BSC生物基質混凝土在新疆高寒區應用初探

鄭 冰 同江潮 吉 爽

(新疆塔城市水利局，新疆塔城 245200)

BSC生物基質混凝土在新疆高寒區應用初探

鄭 冰 同江潮 吉 爽

(新疆塔城市水利局，新疆塔城 245200)

本文以新疆塔城市烏拉斯臺河試驗段為例，探討BSC生物基質混凝土在高寒、高蒸發量地區的應用及技術流程，初步確定了BSC生物基質混凝土在塔城乃至新疆地區的生產與施工流程、種植基質的配制與形成、植物選擇和配置、鄉土植物選擇與配置、工程養護流程、質量控制的方法和措施，以及營造生境和生態修復的途徑等，為新疆甚至整個西北地區生態護岸護坡、生態水利、生態植被恢復提供了一種可靠的技術。

BSC;生物基質;高寒地區;生態護岸護坡;生態水利;植被生態修復

水利設施的興建，因為防洪安保的需求，大多采用水泥混凝土、漿砌石等非環境友好的硬化措施砌護，從而導致植被消失、水陸交互停止、生物鏈被切斷、水體自凈能力降低、生態體系被破壞。需要有相應的技術措施來解決上述問題。BSC生物基質混凝土(BSC，Bio-substrate Concrete)因其骨料層具有較高抗壓強度、基質植被層具有良好生態和植被恢復能力，是解決堤防安全和生態效應矛盾的有效技術。BSC生物基質混凝土在內地水利工程護坡、護岸應用中已有較多案例，但在新疆等西北高寒、干旱地區的應用因受制于技術能力暫時空白。塔城市水利局在黨中央建設生態水利原則指導下，初步研究了在內陸高寒、干旱地區應用BSC生物基質混凝土進行生態型水利防護。本文研究了骨料層的配制與成型、生產與施工流程、種植基質的

配制與形成、植物選擇和配置、鄉土植物選擇與配置、工程養護流程以及質量控制的方法和措施等，并進一步探索了在已有的硬化護坡(岸)和巖石上營造生境進行生態修復的途徑。

1 BSC生物基質生態混凝土簡介

BSC生物基質混凝土是一個廣義混凝土(混凝土:是指由膠凝材料將集料膠結成整體的工程復合材料的統稱。)的概念，本意為包含了BSC生物活性菌群的大骨料型植被生態恢復水泥混凝土。其制備方法是利用高強度黏結劑把較大單一粒徑的骨料穩固成型，利用粗骨料間孔隙存儲能使植物生長的生物基質(Bio-substrate)通過播種或其他措施使得多種植物在較堅固粗骨料混凝土中的基質層生長，并對生態環境進行恢復，其結構構造如圖1所示［1］。

圖1 生物基質混凝土結構示意圖

在保持水泥混凝土層較高抗壓強度的前提下，BSC生物基質生態混凝土技術使得混凝土中能長出花、草、灌木類植物，從而對河、湖、大壩、水利樞紐、公路鐵路、廢棄礦山、采石場等目標工程體的坡、岸、立面進行生態植被修復。BSC生物基質混凝土技術在骨料選擇和穩固技術上已經成熟，可以應用在水利工程、交通工程體上，對阻止諸如水土流失、荒漠化、生物多樣性減少等有著明顯效果［2］。BSC生物基質混凝土是水利部重點推廣的實用新技術，推廣編號為TZ2014089，具有良好的技術成熟度。

2 試驗簡介

2.1 新疆塔城市氣候、土壤、植被及烏拉斯臺河試驗區簡介

新疆塔城市位于我國內陸深處，地處東經82°16'～ 87°21'、北緯43°25'～47°15'之間，是世界上距離海洋最遠的城市。塔城市境屬溫帶大陸干旱氣候區，四季交替不分明，春季氣溫回升快而不穩定，夏季短促而炎熱，冬季漫長而酷冷;多年平均氣溫4.1℃，極端最低氣溫－40.5℃(1974年)，極端最高氣溫35.0℃(1974年)，氣溫年較差和日較差都較大。塔城市多年平均降雨量289.3mm，蒸發量1600mm。

塔城地區屬于庫魯斯臺草原區，其草原地被植物有280余種，51科，175屬。粗略調查禾本科有19屬，21種;菊科有25屬，50余種;藜科有17屬，35種;豆科有14屬，22種;傘形科有8屬，12種;其余5～6屬的有5科，2～3屬的有12科，僅有1屬的有27科［3］。

塔城市境內水資源豐富，有大小河流14條，溝溪43條，泉眼萬眼以上，因工業開發少，具備良好的生態城市建設條件;其中，喀浪古爾河、阿布都拉河、錫伯圖河、烏拉斯臺河由北向南縱貫市境注入額敏河后由東向西出境。近年隨著上合組織經濟活動的廣泛開展，連接巴克圖口岸和塔城市區內辦事處的S221公路成為展示國家形象的國門公路，而烏拉斯臺河橋的兩岸治理水平也同時成為展示我國水利治理水平的技術平臺。烏拉斯臺河城區段因為堤防安全需要，在早前工程中采用了水泥混凝土面板作為防護措施，河兩岸采用生態方式治理既具有客觀的現實意義，也具有主觀的展示意義。試驗區在烏拉斯臺河流過塔城城區段，為S221公路和烏拉斯臺河橋交界處河岸兩側，左右岸各選取200m2作為試驗實施區域。

2.2 試驗方法和設計

2.2.1 試驗方法

烏拉斯臺河城區段之前已實施水泥混凝土面板防護，試驗采用3m×3m的混凝土框格澆砌在已有的水泥混凝土面板上;框格成型起強后，再往框格內澆筑BSC生物基質混凝土骨料層;7d后骨料層穩定成型，往骨料層孔隙內充填生物基質和種子;基質充填完成后，覆蓋無紡布，保墑、防沖刷、防破壞等，經澆水等簡單園林養護措施，植物生長出來即可。后期，每周進行簡單澆水，定時進行田間觀察，記錄植物生長情況和鄉土植被恢復情況。

根據塔城氣候及土壤條件，設計了采用高冰草、紫

花苜蓿、三葉草、紫羊茅、波斯菊為先鋒建群種的植被恢復方案，通過播種措施，初步恢復植被生長。

骨料層參數檢測采用《生態型多孔混凝土物理與力學性能試驗方法》、《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)、《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(BG/T 50081—2002)，抗壓檢測機器為GB/T 3722液壓式壓力試驗機，抗凍融試驗采用JG/T 243混凝土抗凍試驗設備。

采用田間調查方法分別對先鋒植物、生態恢復植被進行分類調查。在試驗地刺點編號，每個樣方面積為3m×3m=9m2，記錄樣方播種植物和恢復后植株數量、高度、蓋度及各樣方的總蓋度、植被生長狀況等。

設置一個3m×3m的對照區，除覆土外不做其他任何處理。

2.2.2 試驗材料、工具、設備

單一粒徑φ30mm無級配石料30m3、P.O42.5水泥8400kg、BSC—WY04混凝土添加劑300kg、BSC—WY03混凝土添加劑280kg、潔凈的水240kg和300kg、BSC—J菌劑1000kg、保水劑(300倍吸水倍率，進口)40kg、植物種子10kg、350J自落式攪拌機1臺、水泵1臺、20kW發電機1臺、轉運翻斗車2臺、150mm×150mm× 150mm混凝土模具9組27個、100mm×100mm× 100mm模具3組9個、汽油等。

2.2.3 實施流程

a.清理、整理坡面、支模。

b.澆筑3m×3m混凝土框格，養護成型。

c.按專門配合比攪拌骨料，并澆筑到框體內，同時取樣制模養護28d送檢。

d.攪拌生物基質，充填骨料層，并播撒種子。

e.覆蓋無紡布，進行澆水等簡單園林養護，至植被恢復。

2.3 試驗結果

2.3.1 骨料層孔隙率、抗壓強度和抗凍融性能

試樣塊經28d養護，送檢，其中孔隙率25.1%、抗壓強度18.1MPa，見表1;抗凍融次數達F200，見表2。

表1 孔隙率和抗壓強度檢測

表2 抗凍性能檢測

2.3.2 植被恢復結果

經過3個月的初步恢復，在每個調查樣方3m×3m的9m2區域內除播種的先鋒植物3科屬5品種外，還自然恢復了當地鄉土植物3科屬6品種，見表3;對照區內也能恢復一定數量的地被植物，但效果有明顯劣勢，見表4;當年當季的植被恢復效果良好。

表3 BSC生物基質混凝土生態恢復植被調查

表4 對照區植被恢復調查

3 結果討論和存在問題

3.1 BSC生物基質混凝土在塔城地區具有應用潛力

經過試驗、檢測和施工組織管理，并觀察植被生長和恢復情況，初步認為BSC生物基質混凝土可以根據塔城地區氣候、土壤和實際的施工條件組織實施，有滿足實際應用生產的能力。本文提出的先鋒植物組合能夠適應塔城地區氣候，工程措施完成初期植被生長良好并且在鄉土植被恢復效果上亦具有較好優勢;本文提出的混凝土骨料層配合比在25.1%孔隙率的條件下，保持28.1MPa抗壓強度、F200的抗凍融能力，可以滿足基本的抗沖、防淘蝕、冬季抗凍融要求。整體技術在塔城地區及西北地區都具備應用潛力。

專門研發的BSC—WY04型混凝土添加劑在不提高水泥用量、不調整骨料粒徑和配合比條件下，抗凍融性能達F200次，具有良好實際工程應用能力。

3.2 BSC生物基質混凝土相對傳統生態混凝土的優勢

BSC—J生物活性菌群可以提高土壤生物活性，改善土壤理化性質?；|層富含活性菌群，既能分解轉化各種污染物、有機物產生植物生長所需養分，避免使用長效緩釋肥、化肥導致水體二次污染，又有利于環保且能滿足生態和景觀需求，可以保證植被生長狀況良好，生態效應持續時間長。

針對目標區域生態群落進行專業化的多樣植物配置，既有利于恢復和保持植被生態效果，又不會造成生物入侵，對當地生態造成負面影響。

多種保水、保肥材料綜合而成的植物生長基質在植物生長上有良好的促進效應，從對照區和試驗區的植被恢復調查結果看，試驗區的植被恢復種類和植被生長量都高于對照區，說明BSC生物基質混凝土具有良好的植被恢復效果和能力，這對于既需要進行水利工程建設又要保持生態效果的區域來講，無疑是一種非常好的技術選擇。

骨料層采取框格束縛、現場澆筑方法實施，整體穩定性好。骨料層良好的孔隙率和連續性使得植株根系能穿透骨料層扎根坡、岸，與骨料層一起形成三維的加筋和錨固作用，有利于堤、岸的水土保持和工程體的穩定。

3.3 存在問題

塔城屬于內陸深處，極寒極旱的氣候特點非常突出，需要選擇耐性很強的植物品種來做先鋒建群種。鄉土品種是很好的選擇，如:迷迭香、薰衣草等，既有很好的生態恢復能力，又有較好的景觀效果，但是限于客觀情況，該品種存在種苗價格過高、種子收集或發芽困難等問題，一旦大規模應用則需要找到大量的商品化植物組合才可以支撐其在不同工程中的應用。如能在鄉土品種的商品化工作上有所突破，工程區域后期的植被恢復效果會更好。

4 不同充填工法設計

圖2 六棱磚式

BSC生物基質生態混凝土可以有六棱砌塊式(見圖2)、框格梁式(見圖3)、生態擋墻式(見圖4)和土工格室加筋(見圖5)、工字型砌塊式等不同應用工法。

其中，框格梁式工法在投資成本、整體性、施工便利性、工效以及植被覆蓋率上具有顯著優勢。而六棱砌塊式、工字型砌塊式等預制砌塊應用工法則不具備這些優勢，并且容易因為單一砌塊損毀而導致大面積損毀。

圖3 框格梁式

圖4 生態擋墻式

圖5 土工格室加筋式

［1］袁彬鴻，李連龍．BSC生物基質混凝土［C］∥住建部屋頂種植分會2012年研討會論文集．2012:78-84．

［2］于智勇．混凝土受損河岸生態修復的初步研究［D］．沈陽:東北師范大學，2005．

［3］叢英利．實施退牧還草工程對新疆庫魯斯臺草原區草地資源的影響分析［J］．草食家禽，2009(1):62-65．

Discussion on applying BSC Bio-substrate concrete in Xinjiang alpine regions

ZHENG Bing，TONG Jiangchao，JI Shuang
(Xinjiang Tacheng Water Conservancy Bureau，Tacheng 245200，China)

In the paper，Xinjiang Tacheng Wulasitai River test section is adopted as an example for discussing application and technical flow of BSC bio-substrate concrete in alpine regions and regions with high evaporation．Production and construction flow of BSC bio-substrate concrete in Tacheng and even the whole Xinjiang area，cultivation matrix configuration and formation，plant selection and configuration，native plants choice and configuration，project maintenance process，quality control methods and measures，and the ways to create habitat and ecological restoration have been initially determined，thereby providing a reliable technique for ecological revetment slope protection，ecological water conservancy and ecological vegetation restoration for Xinjiang and the whole northwest region．

BSC;bio-substrate;alpine regions;ecological revetment slope protection;ecological water conservancy; ecological restoration of vegetation

TV431

A

1005-4774(2015)05-0051-05