工方式、選材用料、材料配比等方面各自掌握相關(guān)技術(shù)各自命名。通過研究相關(guān)文獻(xiàn)，從生態(tài)混凝土最終呈現(xiàn)形態(tài)自定義歸納以下幾種類型。

1.1 孔洞型植生混凝土

孔洞型植生混凝土，主要以粗骨料與膠凝劑拌合產(chǎn)生規(guī)律性孔隙率和孔徑的一種特制混凝土，需在混凝土完成施工后在孔隙內(nèi)充填適合植物生長的物料，植物根系生長于孔隙內(nèi)或順著孔洞穿透混凝土生長于下層土壤中。此類混凝土或混凝土制品是植物與混凝土通過混凝土孔隙內(nèi)的植物生長基有機結(jié)合而成的新型混凝土?？锥葱突炷令愃朴诖蠊橇贤杆炷镣瓿珊笤诳锥粗刑钊肷L基質(zhì)并播種草籽，雖然能起到一定的綠化效果，抗沖刷能力也較強，但其混凝土本身強堿等性能沒有得到改良，生物、小動物及微生物難以生存，嚴(yán)格上說不能算是真正意義上生態(tài)混凝土。

1.2 生物基生態(tài)混凝土

生物基混凝土是利用混凝土集料進(jìn)行粗骨料改良并按配比添加多種功能性添加劑經(jīng)過攪拌制成的混凝土，其材料組成一般為：3～7cm粗骨料、水泥、有機肥料、土壤、花草籽、BSC-WY添加劑、BSC-J系列土壤添加劑等；根據(jù)待處理基面地質(zhì)條件及環(huán)境要求還有其它輔助材料：鋼筋、保水劑、粘合劑、木屑、草炭等。

生物基混凝土通過系統(tǒng)添加劑，使其具有減少了水泥用量、透水透氣、凈水儲熱、提高與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)性等特點，其對環(huán)境友好性、生物相容性和生態(tài)效應(yīng)有較好的效果。生物基混凝土28d抗壓強度可達(dá)到7MPa～20MPa，同時具有25%～38%的連續(xù)孔隙率，在保障防洪安全、抗沖刷的同時，一方面有利于植物群的建立，另一方面也有利于昆蟲、小動物、菌種、微生物的生存，形成生態(tài)鏈。

1.3 植被生態(tài)混凝土

植被混凝土是一種類似于原生態(tài)植被但又增加了混凝土特有強度屬性的無骨料生態(tài)基材混凝土，它與生物基混凝土優(yōu)點相似，最大的區(qū)別在于利用種植土(砂壤土)完全代替粗骨料，減少對石礦資源的開采消耗；加入大量有機物料充分拌合形成密集連續(xù)的孔隙，植物根系從孔隙穿過生態(tài)混凝土進(jìn)入到下層土體，這樣就增強了水土流失預(yù)防效果，對于維護(hù)岸坡穩(wěn)定性有著一定的積極意義，并能夠給生物提供棲息地以及活動場所；利用添加劑降低水泥中的強堿成分；減少骨料后形成的生態(tài)混凝土孔徑變小而孔隙率增多至30%～45%，密集的小孔隙有利于過濾岸堤滲水，保留滲水通路的同時過濾泥砂，也能夠滿足植物及小動物、微生物的生長；由于加入水泥膠合料，有一定的強度保證，再加上采取護(hù)腳+格構(gòu)梁+鋼網(wǎng)片等輔助的工程手段，增加了其整體性，從而增強抗沖刷能力。

2 生態(tài)混凝土的選擇

通過對幾類生態(tài)混凝土的比較，得到如下幾個對比指標(biāo)：

(1)抗沖刷能力：孔洞混凝土>生物基混凝土>植被混凝土；

(2)能源節(jié)耗率：植被混凝土>生物基混凝土>孔洞混凝土；

(3)生態(tài)生存條件：生物基混凝土=植被混凝土>孔洞混凝土；

(4)經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)：植被混凝土>生物基混凝土>孔洞混凝土；

綜合地域性地材的貧富分析，工程位于深圳市，一直以來存在土壤資源過剩難以消化處理的弊端，且地域面積較小，棄土場所非常有限，用“土壤成災(zāi)”來形容深圳土方現(xiàn)狀也不為過。推行植被混凝土有利于消化過剩的土壤資源，增加岸坡土壤的生物菌落，增強土壤的活性，提升土壤的物理和化學(xué)指標(biāo)。

3 工程的應(yīng)用

3.1 工程概況

西涌河防洪達(dá)標(biāo)整治工程(EPC)位于大鵬新區(qū)西涌街道轄區(qū)，流域面積為9.5km2，起源于南澳辦事處南端的蛇引坑，自北向南在西涌口的西涌灣匯入大鵬灣，整治后防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到50年一遇。在確保西涌河防洪、排澇達(dá)標(biāo)的前提下，通過對西涌河岸坡的形態(tài)、結(jié)構(gòu)進(jìn)行生態(tài)改造，構(gòu)建河道生物多樣性，提高河道自我調(diào)節(jié)和自凈能力，保障西涌河流域的水資源循環(huán)利用，配合流域內(nèi)生態(tài)和景觀建設(shè)，做到人水和諧，延伸河道的功能，拓展城市的空間，構(gòu)造生態(tài)海綿河道，展現(xiàn)大鵬生態(tài)底蘊。其中工程生態(tài)岸坡修復(fù)約2.39km，做法如圖1所示。

圖1 生態(tài)修復(fù)做法圖

3.2 施工工藝流程

岸坡基礎(chǔ)處理→格構(gòu)梁施工(可選)→坡面修整→放線→坡面掛防護(hù)網(wǎng)→加固錨筋(土釘及限位錨釘)施工→錨釘固定→綁扎固定鋼絲網(wǎng)片→噴射植被混凝土基材層(不含種子)→噴射植被混凝土面層(含種子)→覆蓋無紡布→養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)安裝→養(yǎng)護(hù)。格構(gòu)梁和噴射植被混凝土基材層非必要項，可根據(jù)現(xiàn)場實施需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。施工工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程圖

3.3 坡腳處理

由于工程連通大鵬灣出?？?，受潮汛影響較大，根據(jù)水流流速計算，為了保證防洪安全，坡腳防沖刷措施采用拋石護(hù)腳+預(yù)制凝土生態(tài)種植箱組合安裝。生態(tài)種植箱的規(guī)格為長1500mm，寬1000mm，高1000mm，塊體之間采用插槽孔插銷連接，箱體內(nèi)填土種植，結(jié)構(gòu)不易損壞，有較強的抗沖刷能力。

3.4 格構(gòu)梁施工

采用C30鋼筋混凝土格構(gòu)梁將連續(xù)長岸坡分隔為多塊方格，提升坡面自穩(wěn)能力的同時，變相地將生態(tài)混凝土分切成各獨立小塊，避免受到重大災(zāi)害時整個坡面剝落；預(yù)防大面積生態(tài)混凝土干縮、冷縮裂縫的生成，提高整體性。

3.5 坡面人工修整

坡面人工修整主要是清理影響植生物生長的垃圾、雜物及有礙施工的障礙物等，以利于施工安全、植物生長。清理必須自上而下進(jìn)行，以鏟除原始邊坡上植物枝干為準(zhǔn)，對地下根莖不需進(jìn)行挖除，此部分作為工程與原坡面的過渡即植被結(jié)合部；清除坡表面的雜草、落葉枯枝、浮土浮石等；對于明顯存在巖石的凸出易脫落部位，進(jìn)行清除。

3.6 安裝鋼網(wǎng)片及錨釘

在坡面設(shè)置鋼網(wǎng)片及錨釘固定，有利于下道工序的植被混凝土形成整體定型在坡面上，特別是在施工初期植物系未穿入下層時，穩(wěn)固坡面。

鋼網(wǎng)片材質(zhì)可根據(jù)周邊環(huán)境及坡度大小進(jìn)行選擇，一般有鋼絲網(wǎng)、鍍鋅鐵絲網(wǎng)、浸塑鍍鋅鐵絲網(wǎng)等。本工程由于連接出?？冢紤]抗海水腐蝕采用了鍍鋅鐵絲網(wǎng)，鐵絲網(wǎng)規(guī)格為14號鍍鋅鐵絲網(wǎng)，網(wǎng)目60mm×60mm，網(wǎng)片從上到下順序鋪設(shè)并張緊，拼接的搭接長度不少于120mm，緊貼坡面部位需用混凝土墊塊，保證網(wǎng)面與坡面的間距30～50mm。

錨釘分為抗滑土釘和限位錨釘。抗滑土釘安裝間距為2000mm×2000mm，采用Φ18鋼筋制作，長1100mm，第一排抗滑土釘應(yīng)安裝在坡頂平臺上，角度與坡面垂直；限位錨釘，錨釘采用Φ8圓鋼制作，長250mm，間距500mm×500mm，錨釘與鋼網(wǎng)片用鐵絲綁扎固定。錨釘外露長度以被最終植被混凝土面層完全覆蓋30mm以上為準(zhǔn)。鋼網(wǎng)片與錨釘安裝布置如圖3所示。

圖3 鋼網(wǎng)片與錨釘安裝布置圖(單位：mm)

3.7 植被混凝土的材料及配合比

3.7.1材料要求

主要混合料：種植土、腐殖質(zhì)有機物料、普通硅酸鹽水泥、生境基改良劑、無紡布、混合草灌種子和水、有機肥混合等，各種材料要求如下。

(1)種植土：應(yīng)曬干，優(yōu)先選擇沙壤土和種植土，含砂率不得高于20%，濕度不得高于20%，干容重不得高于1.3g/cm3，PH值6.5～7.5。土料應(yīng)疏松，若粒徑大于10mm×10mm應(yīng)使用強制式篩土機對種植土進(jìn)行粉碎過篩。加工后的土料應(yīng)及時覆蓋或設(shè)置儲料大棚，避免露天存放。

(2)水泥：采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，原材送檢合格。

(3)腐殖質(zhì)有機物料:可選用稻殼、米糠、秸稈、椰糠等配置。

(4)生境基改良劑：用于改善混凝土生物與理化性質(zhì)，降低發(fā)熱量，調(diào)整混凝土PH值；增加孔隙率提高過濾、透氣性；活化土壤，固持養(yǎng)分，調(diào)節(jié)基材固液氣三相結(jié)構(gòu)，改善變形特性，減少裂縫產(chǎn)生。

(5)無紡布：規(guī)格14～15g/m2，幅寬3200～3500mm，送檢合格。

(6)草籽：植物種子質(zhì)量應(yīng)符合GB 6142—2008《禾本科草種子質(zhì)量分級》、GB 7908—1999《林木種子質(zhì)量分級》質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范中沒有的種子施工前應(yīng)進(jìn)行配比試驗和發(fā)芽試驗以確定種子用量。草籽用種量應(yīng)根據(jù)發(fā)芽率高低、噴播季節(jié)和環(huán)境、建植目標(biāo)群落的不同適當(dāng)增減。用種原則為：灌草灌混合，多草種、多灌種混合。

3.7.2材料配合比

配料控制決定了植被混凝土的質(zhì)量，必須一絲不茍執(zhí)行，拌制現(xiàn)場醒目位置應(yīng)設(shè)置配比表標(biāo)牌，把所需要物料量用計量秤稱準(zhǔn)，倒入計量斗(筒)內(nèi)，劃定標(biāo)記線與數(shù)值，并在計量斗(筒)外側(cè)注明物料名稱。配料的控制應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)定的植被混凝土物料配方(見表1)，精準(zhǔn)、高效地完成每種物料的添加，計量必須精準(zhǔn)。

表1 植被混凝土配合比

3.8 植被混凝土施工

完成坡面整治、鋼絲網(wǎng)和錨釘安裝固定、做好植被混凝土基材物料備料后，即可進(jìn)行植被混凝土基材的拌合配制和噴播施工。噴播所用設(shè)備為一般混凝土噴射機，基層和面層分別進(jìn)行。從坡面由上至下進(jìn)行噴護(hù)，先基層后面層，基層與面層施工的間隔時間為3～4h，不得超過8h。每次噴播寬度4～6m，高度3～5m。噴播由大于12m3的空壓機送風(fēng)，采用干式噴漿法施工。植被混凝土作業(yè)程序流程如圖4所示。

圖4 植被混凝土作業(yè)流程圖

3.8.1拌合植被混凝土

使用強制滾筒式攪拌機進(jìn)行物料拌合，依次加入沙壤土(種植土)、水泥、有機物料、生境基材添加劑、有機肥、復(fù)合肥、植物種子(面層)，攪拌時間以最后加入物料起計約4～5min。各類物料、添加劑的配置，需嚴(yán)格按事先測定的配比進(jìn)行配料，誤差不超過0.5kg。植物種子應(yīng)提前混合好一個工班的用量，計算每罐的分配量、使用量再添加。

注：1.稻殼、椰糠體積為松散(非壓縮)體積；坡面量損耗系數(shù)約1.3；2.水泥和添加劑視常潮水位線適當(dāng)調(diào)整(基層常潮水位線以上600，常潮水位線以下800)

混凝土開始攪拌時，應(yīng)對植被混凝土的干濕度、均勻度等進(jìn)行鑒定是否符合要求，經(jīng)調(diào)整合格后再正式攪拌。攪拌好的植被混凝土要卸盡，在植被混凝土全部卸出之前，不得再投入拌合料，更不得采取邊出料邊進(jìn)料的方法。

為提高設(shè)備的組合工效，應(yīng)合理安排各類機械與噴射點的間距，攪拌機和混凝土噴射(砼)機之間的物料輸送可以使用輸送帶或裝載機；距離較遠(yuǎn)時，應(yīng)在混凝土噴射機(干噴)進(jìn)料位置設(shè)置儲料筒或使用全自動連續(xù)混凝土噴射機。運輸過程防止產(chǎn)生初凝現(xiàn)象；從卸料到最后完成噴播的時間不超過3h。

3.8.2噴射植被混凝土

噴射前應(yīng)先檢查風(fēng)、水、電管路是否暢通、進(jìn)料口振動篩是否安設(shè)穩(wěn)妥、風(fēng)壓系統(tǒng)是否穩(wěn)定、各種機械設(shè)備是否工作正常；調(diào)整風(fēng)壓，按植被混凝土回彈量小、表面濕潤有光澤、易粘著來調(diào)整風(fēng)壓，大小一般控制在0.3MPa～0.5MPa之間。風(fēng)壓過大，物料撞擊基面后回彈離析；風(fēng)壓過小動能不足，物料沖不進(jìn)基面而脫落導(dǎo)致回彈增大。

(1)基層噴射方法：①清理坡面垃圾雜物；②坡面噴淋濕潤，以保證原基面緊密連接；③試噴試驗，調(diào)節(jié)水灰比；④施工開機順序：先送風(fēng)、后開機、再給料；⑤噴射結(jié)束時應(yīng)待噴射料噴完后，再關(guān)風(fēng)；⑥控制措施：本工程基層的噴護(hù)厚度為9cm，可一次性噴至設(shè)計厚度；噴射頭輸出壓力不能小于0.1MPa；噴射過程中，噴嘴與坡面距離為600～1000mm之間；噴射移動可采用“S”形或螺旋形移動前進(jìn)，移動速度應(yīng)有利于植被混凝土的壓實；噴射角度與坡面夾角為90°最佳，偏差不能超過10°，以便獲得最大壓實力和最小回彈；噴射施工應(yīng)自上而下進(jìn)行，噴頭活動半徑內(nèi)優(yōu)先噴較低部位，后噴較高部位。

(2)面層噴射方法：面層施工必須在基層完成后8h內(nèi)進(jìn)行，最佳時間為3～4h內(nèi)；面層的噴植厚度為3cm；面層噴射前須用霧炮機噴一次透水，保證兩層之間的粘結(jié)；為保證草籽播撒均勻，面層噴射不同于基層，須近距離噴射；噴射需按5m左右寬度自上而下進(jìn)行。

3.9 覆蓋養(yǎng)護(hù)

噴射結(jié)束后48h內(nèi)應(yīng)使用無紡布覆蓋，灑水養(yǎng)護(hù)。無紡布能起到保墑、控制溫度的作用，提高植物種子出芽速度；防止草籽被鳥、獸啄食或風(fēng)雨損壞，提高植物種子出芽率和成活率。無紡布應(yīng)同坡面接觸緊密、防止風(fēng)吹。噴植后應(yīng)定時澆水養(yǎng)護(hù)，一般情況下夏季保持早晚澆水，冬季在中午(10∶00-16∶00)澆水，每次必須澆透澆足。如發(fā)現(xiàn)有植株死亡和缺少，在發(fā)現(xiàn)后一周內(nèi)，更換相同種類和高度的植物，及時澆水，保證成活。

4 結(jié)語

生態(tài)混凝土技術(shù)對于河道生態(tài)修復(fù)起到非常重要的積極作用，其抗沖刷能力保證了河道防洪安全性；PH中性基材和孔隙率保證了植物和生物同共生長形成生態(tài)鏈；配合比組合減少了水泥和骨料碎石能源消耗；降低工程造價。生態(tài)混凝土能真正實現(xiàn)節(jié)能減排、創(chuàng)造植生物多樣性共存的環(huán)境，促進(jìn)人與自然的和諧發(fā)展。但是生態(tài)混凝土的關(guān)鍵在于各類改良性添加劑的生產(chǎn)供應(yīng)，因其為專利配方，生產(chǎn)企業(yè)較少，產(chǎn)能不足，且目前沒有國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，要實現(xiàn)大規(guī)模推廣還需要政府主導(dǎo)和行業(yè)的積極參與，為生態(tài)文明建設(shè)做貢獻(xiàn)。