河道護(hù)坡中植生混凝土作用機(jī)理研究

張濟(jì)寧

(法庫縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 法庫 110400)

0 引 言

漿砌石等硬質(zhì)護(hù)坡是傳統(tǒng)河道整治工程的主要方式，因未考慮周邊環(huán)境的生態(tài)環(huán)境致使河岸周圍生態(tài)退化，大大降低了河流自凈功能。植生混凝土作為綠色新型建筑材料，通過將混凝土與自然生態(tài)的有機(jī)結(jié)合，打破了生態(tài)環(huán)境受傳統(tǒng)混凝土的限制，對(duì)協(xié)調(diào)人與自然關(guān)系、保持生物多樣性、修復(fù)生態(tài)環(huán)境、減輕環(huán)境負(fù)荷、增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性以及保持水土等方面具有重要作用[1-3]。因此，我國諸多學(xué)者深入探討了植生混凝土的護(hù)坡材料性能，如鄭德戈等研究了植生混凝土在堤防護(hù)砌工程中的防護(hù)作用，結(jié)果顯示水位驟降對(duì)植生混凝土的影響可忽略不計(jì)；林志光等認(rèn)為植生混凝土可以持續(xù)有效地凈化水體；宋文杰等認(rèn)為植生混凝土能夠維持較高的N、P去除率，其孔隙結(jié)構(gòu)可以明顯增強(qiáng)植物的水體凈化功能。鑒于此，文章設(shè)計(jì)不同粒徑的粗集料和不同邊坡坡度，以岸坡種植高羊茅草籽為例，研究了普通土體、植生混凝土表層無覆土、覆土未種草、覆土種草和漿砌石硬化護(hù)坡模式，并試驗(yàn)分析了植生混凝土除雜吸附、反濾和截留表層土質(zhì)性能，通過合理設(shè)置空白對(duì)照組和控制變量確定護(hù)坡形式，并綜合評(píng)價(jià)植生混凝土護(hù)坡效果，旨在為河道護(hù)坡工程中植生混凝土的推廣應(yīng)用提供一定參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 邊坡設(shè)計(jì)

根據(jù)土的挖填高度、土壤性質(zhì)和工程特點(diǎn)合理確定邊坡坡度，模擬試驗(yàn)時(shí)設(shè)計(jì)兩種河道坡度，即1∶1和1∶3。

1.2 降雨強(qiáng)度計(jì)算

充分考慮植生坡面受降雨徑流的沖刷作用，確定沈陽市暴雨重現(xiàn)期P=5年，利用下式計(jì)算降雨強(qiáng)度，即：

(1)

式中：P為重現(xiàn)期，a；T為降雨歷時(shí)，s；q為暴雨強(qiáng)度，L/a·ha。一般地，采用公式(2)計(jì)算降雨裝置出水口雨水量Q，即：

Q=Fq/1000

(2)

式中：Q為降雨流量，L/s；Fq為匯水面積，m2。

1.3 模擬裝置

1)試驗(yàn)裝置。設(shè)計(jì)木箱尺寸為150mm×500mm×700mm，在沖刷支撐架上安裝木箱，下方出口高度90mm，按設(shè)計(jì)坡度1∶1和1∶3進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2)原材料。膠凝材料采用硫鋁酸鹽低堿水泥，選用粒徑25～30mm、20～25mm、15～20mm的連續(xù)級(jí)配粗集料，將配制的植生混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。

3)植物布置。在模型板框底層敷設(shè)土壤，控制敷設(shè)厚度50mm。在生態(tài)混凝土試件上均勻地填充營養(yǎng)液、保水劑、水和土壤，栽種高羊茅植株，按要求完成降雨沖刷模擬試驗(yàn)。

2 植生混凝土作用機(jī)理

2.1 除雜吸附性能

試驗(yàn)用固體雜質(zhì)為沈陽市本地的細(xì)河砂，粒徑0.5～1.0mm。固定放置試驗(yàn)裝置后，安裝試驗(yàn)組和對(duì)照組的護(hù)坡模型并開展除雜吸附試驗(yàn)，結(jié)果見表1、圖1。

表1 植生混凝土細(xì)砂沖刷量

圖1 細(xì)砂沖刷質(zhì)量

1)模擬強(qiáng)降雨情況下，混凝土硬化護(hù)坡攔截細(xì)砂的作用較弱，坡度為1∶1和1∶3時(shí)硬化護(hù)坡的細(xì)砂流失質(zhì)量為0.9105kg、0.8615kg；坡度1∶1時(shí)無覆土植草組和覆土植草組的細(xì)砂流失量最高為0.2581kg、0.2285kg，坡度1∶3時(shí)無覆土植草組和覆土植草組的細(xì)砂流失量最高為0.2177kg、0.1976kg。

2)模擬植生混凝土護(hù)坡能夠大幅提升固體雜質(zhì)的攔截率，但攔截能力隨粗集料粒徑的增大逐漸減員，究其原因是降雨過程中，隨水流匯入植生混凝土內(nèi)部孔隙的固體顆粒，阻礙了固體雜質(zhì)的進(jìn)一步擴(kuò)散。試驗(yàn)表明，骨料粒徑對(duì)固體攔截能力的影響明顯低于邊坡系數(shù)；對(duì)于固體污染雜質(zhì)無覆土植草和覆土植草組均表現(xiàn)出較好的攔截作用，其中普通硬化護(hù)坡對(duì)固體雜質(zhì)的攔截率低于覆土植草組和無覆土植草組。模擬強(qiáng)降雨情況下，植草可以明顯提高對(duì)固體雜質(zhì)的攔截效率，這是因?yàn)橹仓旮导扒o葉能夠較好地?cái)r截表層固體雜質(zhì)種植土質(zhì)，并且植物可以將固體雜質(zhì)分解成有機(jī)物、無機(jī)物并有效吸收有害物質(zhì)，為植物、微生物創(chuàng)造了有利條件，并進(jìn)一步降低了有害污染物在生物鏈內(nèi)的傳播。

2.2 反濾性能分析

為進(jìn)一步揭示植生混凝土底層土壤受流水的影響規(guī)律，通過試驗(yàn)分組設(shè)計(jì)研究了混凝土的反濾性能。固定放置試驗(yàn)裝置后，安裝試驗(yàn)組和對(duì)照組的護(hù)坡模型并開展反濾性能試驗(yàn)，結(jié)果見表2、圖2。

表2 植生混凝土底層土壤沖刷量

圖2 底層土體沖刷質(zhì)量

1)模擬強(qiáng)降雨情況下，植生混凝土底部土壤流失率隨著骨料粒徑的增加逐漸增大，隨邊坡系數(shù)的增加而逐漸減小。

2)降雨沖刷60min后，坡度1∶1壓實(shí)土組的底部土壤流失量達(dá)到1.296kg，粒徑15～20mm、20～25mm、25～30mm植生混凝土(無覆土無植草)的底部土壤流失量依次為0.0921kg、0.1172kg、0.1685kg，反濾攔截率達(dá)到92.89%、90.96%、87.00%；坡度1∶3時(shí)壓實(shí)土組的底部土壤流失量達(dá)到0.9820kg，粒徑15～20mm、20～25mm、25～30mm植生混凝土(無覆土無植草)的底部土壤流失量依次為0.0386kg、0.0795kg、0.1185kg，反濾攔截率達(dá)到96.07%、91.90%、87.93%。

3)由于植生混凝土內(nèi)部為多孔結(jié)構(gòu)，加之表面凸凹不平作用，可以有效降低混凝土結(jié)構(gòu)受降雨徑流的沖刷破壞。河道整治工程中，將粒徑較小的粗集料布設(shè)于流水湍急的岸側(cè)，可以有效控制土質(zhì)流失、邊坡管涌等現(xiàn)象，大大降低土質(zhì)邊坡受流水的侵蝕程度。

2.3 截留表9層土質(zhì)特性

設(shè)定模擬降雨沖刷時(shí)間60min，待植草邊坡沖刷結(jié)束后進(jìn)行烘干，稱量計(jì)算攔截的土體質(zhì)量。固定放置試驗(yàn)裝置后，安裝試驗(yàn)組和對(duì)照組的護(hù)坡模型，植生混凝土截留表層土質(zhì)的沖刷試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖3。

表3 試驗(yàn)裝置與土體沖刷質(zhì)量

圖3 表層土體沖刷質(zhì)量

1)模擬強(qiáng)降雨情況下，坡度1∶1和1∶3時(shí)覆土未植草組的土壤流失量為1.4856kg、1.1586kg，坡度1∶1和1∶3時(shí)覆土植草組的土壤流失量為0.7721kg、0.5142kg，較覆土未植草組而言植物根系的土壤攔截率分別提高了48.03%、55.62%。

2)降雨沖刷30min后，坡度1∶1覆土植草組發(fā)生滑坡、塌落現(xiàn)象，而坡度1∶3覆土植草組未發(fā)生明顯滑坡現(xiàn)象，但土壤流失量不斷增加。究其原因，植株根系連接土壤形成整體板塊，受強(qiáng)降雨作用時(shí)土壤分裂成多個(gè)板塊，從而引起滑坡現(xiàn)象。

3)模擬強(qiáng)降雨條件下，坡度1∶1時(shí)粒徑15～20mm、20～25mm、25～30mm的覆土未植草組土壤沖刷質(zhì)量為0.2980kg、0.3375kg、0.3865kg，覆土植草組土壤沖刷質(zhì)量為0.1625kg、0.1886kg、0.2270kg，減少幅度達(dá)到45.47%、44.12%、41.27%；坡度1∶3時(shí)粒徑15～20mm、20～25mm、25～30mm的覆土未植草組土壤沖刷質(zhì)量為0.2015kg、0.2274kg、0.2761kg，覆土植草組土壤沖刷質(zhì)量為0.0904kg、0.1386kg、0.1725kg，減少幅度達(dá)到55.14%、39.05%、37.52%。究其原因，覆土植草可以有效降低雨水沖刷破壞，植株根系的土壤固結(jié)能力可以明顯增強(qiáng)坡面土壤抗沖刷能力。

3 結(jié) 論

文章通過模擬降雨試驗(yàn)研究了植生混凝土的除雜吸附能力、反濾性能及截留表土特性，主要結(jié)論如下：

1)河道整治工程中，將粒徑較小的粗集料布設(shè)于流水湍急的岸側(cè)，可以有效控制土質(zhì)流失、邊坡管涌等現(xiàn)象，大大降低土質(zhì)邊坡受流水的侵蝕程度。骨料粒徑對(duì)固體攔截能力的影響明顯低于邊坡系數(shù)，對(duì)于固體污染雜質(zhì)無覆土植草和覆土植草組均表現(xiàn)出較好的攔截作用，其中普通硬化護(hù)坡對(duì)固體雜質(zhì)的攔截率低于覆土植草組和無覆土植草組。

2)坡度1∶1和1∶3時(shí)，覆土未植草組的土壤流失量為1.4856kg、1.1586kg，覆土植草組的土壤流失量為0.7721kg、0.5142kg，較覆土未植草組而言土壤攔截率分別提高了48.03%、55.62%。