新型裝配式護岸在中小河流中的應用研究

溫文杰

(茂名市鑒江流域水利水電建筑安裝工程有限公司，廣東 茂名 511500)

中小河流的水利工程治理工作一直未得到足夠的重視，生態(tài)破壞、水污染問題仍然廣泛存在，在一些中小河流的治理工程中，往往過度重視防洪安全穩(wěn)定性能而忽視了對兩岸生態(tài)環(huán)境的保護，特別是采取簡單的硬化處理極大地破壞了生態(tài)環(huán)境，這與綠色可持續(xù)發(fā)展道路相違背[1-2]。

傳統(tǒng)的護坡方式如密實型護坡、孔洞型護坡、天然植被護坡存在各自的優(yōu)缺點，密實型護坡強度高，密實性好，但封閉不透水，不利于兩岸植被生長；孔洞型護坡在抗水流沖刷和利于植被生長方面不能很好地兼顧，往往效果不是很明顯；天然植被護坡雖然綠化效果好，但抗沖性耐磨性能較差。鑒于傳統(tǒng)護坡存在的弊端，逐漸發(fā)展出幾類新型的生態(tài)護坡，如三維土工網(wǎng)墊護坡、生態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)護坡、骨架植草護坡、土工格室護坡，但是仍然存在各種各樣的問題，如施工質(zhì)量難以控制、使用壽命短，護坡效果一般等[3-5]。裝配式植草混凝土護坡是一種結(jié)合傳統(tǒng)護坡和新型生態(tài)護坡技術(shù)的新型護坡結(jié)構(gòu)型式，相比其他護坡型式，具有整體穩(wěn)定性能好、施工方便，節(jié)約成本、環(huán)境美觀，生態(tài)環(huán)境效果好、消能效果好、安全性能好等諸多優(yōu)點，在中小流域治理中逐漸普及，但目前該技術(shù)尚未成熟，尤其是在結(jié)構(gòu)選型方面，很多都是依靠施工經(jīng)驗進行確定，缺乏理論支撐[6-10]。

鑒于當前中小型河道護岸治理工作存在的問題，文章設計了五種結(jié)構(gòu)型式的裝配式植草混凝土護岸，并對其綠化效果和保土抗沖性能進行了對比研究，以期為新型裝配式植草混凝土生態(tài)護坡設計與施工提供參考。

1 試驗概況

1.1 材料選擇

裝配式植草混凝土主要由水泥、粗骨料、細骨料、礦物摻合料、化學添加劑以及水等組成。水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3.09g/cm3，細度為2.1%，初凝和終凝時間分別為195min和235min，28d抗壓強度和抗折強度分別為49.9MPa和8.7MPa；粗骨料為粒徑15～30mm的連續(xù)級配碎石骨料，表觀密度為2760kg/m3，堆積密度為1500kg/m3，含沙量為0.8%，針片狀含量為10.4%，吸水率為11.2%，壓碎值為6.3%；細骨料為天然河砂，表觀密度為2650kg/m3，堆積密度為1525kg/m3，細度模數(shù)為2.15，含泥量為2.8%；為了抑制植草混凝土內(nèi)部堿反應導致pH值過大的現(xiàn)象，使用部分硅粉替代水泥，同時在混凝土中摻入SR-4添加劑(主要成分為CaCO3、SiO2)來降低混凝土的pH值，從而讓植物可以更好生長；拌合水為試驗室自來水，pH值為6.8～7.2。

1.2 配合比設計

根據(jù)相關文獻，生態(tài)植草混凝土的最佳配合比為：液固比0.25，碎石1480±50kg/m3，水泥220±10kg/m3，砂200±10kg/m3，水100±5L/m3，SR-4 3±0.5L/m3，雖然此配合比滿足中小河流工程治理的各種性能(強度、孔隙率、抗沖刷強度、pH值等)要求，但是這種配合比所使用的骨料粒徑(20～40mm)較大，對于文章提出的裝配式結(jié)構(gòu)不太適合，因為裝配式結(jié)構(gòu)存在許多邊角，會導致接觸點和接觸面過少而影響預制塊的整體強度，進而導致裝配式預制塊容易出現(xiàn)斷裂，因此經(jīng)過多次試配，提出適用于裝配式植草混凝土的配合比，詳見表1。在此配合比下，裝配式混凝土的28d抗壓強度為8.8MPa，pH值為8.2，有效孔隙率在25%以上，抗沖刷強度為0.17MPa，均滿足相關性能要求。

表1 裝配式植草混凝土配合比設計情況

1.3 結(jié)構(gòu)設計

基于文章提出的裝配式植草混凝土配合比，設計了5種結(jié)構(gòu)型式的預制塊，如圖1所示。結(jié)構(gòu)1：嵌固式通孔正六邊形，邊長為16cm，厚度分別為10cm和8cm，厚度為10cm的預制塊預留邊長為7.5cm的正四邊形通孔(主要作用是種植香根草)，厚度為8cm的預制塊不預留通孔，兩種不同厚度的預制塊間隔拼接，從而形成一個高差為2cm的消浪坎，可以起到消能減速的作用；結(jié)構(gòu)2：嵌固式凹槽正六邊形，邊長為16cm，厚度也是10cm和8cm兩種，厚度為8cm的預制塊中間預留邊長為8cm的正方形通孔，厚度為10cm的預制塊中間預留邊長為8cm、高度為3cm的正四棱體凹槽，兩種厚度的預制塊間隔拼接；結(jié)構(gòu)3：嵌固式十字形，長度為45cm，寬度為15cm，厚度為8cm，在預制塊中間預留厚度為13cm、邊長為15cm的正四棱柱體，每條邊上均預留一個邊長為5cm的等腰三角形傾角，以便在拼裝之后種植香根草；結(jié)構(gòu)4：嵌固式通孔正四邊形，邊長為30cm，厚度分別為8cm和10cm，在厚度為10cm正方形預制塊中間預留邊長為7.5cm的正方形通孔，兩種厚度預制塊間隔拼接；結(jié)構(gòu)5：嵌固式斜角工字形，長度為46cm，寬度為20～30cm，厚度為10cm和8cm兩種，兩種厚度的預制塊間隔拼接。

圖1 裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)設計示意圖(單位：cm)

1.4 試驗方案

為了選擇最佳的裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)型式，在示范河流開展了保土抗沖性能試驗，主要包括近岸水流流速影響試驗、天然降雨保土抗沖性能試驗以及河流沖刷保土性能試驗。近岸水流流速影響試驗主要測定五種結(jié)構(gòu)型式的裝配式植草混凝土在不同水位(0.5、1m)和流速(1.2、0.7m/s)下的流速差(消能性能)。天然降雨保土抗沖性能試驗主要測試五種結(jié)構(gòu)型式的裝配式植草混凝土(坡比為1∶2)在40、80、100mm/h 3種雨強下的沖刷量。河流沖刷保土性能試驗主要測試五種結(jié)構(gòu)型式的裝配式植草混凝土在流速為1.2m/s、水位為0.5m、坡度為1∶2條件下的累計沖刷量變化規(guī)律。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 對河道流速的影響

不同裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)型式在不同水位和流速工況下的流速差試驗結(jié)果如圖2所示。從圖2中可知：不同結(jié)構(gòu)型式下，河道流速均存在一定的差值，這主要是因為裝配式植草混凝土設計結(jié)構(gòu)型式為凹凸不平的形式，增加了水流流程，同時對水流形成一定的阻力作用，可以造成更多的水力沿程損失和局部損失，因而可以明顯降低近岸水流的流速；相同水位下，流速越大，流速差越大，表明高速水流在裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)中所消耗的能量越多，即流速越大，混凝土預制塊的抗沖性能越弱；相同流速下，水位越高，流速差越大，說明在水位較高情況下，裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)對河道水流具有更好的消能效果；在相同水位和流速下，結(jié)構(gòu)1(嵌固式通孔正六邊形)的流速差最大，表明該結(jié)構(gòu)型式具有最好的消能效果，在五種結(jié)構(gòu)型式中，結(jié)構(gòu)5(嵌固式斜角工字形)的消能效果最弱。

圖2 不同結(jié)構(gòu)型式流速差對比

2.2 降雨強度對沖刷量的影響

不同裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)型式在不同降雨強度下的沖刷量對比情況如圖3所示。從圖3中可知：隨著降雨強度的增大，相同結(jié)構(gòu)型式下的沖刷量均呈逐漸增大的變化特征，當降雨強度≤80mm/h時，沖刷量隨降雨強度的增長幅度不大，這是因為在降雨影響下，沖刷量與土的固結(jié)度有關，當降雨未對土體固結(jié)度產(chǎn)生實質(zhì)影響時，其沖刷量是基本不會變化的，當降雨強度達到100mm/h后，降雨對土體的固結(jié)度產(chǎn)生了實質(zhì)性影響，從而造成大量土體被雨水沖刷掉，在降雨強度為100mm/h下，沖刷量可以達到降雨強度為80mm/h時沖刷量的3～6倍。在40、80、100mm/h 3種降雨強度下，結(jié)構(gòu)1(嵌固式通孔正六邊形)的沖刷量最小，表明其具有最好的保土抗沖刷能力，結(jié)構(gòu)3(嵌固式十字形)的保土抗沖刷能力最差。

圖3 不同結(jié)構(gòu)型式在降雨作用下沖刷量對比

2.3 不同結(jié)構(gòu)型式抗河流沖刷

不同裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)型式預制塊的河流累計沖刷量變化規(guī)律如圖4所示。從圖4中可知：隨著河流沖刷的持續(xù)進行，累計沖刷量呈逐漸增大的變化特征，且在0～20min的增長幅度要大于20～40min的增長幅度；在裸土邊坡條件下，經(jīng)過40min的河流沖刷后，累計沖刷量達到了33kg，而采用裝配式植草混凝土預制塊進行鋪填后，累計沖刷量有較大的幅度降低，結(jié)構(gòu)1、2、3、4、5歷經(jīng)40min河流沖刷后的累計沖刷量分別為18.5、22.5、19.5、21.5和22.5kg，相比裸土邊坡，累計沖刷量分別降低了43.9%、31.8%、40.9%、34.8%和31.8%，就河流抗沖刷性能而言，仍然是結(jié)構(gòu)1(嵌固式通孔正六邊形)的效果最好，結(jié)構(gòu)3(嵌固式十字形)的河流抗沖刷性能次之，結(jié)構(gòu)2(嵌固式凹槽正六邊形)和結(jié)構(gòu)5(嵌固式斜角工字形)的河流抗沖刷性能最差。

圖4 不同結(jié)構(gòu)型式累計沖刷量變化特征

3 討論

通過對不同結(jié)構(gòu)型式裝配式植草混凝土保土抗沖性能試驗可以得出：嵌固式通孔正六邊形的消能防沖效果最好，具有更好的抗雨水沖刷和河流沖刷的效果，在保土抗沖性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，同時該結(jié)構(gòu)型式裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)較為簡單，便于施工拼裝，能夠適應復雜多變的岸坡地形，在施工過程中破損現(xiàn)象較少。而嵌固式凹槽正六邊形結(jié)構(gòu)、嵌固式十字形結(jié)構(gòu)以及嵌固式斜角工字形結(jié)構(gòu)較為復雜，不利于現(xiàn)場施工拼裝，施工作業(yè)效率有所降低，且嵌固式十字形結(jié)構(gòu)型式在施工過程中破損率較高(運輸不便造成)，因而并不適用，嵌固式通孔正四邊形雖然結(jié)構(gòu)簡單，易于拼裝施工，但保土抗沖性能一般，且嵌固性一般，穩(wěn)定性不好。終上所述，采用嵌固式通孔正六邊形裝配式植草混凝土作為中小河流的護岸結(jié)構(gòu)型式效果最好。

4 結(jié)語

裝配式植草混凝土護岸相比傳統(tǒng)護岸具有整體穩(wěn)定性能好、施工方便、節(jié)約成本、環(huán)境美觀、生態(tài)環(huán)境效果好、消能效果好、安全性能好等諸多優(yōu)點，通過設計五種不同結(jié)構(gòu)型式裝配式植草混凝土護岸的保土抗沖性能試驗，得出嵌固式通孔正六邊形不僅在保土抗沖性能方面表現(xiàn)更加優(yōu)異，而且結(jié)構(gòu)簡單，易于拼裝施工，施工過程中的破損率也較低，因而推薦嵌固式通孔正六邊形作為裝配式植草混凝土的最佳結(jié)構(gòu)型式。由于試驗均在示范河流進行，很多試驗條件和參數(shù)并不能精準控制，可能導致試驗數(shù)據(jù)存在一定的誤差，這將在今后做進一步的完善。