再生節能型護坡在城市生態河道治理中的應用

王 鵬 張高旗 陳麗剛

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

1 概述

隨著我國城市化進程的不斷深入，建筑垃圾以及廢棄混凝土已經成為威脅生態環境的重要因素。廢棄混凝土中70%左右是天然砂石，天然砂石是一種短時間內不可再生的資源，棄置不用將極大的浪費自然資源，是有悖于可持續發展要求的行為[1]。但我國對廢舊建筑材料資源的利用和處理相對滯后，致使廢舊建筑材料利用水平較低，處理方式主要以露天擱置和填埋為主。這樣的處理方式不僅為廢棄物的運輸、填埋增加了成本，而且由于占用大量土地，還會造成環境的污染和資源的浪費[2]。據資料顯示，每使用100 t建筑垃圾再生產品，可以節約天然砂石150萬 t，標準煤8.7萬 t，減少二氧化碳排放6.6萬 t，減少二氧化硫排放0.12萬 t，減少建筑垃圾占地200余畝。因此對于再生骨料的利用成為解決這一環境危機的有效途徑。建筑垃圾或者廢棄混凝土經過清洗、破碎、分級和按一定比例相互配合后得到的骨料稱為再生骨料或再生混凝土骨料(Recycled Aggregate/Recycled Concrete Aggregate，簡稱RCA)[3]。通過一定的加工制作工藝，使再生骨料在一定程度上恢復原有的性能，形成新的建材產品，從而使有限的資源得以再利用。

目前我國對建筑垃圾及廢棄混凝土再生化的研究及應用也有了一定程度的發展，尤其將再生骨料制品應用于建筑工程取得了一定進步。但是，再生骨料在河道治理中的應用研究較少，國內很多城市成為了“水生態文明城市”試點，在我國節能、低碳、減量化的工程治理思路的指引下，在生態河道的治理中，更加應當從建筑垃圾回收利用的角度去思考工程設計，根據工程的具體特點，更多的應用再生節能型的材料，而不是傳統意義上鋼筋混凝土治理思路。這就對城市河道生態治理工程提出了更高的要求和標準。在滿足防洪安全的前提下，實現節能型，生態型的治理愿景。本次研究以許昌市清潩河綜合治理工程為背景，進行再生節能型護坡材料的應用研究，以期對今后的城市河道生態治理工程提供一定的借鑒。

2 再生節能型護坡在水利工程中首次應用

經過調研國內已經實施的生態河流治理工程和相關的文獻資料，對目前我國城市河流治理中常用的生態防護材料進行了整理和歸類，并且結合許昌市清潩河綜合治理工程的實際情況，采用了多種形式的生態護岸，比如：格賓石籠、自然石、木樁、草坡、再生砌塊、再生護坡磚等，其中再生砌塊擋土墻和再生護坡磚屬于首次在水利工程中的大膽嘗試應用，旨在踐行“會呼吸的河道”的設計理念，保護與修復水生態系統，維持城市河流的健康生命，提升城市品位，將許昌打造成一條城市生態文化廊道。

2.1 再生護坡磚

再生護坡磚以再生骨料、水泥為主要原料，并加入適量的外加劑或摻合料，加水攪拌后成型的再生磚。其結構采用四邊穿插式組合，網邊支撐相當于鉸接，剛性的結構柔性化的處理，變形能力強。再者，由于再生護坡磚的大孔及相鄰兩塊磚形成的連接孔，可以作為植生孔使用，也可以加入級配碎石起到消能防沖的作用。由于孔內植物的生長，根系扎入土層中，也起到一定的固坡作用，而且植物作為過濾屏障，也起到凈化水質的作用，且施工中無需砂漿，無需大型機械，施工快，造價低，節能環保，見圖1。

2.2 再生砌塊擋墻

再生砌塊擋土墻是以再生骨料、水泥為主要原料，并加入適量的外加劑或摻合料，加水攪拌后成型的再生砌塊與土工加筋技術集成的一種柔性擋土墻。它是由填土、格柵、再生砌塊、再生骨料濾層四者的結合體，見圖2。

以上兩種再生骨料型防護材料，均是再生骨料的制成品。具有相同的特點及優勢，本次主要以再生砌塊為例，進行深入的研究。

1)再生砌塊的性能指標。

隨著我國建筑行業的不斷發展，再生砌塊多用于建筑中的填充墻及其他非承重結構。因此對其的力學性能等指標的要求不高。而應用在水利工程中，對其的力學性能，抗凍融指標，滲透性能，抗沖刷性能等均有一定的要求。

a．再生骨料在生產破碎及原建筑承載使用期間產生了一定的損傷，使得再生骨料強度低于天然骨料。此外，再生骨料包含一定的水泥砂漿，弱化了骨料與水泥基體之間的粘結力，這也不利于再生混凝土砌塊抗壓力學性能[3]。因此通過調整砌塊各種骨料之間的配置比例即可獲得適合工程使用的砌塊強度。本工程所使用的再生砌塊根據設計要求，具有較高的抗壓強度和抗沖擊能力(特別體現在水下使用情況)，不會分裂或腐朽。采用的砌塊強度等級不小于MU20。

b．再生骨料的吸水率較高，主要是由于再生骨料中水泥砂漿含量較高，再加上機械破碎中造成損傷積累，使再生骨料內部存在大量微裂紋，使再生骨料孔隙率高[4]。正是由于再生砌塊的大孔隙的微觀結構造就了其優越的透水性，當應用在生態河道治理時，擋水而不阻斷水，因此使得用再生骨料所生產的再生砌塊應用在生態河道治理工程中，不僅使得砌塊的抗凍融能力有了很大的改善，而且有利于河水與地下水的聯通和物質交換。

c．再生砌塊及再生護坡磚均具有一定的抗沖刷能力，根據計算清潩河的水流流速從清潩河關莊閘至瑞貝卡大道河段，20年一遇斷面平均流速1.13 m/s～3.40 m/s，50年一遇斷面平均流速1.27 m/s～3.73 m/s，而這兩種護坡材料的抗沖刷流速為5 m/s，均能滿足抗沖刷的要求，抗沖刷能力較強。

2)結構穩定性。

a．再生砌塊擋土墻屬于柔性結構，再生砌塊之間采取直接干壘無砂漿砌筑，對變形的適應能力較強，可以承受較大的位移而不至于失穩破壞，對小規模基礎沉陷或短暫的非常荷載組合具有較強適應能力，特別是在松軟基礎上應用。

b．墻后填土和格柵之間的摩擦力改善了土的物理性質，使得填土與格柵結合成為一個整體，共同抵抗墻后土體的側壓力，依靠帶有后緣的塊與塊之間的嵌鎖作用以及加筋體來防止滑動傾覆。

c．再生級配骨料濾層與以往工程中所應用的級配碎石濾層具有同樣的功能，由級配再生骨料進行替代，同樣可以達到良好的排水效果，水體的順利排出即可加大土工格柵的摩擦力，加筋土體采用土工布包裹，墻后部的水不僅可以及時的排出，而且又不會使得土中的細顆粒被帶走，有效降低墻后水位，迅速減少擋墻后的水壓力，增強了擋墻的抗滑穩定。

3)水體交換。

再生砌塊擋土墻沿用自嵌式設計的同時做了進一步改進，利用建筑垃圾所生產的再生骨料代替天然骨料配制再生砌塊，由于再生骨料的棱角較多，而且骨料表面較為粗糙，其組分中含有大量的已經硬化的水泥漿體，由于水泥石本身的空隙就比較大，在加工成型的過程中，會產生更多的微裂縫，這就使得再生骨料的透水性和透水速率要比天然骨料大得多，可以更多的進行水體的交換。應用于河道護岸時，擋而不隔的滲透性可保證河岸與河流之間的物質交換，實現生態護岸功能。

4)節能環保。

再生砌塊采用了低堿水泥，可以有效的避免產品本身對水體中的各種生物的有害輻射；大體量的利用建筑垃圾或者回收的廢棄混凝土作為基礎材料來制作砌塊，再生砌塊在城市河道生態化治理中，一方面可大量利用廢棄的混凝土及各種建筑垃圾，經特殊的工藝進行處理，用作天然骨料的直接替代品，可以減少河道治理工程對天然砂石骨料的開采利用和無節制的消耗；另一方面再生砌塊的應用還從根本上解決了天然骨料日益匱乏及大量混凝土廢棄物造成生態環境日益惡化等問題，也符合我國當前所提出的低碳、節能、環保的設計理念，保證了人類社會的可持續發展[5]。

5)景觀效果好。

通過顏色、面層質感和塊形的完美搭配，可實現各種裝飾效果和風格。塊體獨具匠心的劈裂面產生的質感，塊體之間上下錯縫并前后退步偏移產生的美感，形成了獨一無二的墻面，與單調的鋼筋混凝土墻面或漿砌塊石墻面相比更具生命力和新鮮感，能自然地融于周圍建筑從而營造出和諧舒適的人居環境，如圖3所示。

3 再生節能型護坡應用效益分析

3.1 生態效益

我國目前正處于建設發展的高速時期，大量建筑的改、擴建活動也迅猛發展，這樣勢必會應用到大量的天然礦石儲備，不僅切斷了可持續發展的道路，而且對于環境的污染、生態的破壞、資源的浪費是不可避免的。應當將建筑垃圾視為綠色生態的原材料，實現資源的循環利用，將廢舊建筑材料通過科學的加工和改造，形成新的產品。尤其是在“水生態文明城市”的背景下，我國對“綠水青山”的需求愈加迫切，河道生態治理中大量的應用再生節能型材料可有效減少直接污染，改善城市河流生態環境。與堆放建筑垃圾的方式相比，可減少50%的一氧化二氮、99.3%的氮化物和28%的一氧化碳排放，生態效益顯著。再生護坡材料的應用可以緩解資源與環境壓力，符合綠色環保節能的要求，是未來水生態治理中材料應用的必然趨勢，具有重大研究意義。

3.2 經濟效益

再生砌塊擋土墻及再生護坡磚除了具有良好的生態效果、優美的景觀效果、優良的結構性能等優勢之外，還可以在現場設計擋土墻位置、層位、高度與施工方法。可以改變砌塊形狀、大小，可不用機械施工。而無漿砌的施工方法可以大大提高施工速度，縮短建設工期。可以節省大量的人工費用，比傳統的混凝土擋墻、漿砌石擋墻綜合費用低，再生砌塊擋土墻的經濟效益較強。

3.3 社會效益

再生砌塊及再生護坡磚在許昌市清潩河綜合治理工程中的應用，不僅將建筑垃圾變廢為寶，節約了城市資源，而且還帶動了周邊的建筑垃圾處理行業的發展，創造了更多的就業崗位，激活了建筑垃圾處理的市場環境。有效的解決了城市建筑垃圾，帶來了巨大的社會效益。

4 結語

再生節能型護坡材料在許昌水生態文明城市的建設中，發揮了極大的優勢和作用。大量的建筑垃圾得以有效的回收，并且在河道的治理中得到了廣泛的推廣和應用，極大的改善了河流的生態環境，形成了完整的水生態系統，打造出了“北國水鄉”的盛世，經濟效益，生態效益，社會效益顯著。通過本次生態河流治理的初步探索，以期能給今后的河流生態化治理提供一定的理論依據和工程借鑒。

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