植生混凝土河道護坡截表層土反濾特性研究

于鵬飛

（凌源市應急供水建設管理處，遼寧 朝陽 122500）

傳統河道護坡多采用漿砌石等硬化護坡，忽略了周邊環境的生態性，導致堤體周圍生態退化，水體的自凈能力減弱［1］。作為一種新型綠色建筑材料，植生混凝土將生態與混凝土兩者有機地結合起來，破除了傳統混凝土對生態環境的制約，在保持水土、提高邊坡穩定、降低環境負荷、修復生態環境、保持生物多樣性、協調人與自然等方面［2］都發揮積極有效的作用。因此，將植生混凝土作為護坡材料逐漸引起國內外學者的廣泛關注。宋文杰［3］等研究發現植生混凝土能夠有效提高N、P的去除率，混凝土的孔隙構造加強了植物的凈化水質效果；林志光等［4］表明植生混凝土受水位驟降的影響較小，能夠連續并有效地凈化水體；鄭德戈等［5］對植生混凝土防護特性進行研究，表明在堤防護砌工程中植生混凝土受水位驟降的影響較小。本文以高羊茅草籽為種植對象，選擇不同邊坡坡度、不同粒徑粗集料，對漿砌硬化護坡、植生混凝土表層覆土植草、植生混凝土表層覆土未植草、植生混凝土表層無覆土、普通土體模式的影響進行了研究，針對植生混凝土截流表層土質、反濾和吸附除雜性能進行試驗，通過控制變量和設置空白對照組的方法選擇護坡方式，并對植生混凝土護坡進行了綜合評價，以期為植生混凝土在實際工程中的應用提供參考，有著重要的現實意義。

1 試驗設計

1.1 邊坡選擇

河道護坡是眾多護坡類型中的一種，河道邊坡坡度根據工程特點、土的工程性質及挖填高度而定，模擬河道坡度分別為1∶1和1∶3。

1.2 降雨強度計算

考慮到降雨對生態護坡坡面的沖刷作用，對應凌源市地區暴雨重現期P=5年，降雨強度如式（1）：

式中 F為匯水面積（m2）；Q為流量（L/s）。

1.3 邊坡模擬裝置

（1）長方體木箱設計尺寸600mm×400mm×120mm，木箱下方出口高度85mm，將木箱置于沖刷支撐架，并調節坡度1∶1至1∶3。

式中 q為暴雨強度（L/s·ha）；T為降雨歷時（s）；P為重現期（a）。

降雨裝置出水口雨水量計算如式（2）：

（2）選用低堿硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料，采用15～20，20～25，25～30mm的粗集料，標準養護28d。

（3）將土壤敷設在模型板框內底層，設置厚度50 mm。

（4）將保水劑、土壤、水、營養液均勻地填充到生態混凝土試件上，表面覆土栽種高羊茅植株并進行沖刷試驗。

2 河道護坡截表層土反濾特性

2.1 植生混凝土截留表層土質性能分析

對植草邊坡進行60min的沖刷試驗，結束后烘干并計算攔截的土質量。試驗裝置固定放置完畢后，將對照組和試驗組的護坡模型置于試驗裝置上，進行植生混凝土截留表層土質沖刷試驗，實驗結果如表1，圖1。

表1 沖刷土體質量

圖1 不同模擬邊坡的表層土質沖刷量

由圖1可以看出：

（1）強降雨作用下兩種模擬邊坡覆土未植草組的土質流失量分別為1.4652kg和1.1385kg，覆土植草組的土質流失量分別為0.7623kg和0.5049kg，植物根系對土壤的攔截率分別高于覆土未植草組的47.97%和55.65%。

（2）在試驗過程中，邊坡系數為1∶1的覆土植草組30min后出現明顯的塌落、滑坡現象；邊坡系數為1∶3的覆土植草組流失土質量不斷增加，但未出現明顯的滑坡現象。植株根系使土壤連接成板塊，降雨水作用下，土壤整體分裂成多個板塊，出現分層滑坡的現象。

（3）敷設植生混凝土后，邊坡系數為1∶1的覆土未植草組比覆土未植草組的泥土損失減少了47.97%；覆土植草植組比覆土未植草組的泥土損失減少了89.19%；邊坡系數為1∶3的覆土未植草組比覆土未植草組的泥土損失減少了55.65%；覆土植草植組比覆土未植草組的泥土損失減少了92.17%。

（4）邊坡系數為1∶1時，強降雨作用下粒徑為15～20，20～25，25～30mm覆土未植草組的土質沖刷量分別為0.1584，0.1881，0.2277kg，比覆土未植草組泥土損失分別減少了46.67%，44.12%，41.03%；邊坡系數為1∶3時，在強降雨作用下，粒徑為15～20，20～25，25～30mm覆土未植草組的土質沖刷量分別為0.0891，0.1287，0.1683kg，比覆土未植草組泥土損失分別減少了55.01%，40.91%，37.04%。表明覆土植草組能夠明顯減少了雨水的沖刷作用，主要由于植株的根系固結土壤的能力較強，能夠有效增強表面土壤的抗沖刷能力。

2.2 植生混凝土反濾性能分析

為分析流水對植生混凝土底層土壤的影響規律，對混凝土的反濾性能進行研究，試驗分組設計如表2。試驗裝置固定放置完畢后，將對照組和試驗組的護坡模型置于試驗裝置上，進行植生混凝土反濾性能試驗，實驗結果如表2，圖2。

表2 底層土質沖刷量

圖2 不同坡度護坡方案沖刷土質量

由圖2可知：

（1）在強降雨強度條件下，隨混凝土骨料粒徑的增大，底部土壤流失率不斷上升；隨著邊坡系數的增大，混凝土底部的土壤流失量不斷減小。

（2）邊坡系數為1∶1的表層無覆土無植草邊坡60min內的土壤流失質量1.31kg，15～20，20～25，25～30mm植生混凝土組的底部土壤流失量分別為0.0792，0.1089，0.1584kg；植生混凝土對底部土壤的反濾攔截率達86.92%。

（3）邊坡系數為1∶3的表層無覆土無植草邊坡 60min內 的 土 壤 流 失 質 量0.897kg，15～20，20～25，25～30mm植生混凝土組的底部土壤流失量分別為0.0198，0.0693，0.1089kg；植生混凝土對底部土壤的反濾攔截率達96.82%。

（4）主要是由于植生混凝土表面呈凹凸不平，內部為多孔構造，能夠減少強降雨等惡劣天氣對混凝土結構的破壞。實際工程中，流水湍急的岸側選用粒徑較小的粗集料，能夠有效減少流水對土質邊坡的侵蝕作用，防止土質邊坡管涌等土質流失現象發生。

2.3 植生混凝土吸附除雜性能分析

將凌源市本地0.5～1mm粒徑的細河砂作為固體雜質，試驗組類設計如表3。裝置固定放置完畢后，將對照組和試驗組的護坡模型置于試驗裝置上，進行植生混凝土吸附除雜試驗，實驗結果如表3，圖3。

表3 沖刷細砂質量

圖3 不同坡度護坡方案沖刷泥沙質量

由圖3可知，在強降雨沖刷下，普通硬化混凝土護坡對固體顆粒的攔截作用微弱，邊坡系數為1∶1和1∶3時，固體顆粒的流失分別為0.9207kg和0.8712kg；邊坡系數為1∶1時，無覆土植草組和覆土植草組，固體顆粒的流失最高分別為0.2376kg和0.2673kg；邊坡系數為1∶3時，無覆土植草組和覆土植草組，固體顆粒的流失最高分別為0.2178kg和0.2079kg。

表明，植生混凝土護坡的模擬邊坡對固體雜質的攔截率大幅提升，同時隨粗集料粒徑的增加，植生混凝土對固體的攔截能力不斷減弱，主要是由于植生混凝土以多孔混凝土為框架，降雨過程中，固體顆粒隨水流匯入到孔隙中，導致固體雜質擴散受阻。

試驗發現，邊坡系數對固體攔截能力影響明顯高于骨料粒徑的影響；覆土植草和無覆土植草均能夠較好的攔截固體污染雜質，其中無覆植草組和覆土植草組對固體雜質攔截率高于普通硬化護坡。強降雨條件下植草對固體雜質的攔截作用明顯提高，主要由于植株莖葉及根系對表層種植土質和固體雜質截留具有很好的攔截作用，同時植物能夠吸收有害物質并將固體雜質分解為各種無機物、有機物，為微生物和植物提供了營養環境，進而減少了生物鏈內有害污染物的傳播。

3 結語

采用模擬降雨實驗，選用兩種護坡形式研究了植生混凝土截留表層土、反濾特性及吸附除雜能力，主要的得出以下結論：

（1）覆土植草組能夠明顯減少了雨水的沖刷作用，兩種模擬邊坡覆土未植草組的土質流失量分別為1.4652kg和1.1385kg，覆土植草組的土質流失量分別為0.7623kg和0.5049kg，植物根系對土壤的攔截率分別高于覆土未植草組的47.97%和55.65%。

（2）實際工程中，流水湍急的岸側選用粒徑較小的粗集料，能夠有效減少流水對土質邊坡的侵蝕作用，防止土質邊坡管涌等土質流失現象發生。

（3）覆土植草和無覆土植草均能夠較好的攔截固體污染雜質，其中無覆植草組和覆土植草組對固體雜質攔截率高于普通硬化護坡，該研究能為植生混凝土在實際工程中的應用提供參考。