基于生態型護坡結構的湖泊河道修筑防護技術研究

劉敬晶

(深圳市龍崗區水務局，廣東 深圳 518000)

湖泊河道是在特定水文、氣候、地理條件下不斷演化而形成的，是一套平衡而又完整的生態系統。然而在人類生產生活活動的不斷干預下，湖泊河道產生了很多問題，例如，在對某河段進行局部治理的過程中對其他河段的環境、安全問題造成影響；人工化河道破壞湖泊中的生物多樣性，降低其自我修復能力，帶來湖泊生態系統的退化；人類生活不斷侵占河道，使河道越來越窄，對其過流能力造成影響等[1]。這些問題也影響了河道的安全性，由此，湖泊河道修筑防護技術成為湖泊河道領域的重點研究課題。湖泊河道修筑防護是一種系統化的，集美學、園林學、城市規劃學、生態學、生物科學、環境科學、水利工程學等學科為一體的水利工程，是修復湖泊生態系統的重要建設部分，受到越來越多人的重視[2]。

對于湖泊河道修筑防護技術的研究，全世界都非常重視，并取得了多樣化的研究成果。其中國外對于湖泊河道修筑防護技術的研究歷史較為悠久，主要側重于對自然的護岸工程進行構建，也就是構建自然型湖泊河道。有學者提出一種基于天然材料的湖泊河道修筑防護技術。這種技術主要通過天然材料包括卵石、竹籠、木樁等對護岸工程進行構建。我國對于湖泊河道修筑防護技術的研究在近幾十年來也取得了突破性的進展，并對先進建筑材料進行研發。對比以往湖泊河道修筑防護技術，在工程效能、工程成本以及施工工藝等方面都有了很大進步。有學者提出了一種基于加筋土護岸的湖泊河道修筑防護技術，這種技術主要是利用加筋土這種新型材料進行湖泊河道修筑防護。以上技術在抗沖刷性、施工難易度、材料透水性等方面存在性能較低的問題，因此在湖泊河道修筑防護技術的研究中應用生態型護坡結構，提出一種基于生態型護坡結構的湖泊河道修筑防護技術，實現湖泊河道的生態型修筑防護。

1 基于生態型護坡結構的湖泊河道修筑防護技術設計

1.1 選擇工程材料

基于生態型護坡結構對湖泊河道進行修筑防護，其中混凝土材料選用隨機多孔型綠化混凝土這種新型材料[3]。隨機多孔型綠化混凝土在生長基部分需要的水泥和集料要求具體如表1所示。

表1 生長基部分需要的水泥和集料要求

隨機多孔型綠化混凝土的制作要求具體如下：

攪拌要求具體如下：使用的攪拌機類型為強制式，具體如圖1所示。水泥漿需充分、均勻的對集料進行包裹。拌和使用的加水方式為二次加水，也就是首先在集料里加入一半水，起到濕潤集料的作用，然后加水泥，在攪拌過程中加入剩下的水，直至水泥漿完全包裹集料[4]。將攪拌時間整體控制在4 min左右。

圖1 使用的強制式攪拌機

澆注要求具體如下：使用分隔式模具，在外框模具中注入混凝土，并將其振搗成型。此時在內框模具內進行無砂混凝土的注入，并進行拍擊、插搗，接著拿出內框模具，進行振搗，粘合兩種混凝土，振搗力度不能過大[5]。

養護要求具體如下：初凝之后，通過濕養護的方式對其進行養護，每天進行四次大水量水澆[6]。養護時間要求具體如表2所示。

表2 養護時間要求

起模或拆模要求具體如下：等到水泥漿具備一定硬化強度，并且外框混凝土和無砂混凝土徹底粘合時進行起模或拆模[7]。

對于隨機多孔型綠化混凝土來說，其生長基處的無砂混凝土較為薄弱，需要對其抗壓強度指標進行控制[8]。

其抗壓強度與水泥用量、集料粒徑有關，在32.5硅酸鹽水泥實際用量不同、碎石粒徑不同的情況下，對隨機多孔型綠化混凝土植物生長基進行抗壓強度實驗[9]。具體實驗結果如表3、表4所示。

表3 抗壓強度數據表

表4 數據分析結果

根據實驗數據，選擇骨料粒徑為261.5～31.5 mm、灰骨比為1比4的無砂混凝土配比[10]。

以該無砂混凝土配比對隨機多孔型綠化混凝土進行快速凍融實驗，其中一個凍融循環的時間為四小時。具體實驗結果如表5所示[11]。

表5 快速凍融實驗具體實驗結果

實驗結果證明該無砂混凝土配比具備很好的抗凍融能力。

1.2 構造混凝土板塊

利用隨機多孔型綠化混凝土制作混凝土板塊，并對其進行濕度環境與表面溫度的觀測研究，獲取板塊的最佳植物種植情況[12]。其中利用隨機多孔型綠化混凝土制作的混凝土板塊具體如圖2所示。

圖2 利用隨機多孔型綠化混凝土制作的混凝土板塊

利用隨機多孔型綠化混凝土制作的混凝土板塊表面積較大，能夠帶來很大的植物可播種范圍，其邊長為520 mm，可以達到0.20 m2的播種面積，在總板塊面積中可以達到85%的占比，其表面吸熱面積在總板塊面積中則僅占15%，能夠降低板塊的實際溫度，為植物帶來更好的生長環境。其凹槽具備一定厚度，能夠承載較多土壤，并且能夠降低土壤流失率，提高植物的發芽率[13]。在植被發芽初期，為提升其成活率，降低養護植物的工作量，可以在凹槽中對切塊草坪卷進行鋪設。

對于板塊的外框，需要考慮三種因素：成本造價、工藝難度以及耐久性和強度[14]。綜合以上三項因素，確定外框的具體配比，具體如表6所示。

表6 外框的具體配比

對混凝土板塊進行表層溫度的統計與觀測，結果顯示板塊適合播種植物種子的時間比較提前，更適合對茂密型、耐熱型植物進行種植，并且板塊具有積蓄低溫的情況[15]。

并對混凝土板塊進行濕度環境的統計與觀測，結果顯示在板塊孔隙中填充營養材料后，孔隙需要保持在60%～90%的相對濕度，才能保證植物的良好生長。

制作板塊時使用的機具為綠化混凝土專用的成型構件制作機組，具體如圖3所示。該機組的起降模式為氣壓式，模板材質為塑料，且機身自重較輕、操作簡單[16]。

圖3 綠化混凝土專用的成型構件制作機組

1.3 選擇護坡植物

對于混凝土板塊這種特殊的植物種植環境，需要保證低溫、干旱、貧瘠、高溫等環境下植被的可再生性，以及較小的養護工作量和易成活性。加上湖泊河道這一特殊環境，需要食物的地面錨固能力較強，增強湖泊河道防護功能[17]。因此在選擇植被時，需要選擇具備以下特點的植被：

(1)匍匐莖或根莖較為發達，根系具備很強的擴展性，可以達到迅速對地面進行覆蓋的效果；分枝和匍匐莖韌性、彈性較強；易繁殖、生長勢強、恢復及再生能力較強；具備較長的生存年限且觀賞價值較高。

(2)抗逆性較強、適用性強大，能夠抗病蟲害、耐瘠薄、耐高溫、耐寒、耐旱，更雜草相比競爭力更強。

(3)株型較為低矮，分蘗或分枝較多，具備較大的草枝密度，葉片呈現細長、直立、繁茂狀態，是陽光能夠照到下層的草坪，避免下層葉片枯死或黃化。

(4)深根型植物不宜選擇，其根系容易對混凝土結構造成損壞，甚至可能造成決堤的惡果。

綜合上述要求，重點對當地草種進行馴化，并對一些成熟的優良品種進行選擇，將范圍定在牛毛草、多葉老芝麥、菖蒲、冰草、野麥草、大葉樟、白綠苔草、彎囊苔草、翦股穎、草地早熟禾、紫羊茅等。

2 實例研究

2.1 方法設計

對設計的基于生態型護坡結構的湖泊河道修筑防護技術進行實例研究。在不同地區的多個湖泊河道中開展該技術的實例研究。實驗地區的具體情況如表7所示。

表7 實驗地區的具體情況

對于幾個實驗地區，基于生態型護坡結構的湖泊河道修筑防護技術進行生態型護坡的構建。對該技術的抗沖刷性、施工難易度、材料透水性進行測試與記錄作為實驗數據。

2.2 結果分析

基于生態型護坡結構的湖泊河道修筑防護技術構建的生態型護坡具體如圖4所示。

圖4 構建的生態型護坡

2.2.1 施工難易度實驗結果

首先對基于生態型護坡結構的湖泊河道修筑防護技術的施工難易度進行測試。該技術的施工難易度測試結果具體如圖5所示。

圖5 施工難易度測試結果

根據圖5的施工難易度測試結果，基于生態型護坡結構的湖泊河道修筑防護技術的施工難度整體較低。

2.2.2 抗沖刷性實驗結果

接著對該技術的抗沖刷性進行測試，基于生態型護坡結構的湖泊河道修筑防護技術的抗沖刷性實驗數據具體如圖6所示。

根據圖6的抗沖刷性實驗數據可知，在各個實驗地區，基于生態型護坡結構的湖泊河道修筑防護技術的抗沖刷性都很強。

圖6 抗沖刷性實驗數據

2.2.3 材料透水性實驗結果

最后對基于生態型護坡結構的湖泊河道修筑防護技術的材料透水性進行測試。為增強測試結果的對比性，將現有的兩種湖泊河道修筑防護技術作為實驗中的對比技術進行測試結果的對比。這兩種技術分別為基于天然材料、基于加筋土護岸的湖泊河道修筑防護技術。記錄三種實驗技術在實驗地區的平均材料透水性實驗數據，具體如圖7所示。

圖7 平均材料透水性實驗數據

根據圖7的平均材料透水性實驗數據，在測試中，基于生態型護坡結構的湖泊河道修筑防護技術的平均材料透水性高于基于天然材料、基于加筋土護岸的湖泊河道修筑防護技術的平均材料透水性，具備良好的材料透水性能。

3 結語

在湖泊河道修筑防護技術的研究中應用生態型護坡結構，實現了較高的抗沖刷性、較低的施工難度以及較高的材料透水性，并在實驗中取得了良好的防護效果。