植生混凝土護坡技術在黃河堤防中的應用

劉其鑫

（山東黃河河務局，山東 濟南 250011）

濟南天橋趙莊險工位于黃河左岸，上游為京滬高鐵大橋，下游為齊魯黃河大橋，趙莊險工48#壩基本位于兩橋的中間位置，壩長約180 m，是一段沒有砌石防護的土壩檔。48#壩下游200 m處的在建齊魯黃河大橋是濟南市“攜河北跨”戰略重要通道，也是實現濟南城市發展總體戰略的關鍵節點工程。濟南北跨戰略的啟動以及齊魯黃河大橋的建設，對黃河兩岸的工程風貌和環境美化、綠化提出了更高的要求，根據山東省政府及濟南市政府對黃河生態景觀帶的總體思路和規劃，在確保黃河防洪安全的基礎上，主要節點工程周邊的環境需要進一步改造和提升。

1 植生混凝土試驗

1.1 研究方法

研究采取室內試驗、現場試驗與檢測相結合的方式進行，通過室內外試驗和現場檢測的數據進行整理、統計和分析。室內試驗主要對護坡的結構形式、設計指標、性能參數等進行相關的試驗。現場試驗內容包括試驗區的整理、試驗護坡的設計和施工等。試驗段為趙莊險工48#壩。

1.2 試驗方案

試驗方案是將48#壩180 m長的邊坡分為兩個試驗段進行實施。

方案一：土質基層+格構梁+植生混凝土+生物基質植被層。該方案是在土質基層上進行植生混凝土護坡施工，試驗長度180 m左右。邊坡壓實整平后，在坡面澆筑混凝土格構梁，分格尺寸為2.5 m×2.5 m，格構梁尺寸為0.2 m×0.2 m，然后進行混凝土攤鋪施工，混凝土厚度為10 cm，混凝土達到一定強度后，將種植基混合生物材料平鋪在混凝土表面，厚度為10 cm。草種選用狗牙根草，無紡布（或草苫子）覆蓋養護。

方案二：土質基層+格構梁+生物基質植被層。該方案為對比方案，試驗長度20 m，位于試驗段的下游端是在土質邊坡上澆筑混凝土格構梁，但不設植生混凝土澆筑層，然后直接平鋪壤土及種植基混合層厚20 cm。

2 植生混凝土制備

2.1 配合比確定

植生混凝土是以膠凝材料包裹骨料的形式，依靠點與點的粘結成型的多孔大粒徑骨料結構，需滿足植株的生長所需空間，植物發芽生根通過混凝上內部連續貫通的孔隙達到底層上壤，孔隙率宜控制在21%~30%。

本項目采用普通硅酸鹽水泥制備植生混凝土。混凝土的水灰比控制為0.32，目標孔隙率為28%，粉煤灰按水泥的14%添加。植生混凝土配合比見表1。

表1 植生混凝土配合比

2.2 植生混凝土成型

攪拌過程中采用二次投料方法，首先將骨料倒入攪拌機中，加入1/3的拌合水攪拌30 s，然后加入水泥攪拌30 s，再加入外加劑和剩余拌合水攪拌5 min后卸料，試件成型150 mm×150 mm×150 mm試模采用壓搗成型。

植生混凝土拌合物分兩層裝入試模中，第一層的厚度約為試模高度的2/3，第二層約高出試模30 mm。每層壓搗次數按10 000 mm2截面積內均勻壓搗8次，其中4個角各一次，在平面內部壓搗次數力求等距離和均勻分布。壓搗完畢后用抹刀處理，使混凝土上表面基本與試模表面齊平。

試件成型后，覆膜置于混凝土室48 h后拆模，拆模后放入混凝土標準養護室中養護。制備完成的植生混凝土放置在標準養護室中進行養護，待制備成型的混凝土固結成型后即可脫模，脫模后的混凝土迅速轉移至標準養護室里養護，養護時間為28 d，標準養護室控制室內溫度20℃，相對濕度95%以上。

3 植生混凝土性能檢測

3.1 抗壓強度測定及分析

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行混凝土抗壓強度試驗，測定硅酸鹽水泥抗壓強度與骨料粒徑關系見表2和圖1。

圖1 骨料粒徑與抗壓強度

表2 植生混凝土28 d抗壓試驗結果

利用骨料粒徑為16~20.5 mm的碎石制備植生混凝土，28 d抗壓強度可達5.1 MPa；25~31.5 mm級配碎石制備的混凝土抗壓強度大幅下降，幅度在41.3%以上；16~31.5 mm級配碎石制備的混凝土抗壓強度有顯著回升。

3.2 抗凍耐久性測定及分析

1）骨料級配對混凝土抗凍性的影響。用粗骨料制備16～31.5 mm、16～24 mm、24～31.5 mm和20～27 mm級配的植生混凝土，測試其抗凍性能。混凝土配比中粉煤灰摻量按水泥的14%來添加，孔隙率為28%，水膠比為0.32。不同骨料級配下植生混凝土凍融循環后質量損失和強度損失如圖2所示。

圖2 骨料級配對抗凍性能的影響

由圖2可見，植生混凝土經過凍融循環后的強度損失和質量損失均比較大。經過25次凍融循環后強度損失達到30%以上，質量損失較小。不同的級配混凝土經25次凍融循環后的強度損失沒有規律性，質量損失16~31.5 mm級配的混凝土較高。經過50次凍融循環后，強度損失相比混凝土25次凍融循環后的強度損失沒有進一步增加，50次凍融循環后質量損失進一步增加，甚至倍增。

2）孔隙率對混凝土抗凍性的影響。制備不同孔隙率的植生混凝土抗凍性的影響，實驗所用配比見表3。

表3 孔隙率對植生混凝土抗凍性實驗配比

凍融循環實驗的質量損失和強度損失結果見圖3。

圖3 孔隙率對抗凍性的影響

由圖3可見，植生混凝土經凍融循環后強度損失率隨混凝土孔隙率增加而降低。當植生混凝土的孔隙率由20%增加至25%時，凍融循環造成的強度損失大幅下降。50次凍融循環后植生混凝土的強度損失與25次相比變化不大。植生混凝土植生混凝土經凍融循環后質量損失率隨混凝土孔隙率增加而增加。孔隙率較低時，混凝土經25次凍融循環后的質量損失率與50次相差不大。孔隙率為30%時，經過50次凍融循環后的質量損失率大幅增加。經檢測，所有試塊25次凍融循環均滿足抗凍耐久性指標要求。

4 植被生長性及堤坡沖刷檢測

狗牙根草具有良好的適應性、生長性及護坡效果，生長高度適中，耐干旱耐貧瘠，植被覆蓋度較高，對堤坡的防沖保護效果較好。

4.1 狗牙根草皮生長性監測

通過現場實驗區根系的采集與試驗處理得出，狗牙根具有根狀莖和匍匐枝，根系致密，須根細而堅韌。匍匐莖平鋪地面或埋入土中，光滑堅硬，節處向下生根，匍匐莖發達，約80%根系分布。

4.2 堤坡沖刷檢測

據現場查看和檢測，僅在部分臨近框格梁邊緣位置出現細小沖溝，中間位置未見明顯沖溝，位于坡底位置的第6行土壤侵蝕相對較重。從現場檢測情況來看，框格梁植生混凝土結合覆土和植草的護坡結構對保持堤坡穩定、防止水土流失發揮了較好的作用，固土護坡效果明顯。

5 結論

從2020年5月施工至2021年9月，通過持續16個月的養護、現場觀測、樣本檢測以及相關的室內試驗、現場檢測數據和現場效果來看，植生混凝土護坡在護坡能力、防沖刷及固土效果、工程外觀、日常維護以及經濟性、環境提升效果等各方面總體表現良好，達到了試驗目的和改善48#壩工程外觀的目標。

根據堤防的功能、類型、位置，建議混凝土厚度在10~15 cm；框格的大小、形狀可以根據堤坡坡度、基層土質和外觀要求適當選擇，建議不小于2.5 m×2.5 m；覆土厚度建議在10 cm左右。

在黃河下河段重點工程、樞紐工程、重要堤段、管理段以及黃河文化廣場附近或周邊的工程邊坡，均可采用植生混凝土植草護坡進行防護。