生態(tài)袋摻粉煤灰土在中小河道坡岸的應(yīng)用研究★

李 偉

(重慶三峽學(xué)院，重慶 404100)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國(guó)民生活質(zhì)量的提高，人們的環(huán)保意識(shí)逐漸提高。在土木工程領(lǐng)域，人們開始強(qiáng)調(diào)生態(tài)和環(huán)境保護(hù)。中小河道主要有著防洪抗災(zāi)、飲用水源、農(nóng)業(yè)灌溉、人文景觀和生態(tài)平衡等多種功能?，F(xiàn)有的護(hù)坡大多都采用漿砌塊石、重力式擋墻和鋼筋混凝土擋墻，這類硬質(zhì)岸坡一方面容易由年溫差引起混凝土的開裂，另一方面隔斷水岸的物質(zhì)和能量交換，從而阻礙了坡岸植被的生長(zhǎng)，大大降低了河道的自凈能力。生態(tài)袋護(hù)坡技術(shù)作為生態(tài)恢復(fù)技術(shù)的一種，不僅可以穩(wěn)固坡岸、凈化水質(zhì)，還能夠與周邊人文、自然生態(tài)環(huán)境相互融合，形成河岸坡岸中一道靚麗的風(fēng)景線[2]。因此，生態(tài)袋應(yīng)用于中小河道坡岸整治十分適合。

粉煤灰是從煤炭燃燒過程煙氣中捕獲到的粉塵顆粒物，目前，粉煤灰大多利用于建筑材料、筑路及回填、農(nóng)業(yè)等方面。然而，每年仍有1億t以上粉煤灰因?yàn)椴荒芗皶r(shí)利用，給環(huán)境帶來一系列問題[3]。目前，生態(tài)袋的研究和應(yīng)用有很多，但其填充材料主要為碎石、砂、水泥土和建渣等[4-6]，對(duì)生態(tài)袋進(jìn)行粉煤灰固廢處理的研究鮮見，粉煤灰的危害主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：土壤污染、水體污染、大氣污染、人體健康[7]。顆粒粒徑一般分布在直徑介于0.01 μm～100.00 μm[8]，作為填充物若不能“鎖”在生態(tài)袋內(nèi)，將會(huì)造成二次污染，生態(tài)袋的不均勻沉降與填充物的流失是導(dǎo)致河道坡岸崩塌的兩個(gè)主要原因，植被的復(fù)綠也是恢復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵。因此，根據(jù)粉煤灰土在不同配比下進(jìn)行了沖刷試驗(yàn)、沉降試驗(yàn)和狗牙根發(fā)芽試驗(yàn)，分析粉煤灰土用于生態(tài)袋河道坡岸的可行性，為河道坡岸設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料的選取

所用土取自萬州區(qū)某工地廢土，粉煤灰取自于重慶神華萬州電廠，實(shí)驗(yàn)所用材料的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 粉煤灰與土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

其級(jí)配曲線如圖1所示，其化學(xué)組成成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)采用的生態(tài)袋長(zhǎng)40 cm，寬25 cm，縱向斷裂強(qiáng)度為6.04 kN/m,橫向斷裂強(qiáng)度5.94 kN/m，CBR頂破強(qiáng)力為1.62 kN，等效孔徑為0.15 mm。

表2 粉煤灰化學(xué)組成成分 %

2 沖刷試驗(yàn)

水流沖刷是造成河岸崩塌的主要原因之一，雖然生態(tài)袋有一定的保土濾水功能，但生態(tài)袋長(zhǎng)期在水流作用下，袋內(nèi)的填充物會(huì)有流失，當(dāng)流失超過一定限度時(shí)，會(huì)造成河岸的崩塌，而粉煤灰以硅、鋁、鐵、鈣的氧化物為主，具有較高的活性和吸附特性，隨著粉煤灰水化反應(yīng)的深入，在堿性環(huán)境下，組成黏土礦物生成更大粒徑的硅酸鹽和鋁酸鹽結(jié)晶體，在一定程度上阻止袋內(nèi)填充物的進(jìn)一步流失。

分別配置四種粉煤灰含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0%，5%，10%，15%，20%的粉煤灰土，將填充不同配比的粉煤灰土放置于攪拌機(jī)攪拌均勻后用手提縫紉機(jī)裝袋封口，填充度為80%，碼放三層放置于長(zhǎng)1.4 m、寬0.4 m、高0.4 m的水槽中，水槽一端開孔連接水龍頭，另一端安裝水閥控制水流速度，如圖2所示。本實(shí)驗(yàn)水流速度為0.3 m/s，試驗(yàn)前，將生態(tài)袋浸水1 d使其完全飽和，然后稱出其沖刷前質(zhì)量，沖刷后稱重得到其損失量。沖刷時(shí)間為1 h，3 h，10 h，24 h，48 h，96 h。

試驗(yàn)表明：如圖3所示，上層生態(tài)袋由于與水的接觸面積最大，整體受到水流的拖拽力較大，損失率最大。如圖4所示，生態(tài)袋隨沖刷時(shí)間呈現(xiàn)的總體趨勢(shì)為：10 h前開始迅速增加，10 h～24 h緩慢呈線性增長(zhǎng)，隨著顆粒互相交錯(cuò)咬合，形成拱橋效應(yīng)，48 h～96 h損失率趨于穩(wěn)定。素土的損失率最大，4 d后達(dá)到2.6%，粉煤灰含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為10%損失率最小,僅為0.92%。

3 沉降固結(jié)試驗(yàn)

未預(yù)壓的生態(tài)袋中明顯出現(xiàn)沉降過大，在實(shí)際施工過程尤其是不均勻沉降將會(huì)嚴(yán)重威脅河道堤防的安全。為了預(yù)測(cè)不同預(yù)壓荷載對(duì)施工過程中生態(tài)袋的沉降變形，對(duì)粉煤灰含量為10%的三層生態(tài)袋進(jìn)行了垂直荷載作用下的沉降固結(jié)試驗(yàn)，如圖5所示。

試驗(yàn)前，將預(yù)壓后的生態(tài)袋放置于固結(jié)裝置，整個(gè)裝置放置于水槽中，實(shí)驗(yàn)過程中，水位淹沒生態(tài)袋，鋼板和鐵桶總質(zhì)量150 kg，作為第一級(jí)荷載；待生態(tài)袋沉降穩(wěn)定后，向鐵桶內(nèi)加水150 kg作為二級(jí)荷載，以此步驟完成四級(jí)加載，試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 固結(jié)試驗(yàn)荷載施加過程

圖6為生態(tài)袋在不同預(yù)壓程度后的沉降圖，每次加載瞬間沉降都會(huì)有突變。隨著荷載的增加，沉降變化與瞬變值都逐漸減小。預(yù)壓荷載越大，總沉降天數(shù)與沉降值越小。

當(dāng)生態(tài)袋受到荷載時(shí)，生態(tài)袋會(huì)產(chǎn)生張力。荷載越大，生態(tài)袋產(chǎn)生的張力越大，生態(tài)袋等效孔徑也隨之變大，這顯然不利于生態(tài)袋的保土性能，因此，試驗(yàn)分別設(shè)置三組預(yù)壓荷載0 MPa，0.5 MPa，1 MPa。粉煤灰占比同樣為10%，完成預(yù)壓后進(jìn)行試驗(yàn)沖刷試驗(yàn)。

如圖7所示，生態(tài)袋在預(yù)壓0.1 MPa時(shí)，經(jīng)歷4 d沖刷，損失率高達(dá)3.51%,甚至還有上漲的趨勢(shì)，預(yù)壓0 MPa與0.5 MPa的，最終損失率分別為1.3%和1.5%，相差不多，其損失率趨于平穩(wěn)。

4 植被復(fù)綠試驗(yàn)

生態(tài)袋在河道坡岸的應(yīng)用不僅可以美觀環(huán)境，而且植被根系的加筋、錨固作用使得坡岸更加穩(wěn)定。狗牙根具有節(jié)節(jié)生根的生物學(xué)特性和耐淹、抗旱、耐貧瘠等生態(tài)學(xué)特性。其根系發(fā)達(dá)，能夠穿透生態(tài)袋，汲取袋內(nèi)的土壤養(yǎng)分和水分；在生態(tài)袋上種植成活后，便可迅速蔓延，將生態(tài)袋全部覆蓋[9]。因此，以狗牙根為生態(tài)袋上的種植植物，將生態(tài)袋技術(shù)應(yīng)用于河道坡岸治理具有一定的可行性。

為了探究不同配比粉煤灰對(duì)狗牙草的影響，將不同配比的粉煤灰、狗牙根草種與土攪拌均勻，其中草種含量為20 g/袋，生態(tài)袋填充度為80%，將混合料裝袋后采用手提縫紉機(jī)封口后露天放置，澆水養(yǎng)護(hù)，待15 d后，狗牙根發(fā)芽情況如圖8(a)所示。粉煤灰含量從左到右依次遞增。采用樣地法在生態(tài)袋圈出一個(gè)10 cm×15 cm的樣方，取樣是選擇具有代表性的地方。其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8(b)所示。

試驗(yàn)表明：粉煤灰的摻入在一定程度上抑制了狗牙根的發(fā)芽率，未摻粉煤灰的植被發(fā)育最優(yōu)，10%粉煤灰摻量次之，平均每10 cm×15 cm的樣方有15株出芽。

隨著粉煤灰配比的繼續(xù)增加，狗牙根的發(fā)育程度繼續(xù)降低，當(dāng)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))達(dá)到20%時(shí)，平均每10 cm×15 cm的樣方僅有4株出芽。

5 結(jié)論

1)粉煤灰具有較高的活性和吸附特性，水化后與黏土礦物生成更大粒徑的硅酸鹽和鋁酸鹽結(jié)晶體，在一定程度上阻止袋內(nèi)填充物的進(jìn)一步流失，因此粉煤灰土配比在一定范圍內(nèi)能減少水流沖刷對(duì)生態(tài)袋填充物的損失率，試驗(yàn)結(jié)果表明粉煤灰的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為10%時(shí)損失量最少。經(jīng)歷4 d沖刷后生態(tài)袋填充料的損失量趨于穩(wěn)定，其原因是顆?；ハ嘟诲e(cuò)咬合，形成拱橋效應(yīng)。

2)隨著荷載的增加，不同預(yù)壓荷載的沉降變化瞬變值都逐漸減小，且預(yù)壓荷載越大，總沉降天數(shù)與沉降值越小；生態(tài)袋在預(yù)壓1 MPa時(shí)，經(jīng)歷4 d沖刷，損失率高達(dá)3.51%,甚至還有上漲的趨勢(shì)，預(yù)壓0 MPa與0.5 MPa的，最終損失率分別為1.3%和1.5%，其損失率趨于平穩(wěn)。

3)粉煤灰的摻入在一定程度上抑制了狗牙根的發(fā)芽率，綜合試驗(yàn)結(jié)果等因素考慮，粉煤灰占粉煤灰土總配比的10%最優(yōu)；預(yù)壓荷載過小，施工中沉降太大，而預(yù)壓荷載過大，在河道水流作用下，生態(tài)袋填充料析出量也會(huì)增大，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析，預(yù)壓荷載控制在0.5 MPa時(shí)最優(yōu)。