河道生態護岸設計中的底泥固化技術中試

顧向陽，顧竹珺，李飛鵬，朱元中，陶　紅

(1.上海市崇明區農村水利管理所，上海　212150；2.上海理工大學環境與建筑學院，上海　200093)

崇明島以建設和發展世界級生態島為主要目標。然而由于部分城鄉中小河道水動力不足，河道底泥長期不能得到有效疏浚，大量污染物、營養鹽累積在底泥中，在水力擾動下釋放到上覆水，導致河道水質惡化；再加上地表徑流、農村分散式生活廢水和畜禽養殖污水的排放，進一步加劇了河道污染，引起河道黑臭[1-2]。崇明河道坍塌的主要表現形式為坡蝕、溝蝕以及重力侵蝕[3]，主要是由于崇明的土壤為沙洲沖積土，下層的砂性土土質顆粒渾圓光滑不具棱角，疏松狀態下顆粒間摩擦小，在地下水滲透水流的作用下，很容易發生坍塌；船體航行的船行波、降雨沖刷以及植被破壞等也是造成河坡坍塌、河床淤淺的重要原因[4]。生態型護岸成為了當前城鄉中小河道治理的發展趨勢[5]。生態護岸改變了傳統護岸只注重安全性和耐久性，隔斷水生和陸生生態系統之間聯系的不足[6-7]，是利用植物或植物與土木工程相結合的一種“可滲透”的新護岸形式，這種護岸可以充分保證河岸與水體之間的水分交換和調節功能[8-9]，增強河道的自凈能力，改善水環境。目前崇明常用的護岸型式主要有樁板式護岸、漿砌塊石擋墻、綠化混凝土、生態石籠、連鎖塊、生態袋等[4,10]，河道各功能發揮的基礎依賴于護岸材料的生態健全和結構穩定。已有研究提出將疏浚底泥固化材料用于河道生態設計的理念[11]，即以河道底泥為原料，基于固化穩定化技術，既可以穩定重金屬不遷移入環境中，又可以使其具備一定強度制備成砌塊和吸附材料等。盡管從理論上來講該技術已頗為成熟，但鮮有應用于河道生態恢復的中試研究或者工程實踐。

本研究以上海市崇明區港沿鎮某獨立河段為研究對象，采用固化穩定化技術將河道疏浚底泥制備成砌體和吸附材料，原位應用于崇明河道護岸生態設計實踐，考察了實際工程的生態安全性，旨在驗證底泥制備材料在河道護岸工程中的應用效果，為河道實際工程的生態設計應用提供參考，進而實現河道的綜合治理和生態恢復。

1　河道概況

該河道位于崇明港沿鎮馬橋中學旁(E121°38'49.0992"，N31°35'33.6372")，河道周邊環境以農田為主，一面靠近學校。河道在修復前，水流侵蝕邊坡導致土壤基質流失嚴重，邊坡周邊普遍存在農民私自耕種輪作的現象，土壤性質被農藥肥料及腐爛的農作物根系改變；同時，由于坡面流和縱向水流的協同作用，水位變動區域水土嚴重流失，致使河岸帶基礎部分不穩定，河道周圍植株稀疏，雜草叢生，還產生了一定程度的邊坡向河中央滑移、河床抬高和近水河床裸露等問題。

2　河道生態護岸設計方案

2.1　底泥固化穩定化技術

底泥固化和穩定化是通過添加水泥、其他添加劑等，利用水泥的水化反應將底泥封裝包裹，使底泥膠結行成具有一定強度的安全耐久性工程材料。該方法在改善底泥物理性質的同時穩定底泥中的污染物，使其不易遷移進環境中，是實現河道底泥資源化利用的有效處理方式。

河道護岸和護坡的砌筑砌塊以及多孔材料均采用工程河道內的疏浚底泥作為原料。砌筑砌塊材料(圖1)中基礎部分的配比為固化劑D，容重為0.4，水泥與底泥比為0.06，7 d抗壓強度可達到750 kPa；護岸砌筑部分(圖2)的配比為固化劑GH，容重為0.4，固化劑與底泥比為0.30，7 d抗壓強度為1 890 kPa。砌筑砌塊材料的抗壓強度等級、抗剪強度等級、容重比等均滿足《土壤固化劑應用技術導則》(RISN-TG003-2007)。

圖1　河道基礎砌筑建材生態磚

圖2　河道護岸砌筑輕質生態磚

砌筑建設所需多孔材料(圖3)的配比為發泡劑GH，容重為0.7，水泥與底泥比為0.4，抗壓強度為380 kPa，透水率為0.7×10-2cm/s，平均孔隙率為27%。砌筑建設所需多孔材料的密度等級、抗壓強度等級、抗剪強度等級、透水率、透水飽和率均滿足《土壤固化劑應用技術導則》(RISN-TG003-2007)和《輕集料及其試驗方法-第1部分：輕集料》(GB/T 17431.1—2010)中的要求。

圖3　河道護坡砌筑多孔材料

2.2　河道護岸生態設計

河道護岸生態設計工程總長度為60 m，水面總面積為180 m2。河道護岸和護坡的生態設計應能實現邊坡的抗沖蝕和抗滑動能力，減少水土流失，維持坡面坡型，采用的砌筑材料應具有良好的透水性，不僅能夠保障植物生長，而且能提高植物和微生物的棲息質量，以達到恢復河道自然生態的目標[6,12]。河道邊坡護岸按照結構性質分類，一般可分為非結構性和結構性，非結構性邊坡適合坡度較緩且水流平緩的河段，結構性邊坡則適于坡度水流中等或較強的河段[13]。根據河岸的原始情況和景觀需求，本研究設計了圖4的結構型護岸。在修復邊坡生態系統的過程中，恢復植物帶是一種重要的河流生態系統恢復措施，河道水生植物可以有效吸收河水中的營養鹽，改善河水水質，提高河水自凈能力[14]；同時，水生植物對水流具有消能和防沖作用，可形成保護性的岸邊帶，減少水中的夾砂含量；較大面積的綠植可以削減地面徑流污染，涵養水分，起到調節小氣候，改善周圍生境的重要作用[15]。因此，在本設計中，護岸護坡和近岸河道分別移植和栽種了草皮、挺水植物和沉水植物。

原始河岸土壤基質不穩定，必須經過底部基礎處理后，才可以保證河岸和邊坡的工程質量和使用壽命。在設計中，近岸處的河床底部采用置石或建筑廢料、廢木材等進行加固。各部分的設計參數如表1所示。

以《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)中的堤防工程標準進行砌筑。基礎砌筑部分長60 m，斷面寬度為0.8 m，斷面深度為0.5 m。由于原始河岸土質疏松，為加強河岸的抗沖刷能力，護岸基礎砌筑部分使用生態磚，挺水植物和沉水植物種植在空隙及延伸處；上層護岸砌筑長60 m，斷面寬度為0.4 m，斷面深度為0.5 m，采用輕質生態磚，挺水植物種植在空隙及延伸處；護坡整治長60 m，斷面寬度為1 m，斷面深度為0.1 m，在護坡土層平整好后，采用河道底泥攪拌固化劑后直接平鋪澆筑于土層之上，澆筑高度為0.1 m，再以綠化草皮覆蓋，攪拌時加入發泡劑使材料多孔，通過對草皮的養護，不影響植物的自然生長，逐步接近自然狀態。

表1　整體護岸護坡設計參數

以護岸近水和護坡為區域劃分，近水種植美人蕉(Cannageneralis)、花葉蘆葦(Mosaicreed)，每株種植距離為20 cm，護坡鋪設草皮，保證河岸自然生境和生態系統的恢復和發展。

3　工程分析方法

現場選取地基水下部分、護岸水下部分、護岸平臺以及護坡砌筑材料制備直徑61.8 mm、高20 mm的試塊各12塊，共48塊，采用電動等應變直剪儀測點試塊抗剪切力。砌塊安全性檢測采用《固體廢物浸出毒性浸出方法醋酸緩沖溶液法》(HJ/T 300—2007)，由NexION 300X ICP—MS(PE公司)測定分析重金屬含量。分別于2016年8月～10月，在中心河道使用便攜式水質測定儀(WTW Muti 350i)進行測試，分析pH、溶解氧、電導率等水質指標。

4　工程效果分析

該河道護岸生態設計的施工工程于2016年8月結束。在8月～10月期間，對工程砌筑的剪切強度及內摩擦角進行檢測，同時，對工程范圍內的河道pH等水質參數進行了連續7次檢測。

由圖5可知，地基部分底泥材料的平均抗剪強度為252.74 kPa，護岸水下部分的平均抗剪強度為308.76 kPa，護岸平臺部分的平均抗剪強度為371.495 kPa。隨著時間變化，生態磚的總體抗剪強度稍有下降，主要原因可能是工程在14～8 d遇到了連續強降雨，雨水的沖刷和長時間浸泡使材料的固化過程受到影響，導致其抗剪強度下降；生態磚的抗剪強度在28～90 d逐漸趨于穩定，表明降雨結束后水位下降，未受到浸泡影響的生態磚的固化過程逐漸完成。圖6表明底泥磚在90 d的內摩擦角沒有發生太大的變化，說明底泥磚本身結構穩定，未受到破壞，這也說明剪切力的下降和砌塊本身關系不大，可能是受到外部環境變化造成的。

圖5　護岸砌筑部分剪切力變化

圖6　護岸砌筑部分內摩擦角變化

圖7　護坡部分剪切力和內摩擦角變化

由圖7可知，護坡的平均剪切強度為7.84 kPa。28 d時，護坡的剪切力和內摩擦角出現明顯的下降，原因其一可能是14～28 d期的連續強降雨使護坡的固化受到了影響；其二是由于河道位于學校后面，28 d時學校已經開學，學生在岸坡上的活動一定程度上干擾了工程的養護以及植被的生長恢復。28～90 d，經過工程養護和修補以及減少學生活動，植被根系逐漸發育，抗剪強度也隨之增大，但總體增強程度不高，原因可能是臨近秋季，植被生長能力下降[16]。

護岸護坡整體工程采用砌筑材料的7～90 d浸出毒性如表2所示，均滿足《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)，說明污染物穩定性良好，各污染物浸出毒性也遠低于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的III類水標準，說明砌筑材料均具備環境安全性。

表2　護岸護坡工程采用砌塊材料的7～90 d浸出毒性

固化過程中使用了水泥，水泥為強堿性物質，若釋放到水體中，會對水體微生物生態造成危害。但該生態護坡工程河道水質的pH值總體保持在8左右，呈弱堿性狀態，說明固化后的底泥材料不會對河道的微生物系統造成破壞。種植于水中的美人蕉、蘆葦等植物生長狀態良好，在種植3周后有30%的植株開花，護坡鋪設草皮生長迅速，全面覆蓋護坡區域。生態恢復效果情況與上海市嘉定區北潮塘河段的河道工程類似[12]。

該中試工程將疏浚底泥固化后的材料用于河道生態設計中，與多數利用混凝土預制的仿自然型生態護坡、土質類護岸設計不同，既保證了邊坡的穩定，減少了水土流失，又促進了河道水體自凈能力的恢復，從而達到河道與周邊環境自然修復的良性循環。同時，將底泥制材用于建設生態河道，不僅使得河道內源污染削減[17-18]，也實現了閉環循環的河道生態系統目標，彌補了現代河道生態設計的不足。本河道護岸中試工程的實景如圖8(a)和圖8(b)所示。在后續的研究中，還需要探索疏浚底泥固化材料的不同應用維度，以及針對崇明中小河道的河道治理、工程設計及景觀設計過程中的多目標利用和效果。

圖8　河道護岸中試工程前后對比 (a)施工前；(b)施工后

5　結論

以上海市崇明區港沿鎮馬橋中學旁的60 m小河道作為研究對象，基于生態設計理念，應用固化穩定化技術，進行河道護岸生態設計的中試工程試驗。

(1)工程主要建材為固化后的河道底泥和邊坡土壤，以《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)中的堤防工程標準進行砌筑，在近岸河床底部采用置石或建筑廢料堆砌加固，護岸砌筑使用建材式生態磚和輕質生態磚，護坡土層原位固化后栽種植物，最終達到了穩定邊坡土壤、美化河道環境和恢復河道生態的目標。

(2)該中試工程的護岸在90 d內平均抗剪切強度為310.9 kPa；護坡的平均抗剪切強度為7.84 kPa，材料結構穩定安全。浸出毒性符合《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)以及《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的III類水標準。

(3)河道水pH保持為弱堿性，沒有發生明顯變化。河岸周圍植株生長良好，植被覆蓋率上升，自然生態環境逐步恢復。

(4)將疏浚底泥應用于河道生態修復工程中，實現了底泥資源化利用，達到“取之于河，用之于河”的閉環循環利用效果，為崇明建設世界級生態島、進行河道生態恢復的計劃提供了科學依據。

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