BSC剛性生態型護岸護坡修復系統應用初探

周曉明，袁彬鴻，劉洪濤

(1.湖北宜昌市河道堤防建設管理處，湖北 宜昌 443000；2.北京福仕汀科技有限公司，北京 100193； 3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

0 引 言

宜昌市作為三峽水利工程和葛洲壩水利樞紐工程所在地，對于保障長江流域地區防洪安全的戰略意義重大。位于長江左岸主城區的宜昌城區段防洪護岸工程采用完全硬質化的漿砌預制混凝土六棱塊護坡形式，具有較好的防護功能，但生態功能價值較低[1]。為探索硬質護坡的生態修復技術在長江流域的適應性和可行性，以宜昌段防洪護岸工程改造為研究案例，經技術應用比對，采用BSC剛性護岸護坡生態修復技術，開展相關試驗研究。

BSC剛性護岸護坡生態修復系統是一個集安全功能、水質凈化和生態修復功能于一體的基礎平臺，主要技術形式為“生物+抗侵蝕結構”。系統包含兩大功能，一是骨料層，具有：7～18 MPa抗壓強度、25%～50%連續孔隙率、可抗5 m/s流速的水流沖刷性能，能滿足城市河道對防洪抗沖功能基礎要求[ 4]；二是富含BSC菌落的基質植被層，具有豐富的微生物，能有效分解，轉換各種有機污染物。

1 試驗方案與設計

1.1 基礎平臺骨料層試驗方案

采用直接在已存在的漿砌預制混凝土六棱塊護岸基礎上澆筑C20框格梁并充填多孔型骨料層進行基礎防護，無需對原有堤防結構做任何拆除或破壞措施，然后充填生物基質層進行生態、植被修復。

基礎骨料層試驗方案，采用φ50 mm單一粒徑石料、P.O42.5水泥、BSC-WY添加劑、水為原料通過機械混拌，混拌時間120 s，20 min內澆筑完成。

1.2 基質植被配置方案

經過實際調查和研究，本次試驗采用了多樣化植被恢復方案為生態、植被恢復基礎措施(表1)，其中采用冷暖季禾草狗牙根、高羊茅混播作為地被植物，金雞菊、百日草等混播作為景觀植物，紫花苜蓿作為多樣性補充。

表1 基質植被配比/配置表Tab.1 Substrate and vegetation configuration

為測定BSC生物基質對植物生長量的影響，選試植物為狗牙根，播種量25 g/m2，選樣面積為25 m2。背景土壤為取自宜昌當地良好種植土有機質含量4.7%，背景土壤和BSC生物基質營養成分(見表2)。

表2 長江宜昌城區段生態修復改造工程參試土壤和BSC菌群養分分析Tab.2 Analysis of soil and BSC microorganism

1.3 研究方案

基礎骨料層的現場攪拌、轉運、澆筑采用機械方式，所用機械：柳工LG250裝載機1臺、350自落式攪拌機1臺、時風轉運車3臺、卡特CAT8000挖掘機1臺?；|的現場混拌采用機械+人工輔助鋪攤方式充填，所用機械：廈工XG500裝載機1臺、工人6人、輔助釘耙6把。播種、覆蓋無紡布和澆水采用人工方式。

1.4 骨料基礎層檢驗方法

試樣塊制作：按照不同配比制作150 mm×150 mm×150 mm尺寸的生物基質混凝骨料層試塊，養護28 d后備用。試件制作方法、養護方法、尺寸偏差應符合GB/T 50082 的規定。

孔隙率測定：孔隙率采用排水法來測定，分別稱量試塊在空氣中重量和水中重量，通過排水量計算出孔隙體積和比例，試驗溫度為20～25 ℃?？箟涸囼灒嚎箟涸囼灥木唧w步驟, 應依照參照GB/T 50081中的規定執行。試驗機的上、下壓板應有一端為球絞支座，可隨意轉動。加荷速度宜取0.2～0.4 MPa。取樣數量：每種處理3個重復。

1.5 基質植被恢復及生長量檢驗檢測方法

試驗在研究現場取樣，主要采集不同處理下狗牙根各時期鮮活樣品到國家草地生態野外觀測站實驗室(沽源站)進行檢測、分析，并采集表層(5 cm)基質土壤帶回實驗室測定酸堿度pH值、持水孔隙率等理化指標，測定方法參照《土壤農業化學常規分析方法》。

研究現場設4組試驗，每組設10個平行，每個試樣面積50 m2。在種植基質摻入BSC生物菌劑，BSC生物菌劑按高(10 t/hm2)和正常(5 t/hm2)2個比例摻入。試驗設置普通有機肥(發酵過的雞糞)和不施肥兩種對照。分別于分蘗期、抽穗期和成坪期統計和測定分蘗數、單株鮮重、表層5 cm基質酸堿度、土壤孔隙率等指標。

2 結果與分析

2.1 骨料層抗壓強度和BSC-WY外加劑使用量正相關

從表3所示結果，可得知專門為生物基質混凝土設計配置的BSC-WY系列外加劑不僅在減水功能上有明顯效果，還因其中添加的黏膠和其他調節成分，使得骨料層在少用水泥條件下仍然提升了抗壓強度。

同時，不同型號BSC-WY系列外加劑在采用相同配合比條件下，對骨料試樣塊抗壓強度的影響差異顯著，實際工程中可以根據設計或其他不同需求選擇使用相應型號，甚至單獨定制。

表3 不同型號和摻量梯度外加劑對骨料層抗壓強度影響表Tab.3 Effects of different model and gradient admixtures on compressive strength of aggregate layer

2.2 骨料層抗壓強度和水泥用量增加正相關

從表4可得知，在相同條件下水泥用量和抗壓強度呈正相關性，水泥用量的增加可以提供骨料試樣塊的抗壓強度，但水泥用量的增加會增加工程建造成本，實際工程中應綜合考慮。

水泥用量和孔隙率呈負相關性，隨著水泥用量增加骨料試樣塊孔隙率呈逐步降低趨勢，水泥在采用400 kg/m3方案配比時孔隙率仍可達到25%，在采用300 kg/m3方案配比時孔隙率大于30%，具有明顯差異。

表4 不同水泥摻量對骨料層抗壓強度影響表Tab.4 Effect of different cement content on compressive strength of aggregate layer

2.3 生物基質對狗牙根生物量指標的影響

單株鮮重和分蘗數可作為反映草坪草總體和葉片生物量評價指標。從分析結果看(表5)，BSC生物菌劑用量高的采樣中狗牙根單株鮮重顯著高于其他3組試驗的(p<0.05)，其他3組試驗單株鮮重無顯著差異。對于分蘗指標，正常用量BSC生物菌落組與有機肥組的基本持平，但均低于高用量BSC生物菌落組，又高于對照組。這說明，提高BSC生物菌落施用量可顯著提高狗牙根的生物量。

表5 BSC生物菌落對狗牙根生物量指標的影響Tab.5 Effects of BSC microorganism on biomass of Bermuda-grass

注：數據后標注不同字母表示同一列數據之間存在顯著差異(p<0.05)。

2.4 不同植物配置和種植方案的植被生態恢復效果

在大規模應用播種多樣化植物為建群種的同時，設置了以鋪設單一科屬商用草坪草的對照區，觀察原生型種植方案和鋪草坪種植方案的植被恢復效果和生態恢復保持效果。經過一個生長季觀察，發現生物多樣性的多科屬播種原生型種植方案植被恢復和景觀效果明顯優于單一科屬草坪鋪設種植方案(見表6)。

2.5 BSC生物菌落對原生鄉土植物生長影響

通過現場采樣當地鄉土品種狗尾巴草進行單株鮮重和分蘗數葉片生物量進行評價，并且根據田間調查結果可以看出，BSC生物菌落可促進鄉土植物的自然恢復性生長，植物種類豐富(見圖1)，同時增加植物單株生長量。

3 討 論

對河道的硬質護岸護坡生態化改造已經是我國水利建設和生態文明建設的大勢所趨[2,3]，國內已有一些地區進行硬質護岸生態化改造試驗，并獲得成功[ 4]。BSC剛性護岸護坡生態修復系統具有可恢復多元的水陸兩域植被，能轉移和固定被微生物分解的污染物以及固定漂流(移)物，同時還有動物的孵化、棲息保育能力[4,5]，是對剛性硬質護岸護坡生態修復的一種可能技術。

表6 長江干堤宜昌城區段硬質剛性護岸生態修復工程 10個月后植被種類調查表Tab.6 Investigation on vegetation species after ecological restoration project 10 months

圖1 免拆除長江干堤剛性硬質護岸直接原位生態修復效果對照Fig.1 Comparison of ecological restoration effect of in-situ rigid bank protection

3.1 基礎骨料層

從試驗結果可以得知，BSC-WY系列混凝土外加劑可以有效提高多孔型混凝土骨料層的抗壓強度。BSC-WY系列混凝土外加劑不僅具有減水劑的性能，還具有一定膠體性能，可以進一步提高多孔型混凝土骨料層的抗壓強度。

生物基質混凝土骨料層屬于多孔動植物相容型混凝土，制造盡可能多的連續孔隙最終目的是讓植物可以生長其中，進而為后期的生態修復奠定基礎。高孔隙率和高抗壓強度之間是矛盾的[1,2,3]，通過專有的BSC-WY系列混凝土外加劑的使用和調節，在一定程度上可以讓多孔動植物相容型混凝土保持30±5%的連續孔隙率情況下，具有7～18 MPa的抗壓強度。通過試驗和實際工程應用，一般推薦使用水泥用量為320 kg/m3配比方案較為經濟。

3.2 基質植被層

通過現場采樣當地鄉土品種狗尾巴草進行單株鮮重和分蘗數葉片生物量進行評價，并且根據當年田間調查結果可以看出，BSC生物菌落可促進鄉土植物的自然恢復性生長，恢復生長的植物種類豐富，并且植物單株生長量，同時滿足生物多樣性的恢復。

BSC生物菌落顯著提高了植物生物量，對基質受水泥使用引起的強堿性浸出液影響植物生長有很好的調節作用，同時對基質持水性也有改善效果。以生物基質為基礎的BSC剛性護岸護坡生態修復系統應用于長江干堤宜昌城區段的生態和植被修復，初步研究結果表明本系統適合于剛性硬化護岸的生態修復。

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