綠化混凝土在中小河流生態(tài)治理與生態(tài)護(hù)岸中的應(yīng)用

溫林山

(韶關(guān)市華源水電建設(shè)有限公司，廣東 韶關(guān) 512026)

在中小河流中，河道護(hù)岸的建設(shè)十分重要，能夠提高河岸的穩(wěn)定性，加強(qiáng)河岸的抗沖刷能力，因此得到了廣泛的重視。近年來，基于可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)保理念，能夠?qū)崿F(xiàn)河道生態(tài)恢復(fù)，保護(hù)河岸的生態(tài)護(hù)岸概念被提出，并得到了較為顯著的發(fā)展[1]。陳沛璇研究了生態(tài)護(hù)岸在大河小流域工程中的應(yīng)用模式與應(yīng)用效果，從而為生態(tài)護(hù)岸在河道綜合整治工程中的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)[2]。謝紅忠等人研究了植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，并將該技術(shù)應(yīng)用到黃金峽水利樞紐，探討了該項(xiàng)技術(shù)在生態(tài)治理中的作用[3]。綠化混凝土是上個(gè)世紀(jì)90年代研發(fā)問世的一種無砂生態(tài)混凝土，除了具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性外，還能夠供給植物生長。因此，利用綠化混凝土進(jìn)行河道護(hù)岸施工，建設(shè)生態(tài)護(hù)岸，不僅能夠保證河道護(hù)岸的安全性，對河道生態(tài)恢復(fù)也有著積極的影響[4-6]。為此，研究以湞江區(qū)2019年廣東省山區(qū)五市中小河流治理項(xiàng)目為例，探討了綠化混凝土在中小河流生態(tài)治理與生態(tài)護(hù)岸中的應(yīng)用，從而為綠化混凝土的應(yīng)用以及河流的生態(tài)治理提供新的途徑。

1 中小河流治理項(xiàng)目工程概況

研究以湞江區(qū)2019年廣東省山區(qū)5市中小河流治理項(xiàng)目為例，探討了綠化混凝土在中小河流生態(tài)治理與生態(tài)護(hù)岸中的應(yīng)用。在該項(xiàng)目中，包括了黃坑水治理和銑雞坑水(五四村段)治理。兩個(gè)治理工程項(xiàng)目的基本情況見表1。

表1 河流治理工程項(xiàng)目的基本情況

該項(xiàng)目區(qū)多處河段處于未設(shè)防狀態(tài)，防洪能力低，洪災(zāi)頻發(fā)，每次洪水均造成巨大損失。為此，每年汛期需要投入大量的財(cái)力和人力抗洪搶險(xiǎn)，且洪水對河岸的不斷沖刷造成了部分城鎮(zhèn)塌岸現(xiàn)象普遍，導(dǎo)致了城市發(fā)展所需的寶貴土地資源的流失，直接影響到區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會穩(wěn)定。因此，加快堤防及岸坡整治等工程建設(shè)，提高沿河城鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)，對減輕洪澇災(zāi)害的危害，保證經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展及維持社會和諧穩(wěn)定具有極其重要的意義，項(xiàng)目的實(shí)施是十分必要的。

2 綠化混凝土在生態(tài)治理與生態(tài)護(hù)岸中的應(yīng)用

2.1 生態(tài)護(hù)岸中綠化混凝土的處理

綠化混凝土的主要成分是無砂混凝土，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，由于施工水平、施工質(zhì)量等因素，容易導(dǎo)致部分水泥漿流淌，在底部形成一個(gè)落淤層，導(dǎo)致植物的根系生長受限[7-8]。因此，在澆筑綠化混凝土的過程中，需要預(yù)先在土面或工布上鋪墊粒徑較小的碎石層，以分散水泥漿，阻止落淤層的形成，如圖1所示。

圖1 碎石層的作用

表2 孔隙填充材料配料表

2.2 生態(tài)護(hù)岸施工技術(shù)分析

在上述內(nèi)容中，研究對綠化混凝土進(jìn)行了一定的處理，從而使其能夠更加適用于生態(tài)護(hù)岸施工。在進(jìn)行生態(tài)護(hù)岸的建設(shè)工程時(shí)，需要同時(shí)考慮到兩點(diǎn)。第一點(diǎn)是植物的生長要求，第二點(diǎn)是材料的構(gòu)造要求。從第一點(diǎn)植物的生長要求角度出發(fā)，植物根系都具有一定的長度，因此在植物生長時(shí)需要有一定的土厚度[13-15]。若生態(tài)護(hù)岸所在的土層不具備植物生長所需的厚度時(shí)，如風(fēng)化巖石、砂礫、貧瘠土等環(huán)境，此時(shí)要求綠化混凝土的生長基要有一定的厚度，使其孔隙空間足夠貯存植物生長介質(zhì)。綠化混凝土的生長基厚度h1通過公式(1)來確定。

(1)

式中，τ—介質(zhì)填充能力；k—綠化混凝土的孔隙率；δ—植物生長所需的最小厚度。

在綠化混凝土孔隙中，填充土壤與填充介質(zhì)材料可能會因?yàn)樗鞯牧魍ǘ魇?。因此，需要設(shè)置一個(gè)寬度大于或等于防護(hù)厚度的隔離帶，來避免這種情況產(chǎn)生。在隔離帶的材質(zhì)選擇中，可以采用薄木片或者無紡布。通過這種方式，能夠避免綠化混凝土孔隙中土壤與填充介質(zhì)材料的流失，維持生態(tài)模擬環(huán)境的穩(wěn)定性，促進(jìn)植物生長。在土壩背坡的裸土上，一般利用碎石護(hù)坡的方式，來提升坡面的抗滑性和穩(wěn)定性。在利用綠化混凝土澆筑建設(shè)生態(tài)護(hù)岸，從而對碎石防護(hù)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)后，背坡松散的碎石會被粘聚成一個(gè)整體，從而提升了土壩的壓載能力和滑動穩(wěn)定性。在選擇植物播種時(shí)，需要考慮到環(huán)境、氣候、生態(tài)修復(fù)效果以及經(jīng)濟(jì)等條件。匍匐型紫羊茅-派尼具備一些較為有利的特性，例如耐寒、耐旱、對土壤要求較低等，適合應(yīng)用到河道生態(tài)修復(fù)中，因此研究選用匍匐型紫羊茅-派尼來播種。但匍匐型紫羊茅-派尼的草莖容易腐爛，因此研究選用紫羊茅-極地來與其進(jìn)行混播。有研究顯示，當(dāng)混凝土的孔隙率高于12%時(shí)，即具備較為優(yōu)秀的透水性。而研究采用的綠化混凝土的孔隙率在30%以上，因此透水性較強(qiáng)，在強(qiáng)降水量的環(huán)境下也不容易產(chǎn)生徑流。

2.3 生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)方案

綜合上述內(nèi)容，結(jié)合中小河流治理項(xiàng)目的實(shí)際情況，研究提出了生態(tài)護(hù)岸的設(shè)計(jì)方案。對于需治理的岸坡，采用綠化生態(tài)混凝土護(hù)岸，對現(xiàn)狀邊坡高度低于設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行加高，加高后堤頂設(shè)計(jì)寬度3m，背水坡采用草皮護(hù)坡。護(hù)腳擋土墻設(shè)計(jì)墻身凈高2m，基礎(chǔ)埋深0.8m，迎水坡設(shè)計(jì)坡比1∶0.1，背水坡設(shè)計(jì)坡比1∶0.45。生態(tài)護(hù)坡及背水側(cè)草皮護(hù)坡設(shè)計(jì)坡比均為1∶1.5，其壓頂采用0.4m×0.4m(寬×高)的C20混凝土護(hù)頂。護(hù)腳擋墻及壓頂每10m設(shè)置一道伸縮縫，縫寬度2cm，瀝青柵木板嵌縫。對于特別重要保護(hù)易沖毀、出險(xiǎn)地段(樁號K0+365.8、K1+273.4、K2+023.6、K4+189.7)采用組合式預(yù)制樁生態(tài)護(hù)岸。本次治理對黃坑水和銑雞坑水(五四村段)共計(jì)6Km的河段進(jìn)行河道清淤，清除槽內(nèi)植被，以擴(kuò)大河道的行洪面積，恢復(fù)提高河道行洪能力。分別在樁號K1+464.5、K1+574.7、K2+005.8新建3座機(jī)耕橋，3座橋均采用簡支板橋結(jié)構(gòu)，共設(shè)一跨，凈跨9.8m，支座均采用GPZ(Ⅱ)-0.8支座，公路—Ⅱ級汽車荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)，3座機(jī)耕橋結(jié)構(gòu)一致。

3 綠化混凝土在生態(tài)護(hù)岸中的應(yīng)用效果分析

研究基于綠化混凝土設(shè)計(jì)生態(tài)護(hù)岸，以實(shí)現(xiàn)河流生態(tài)治理。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的有效性，研究分別設(shè)計(jì)了不同實(shí)驗(yàn)對該方案進(jìn)行驗(yàn)證。植物生長代謝材料的填充能夠提供植物成長所需的養(yǎng)料，對植物的生存、成長有促進(jìn)作用，有利于植物根系的生長發(fā)育。針對綠化混凝土孔隙中土壤的不同特性，研究采用不同的策略，即填充不同的介質(zhì)來維持土壤環(huán)境的穩(wěn)定性，以維持土壤的PH值，進(jìn)而提升植物的緩沖能力。

綠化混凝土孔隙中土壤析出液的PH值變化如圖2所示。其中前10天是未加入填充介質(zhì)的變化曲線，后10天是加入了填充介質(zhì)的變化曲線?？梢钥吹?，在未加入填充介質(zhì)時(shí)，土壤析出液的PH值變化十分劇烈，而在加入填充介質(zhì)后，土壤析出液的PH值變化變平緩。這表明研究提出的介質(zhì)填充策略能夠維持綠化混凝土孔隙土壤環(huán)境的穩(wěn)定性，有利于植物的生長。在傳統(tǒng)的水利堤壩工程中，河道護(hù)岸土壤貧瘠、腐殖性物質(zhì)稀少且常為失水狀態(tài)，因此不適合植物生長，河道生態(tài)系統(tǒng)也無法得到改善和修復(fù)。在可持續(xù)發(fā)展理念下，水利工程在建設(shè)的過程中，除了要滿足人們對水資源的需求，還需要重視河流生態(tài)治理。綠化混凝土是一種無砂生態(tài)混凝土，除了具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性外，還能夠供給植物生長。澆筑式的綠化混凝土可以被視為人工制造的小型生態(tài)系統(tǒng)，因此，綠化混凝土常常被應(yīng)用到擬自然生態(tài)修復(fù)技術(shù)中。澆筑式綠化混凝土在不同條件下的孔隙率見表3。

圖2 研究策略對土壤PH值的影響

表3 綠化混凝土在不同條件下的孔隙率

普通混凝土的孔隙率在1%～3%之間，遠(yuǎn)低于綠化混凝土。而較高的孔隙率可貯存植物生長介質(zhì)，并為植物生長介質(zhì)的流通提供基礎(chǔ)條件，使得綠化混凝土具有較好的水循環(huán)和氣循環(huán)功能，為植物的生長提供條件。此外，較高的孔隙率會使綠化混凝土在高降水的環(huán)境下也不會輕易形成徑流。除此之外，綠化混凝土可以持續(xù)析出具備可溶性質(zhì)的碳酸鹽，使得綠化混凝土能夠在孔隙之間構(gòu)建一個(gè)鹽堿性的環(huán)境，這個(gè)鹽堿性環(huán)境可以作為植物生長基。對綠化混凝土孔隙中的土壤的電導(dǎo)率和PH值進(jìn)行測試，如圖3所示。

圖3 綠化混凝土孔隙中的土壤的電導(dǎo)率和PH值

在圖3中可以看到，隨著時(shí)間的增加，綠化混凝土孔隙中的土壤的電導(dǎo)率和PH值也在逐漸增加。這是因?yàn)樵诰G化混凝土孔隙中的土壤中可溶性碳酸鹽析出量增加，使得電導(dǎo)率升高。在此過程中，土壤環(huán)境逐漸堿化，使得綠化混凝土孔隙中的土壤的PH值升高?；谏鲜龇治隹梢缘弥?，綠化混凝土的空隙率較高，因此水流通能力較強(qiáng)，相對的其滯水能力就比較低。因此，需要在孔隙中填充一些具有較強(qiáng)水漲性的物質(zhì)，以促進(jìn)植物系統(tǒng)的水循環(huán)。在綠化混凝土中，孔隙可析出大量的可溶性碳酸鹽，使得綠化混凝土孔隙能夠被視為一個(gè)碳素庫，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)。在以往的研究中證實(shí)，綠化混凝土孔隙中除了水循環(huán)和碳循環(huán)以外，還存在氮循環(huán)、磷循環(huán)、鉀循環(huán)、鈣循環(huán)、硫循環(huán)等，為植物的生長提供必要條件。利用Braun-Blanqu分級法來分析在研究提出的方案下，河道生態(tài)修復(fù)效果。見表4。

在2019年、2020年和2021年間，研究方案的植被覆蓋率比傳統(tǒng)方案分別高16%、50%和51%。可以看到研究采用的方案的成本相比傳統(tǒng)方案稍高，但生態(tài)修復(fù)效果更好，社會效益更大。此外，由于綠化混凝土能夠?qū)⑺缮⒌乃槭奂辰Y(jié)，能夠提升護(hù)岸的穩(wěn)定性。綜上所述，研究提出的方案效果更好，能夠有效地實(shí)現(xiàn)河道生態(tài)修復(fù)。

4 結(jié)語

在河流治理工程中，河道護(hù)岸的建設(shè)對河道安全和生態(tài)修復(fù)均有重要的作用。但傳統(tǒng)的河道護(hù)岸建設(shè)方案在河道生態(tài)治理中的效果較差。綠化混凝土具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)能夠提供一個(gè)供給植物生長環(huán)境的無砂生態(tài)混凝土。因此，研究利用綠化混凝土進(jìn)行河道護(hù)岸施工，建設(shè)生態(tài)護(hù)岸，不僅能夠保證河道護(hù)岸的安全性，對河道生態(tài)恢復(fù)也有著積極的影響。研究結(jié)果顯示，在3年間，研究方案的植被覆蓋率比傳統(tǒng)方案分別高16%、50%和51%。上述結(jié)果證明，基于綠化混凝土建設(shè)生態(tài)護(hù)岸，有助于中小河流生態(tài)治理，具有較好的實(shí)用性。