生態混凝土在巖溶地區高速公路水環境治理中的應用分析

曹祿來， 周 焱

(中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

巖溶地區屬于水生態環境脆弱的地區，其自然生態環境是一個整體性的開放系統，常與地下溶洞、溝河及管道系統相聯通，地表水極易快速滲入地下水系，形成豐富的地下水資源，并以暗河和地下湖為主要賦存形式，成為沿線居民生活和農業灌溉的主要水源。在公路運營期間，許多污染物如汽車尾氣排放、輪胎和路面磨損、燃油泄露、空氣中塵埃沉降等累積大量的懸浮顆粒、營養鹽、重金屬和多環芳烴(PAHs)等呈可溶的或不可溶的懸浮固體顆粒，通過地表直接滲入地下水，對其局部的破壞和污染都將導致整個生態環境質量的下降[1，2]。因此，在巖溶地區地下暗河入口等水生態環境脆弱的特殊區域，必須對路面徑流污染水環境加強防治[3]。

當前國內高速公路對路面徑流采用傳統路肩溝，用于攔截路面徑流，避免直接沖刷路基邊坡，但現在常用的硬化路肩溝沒有植物過濾，污水直接流向邊溝。服務區污水處理以沉淀池為主，沉淀池普遍存在容積小、雨水徑流污染控制能力弱、污水處理效率低等不足[4，5]。為了有效地解決傳統沉淀池的缺點，在生態溝渠和人工濕地底部鋪設生態混凝土。結合人工濕地處理的生態混凝土技術具有投資少、效果好、運轉費用低、生態環保的優點[6-8]。

1 生態混凝土特性分析

1.1 生態混凝土的技術組成

生態綠化混凝土按照使用功能分：

(1) 透水混凝土，不考慮植生，僅考慮滲水、透水、排水；

(2) 綠化混凝土，可以植生，有效地將混凝土和綠色植物結合起來

生態混凝土鋪裝層是由：集料+水泥+透水混凝土增強劑+水等，經過特殊工藝拌制、澆筑、攤鋪而成的結構層。

1.2 生態混凝土的配合比

生態混凝土的原材料如下：

瀝青：無特殊要求，滿足當地氣候、交通條件以及公路等級的道路石油瀝青或改性瀝青。

水泥：選用符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)質量要求的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，強度等級不低于42.5級。

集料：含泥量<1.0%，壓碎值、含泥量均<15%，質地堅硬、耐久、潔凈、密實的碎石，粒徑分別為2.4～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm，性能指標應符合現行國家標準《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)中的二級要求。

增強劑：采用國外先進合成工藝和核殼結構設計而成，參與水泥水化反應形成高分子聚合物水泥水化體，可大幅提高混凝土的抗壓強度和耐久性。

表1 生態混凝土配合比

1.3 生態混凝土特性分析

生態混凝土鋪裝主要有以下五大特性：

1.3.1 防洪防澇——“滲”

透水混凝土由特定級配的集料、膠結材料等經過特殊工藝拌制而成，集料骨架間形成了大量連通孔隙，從而形成了滲透“通道”，孔隙率可達15%～30%，能有效緩解城市排水系統的泄洪壓力。

1.3.2 緩解熱島效應——“滯”

透水鋪裝內部及下墊層中滯留的水體通過太陽輻射的蒸發作用，使地面和近地表空氣溫度降低，減輕夏季地面的烘烤感，改善夏季城市炎熱環境。

1.3.3 補充地下水——“蓄”

透水鋪裝可以積蓄降落在路面上的雨水，還可以收集周邊廣場、建筑屋頂等匯集的雨水補充地下水，保持土壤濕度。

1.3.4 凈化水質——“凈”

透水鋪裝采用活性材料制成透水鋪裝的生態膜片，可作為微生物生長的載體，形成大量絲狀細菌、硝化菌，能有效去除污水中有機物，同時還可以吸收SOx和NOx等有害氣體。

1.3.5 雨水再利用——“用”

透水鋪裝雨水收集技術通過透水路面與蓄水池和管網系統結合，將降落的雨水收集起來，可用于綠地澆灌、洗車、道路噴灑等。

2 生態混凝土在高速公路中的應用

2.1 生態混凝土在高速公路培路肩中的應用

在以往的高速公路設計中，路堤培路肩上部多為直接填土，如圖1所示。培路肩會逐漸長出淺層植被，這些植物能起到部分截留和過濾的作用。經過一段時間運營后，植被逐漸成長，培路肩上也會有堆積物和雜質殘留，最終導致培路肩高于路面，形成了一個天然“止水帶”，反而造成路面積水。

圖1 土路肩填土示意圖

因此，目前越來越多的高速公路培路肩已經不再采用傳統的填土形式，而是用混凝土硬化，如圖2所示，這樣可以確保路面水的流出，但因為沒有植物的過濾，污水將全部流向路堤邊溝。

圖2 土路肩硬化示意圖

植生混凝土用來替代土路肩硬化的預制素混凝土，如圖3所示，因為植生混凝土的孔隙較大，透水系數達到2 mm/s，其蓄水和孔隙大的特性，會利于草籽在其中生根，繼而慢慢生長，這些植物則會對流經土路肩的污水起到一定的攔截和過濾作用。植物根系會沿著透水混凝土的孔隙一直向下生長，不會出露于土路肩的表面。透水鋪裝中的生態膜片本身也具有凈化水質的作用。待雜質堆積或堵塞孔隙時，只需通過高壓水洗的方式就能解決，維護起來比直接填土的培路肩方便很多，也更利于路面排水。且在維護過程中被破壞的植被，由于根系仍在透水混凝土孔隙中，過段時間仍會自動生長。

圖3 土路肩鋪裝植生混凝土示意圖

綜上可知，在土路肩上面鋪裝植生混凝土，既能起到原土質路肩植草的生態過濾作用，又具有原硬化土路肩的排水功能，從而達到對路面徑流的污水進行第一次攔截和過濾的目的。

11月16日，科技部組織專家對貴州省2015年承擔的“喀斯特山區中藥資源可持續利用關鍵技術”國家科技支撐計劃項目進行驗收。

2.2 生態混凝土在高速公路引水溝中的應用

在以往的高速公路中引水溝一般多采用漿砌片石梯形溝的形式，路面徑流污水流經土路肩、填方邊坡，再經過路堤邊溝匯入引水溝中，傳統的漿砌片石引水溝能有效防止水流沖刷，但是對于污水沒有起到截留和過濾的作用。

因此，引水溝底部采用透水混凝土，并撒播草籽，可兼具防止水流沖刷和生物過濾的作用。采用植生混凝土來做生態引水溝的優點有：

(1) 植生混凝土孔隙大，兼具透水和蓄水功能，有利于生態植物的生長；

(2) 植生混凝土采用專用增強劑，不僅可以在保證高孔隙的前提下提高混凝土黏結強度，還可以有效抑堿，利于植物生長；

(3) 植生混凝土易于維護，一旦堵塞或堆積雜質，只需高壓水洗方式即可解決；

(4) 透水鋪裝的生態膜片本身可以作為微生物生長的載體，能有效去除污水中的有機物、吸收有害物質，進一步凈化路面徑流污水。

2.3 生態混凝土在人工濕地中的應用

人工濕地凈化污水主要是通過人工基質、水生植物和微生物共同完成的，其中最關鍵的是保證水生植物的良好生長。

傳統的沉淀池沒有一個好的水生植物和微生物生存的載體，而在人工濕地底部采用透水混凝土鋪裝，其生態膜片能夠充當人工基質為微生物的生長提供穩定的依附表面。透水混凝土孔隙大，可以蓄水和泥沙，能為水生植物提供載體和營養物質，這樣水生植物和微生物則能夠吸收利用污水中的營養物質以及吸附、附集一些有毒有害物質，并降解污水中有機污染物。

人工濕地中堆積的污染物可以通過直接鏟除或者植物收割最終從系統中去除。透水混凝土表面的植物收割之后，根系仍在孔隙中，日后可以繼續生長，此污水處理系統可以長期循環使用，只要選擇適合的水生植物，生態混凝土能提供良好的生長環境，在實現污水處理的同時還能起到較好的環境效應。

3 溆懷高速公路污水處理池案例分析

3.1 工程概況

湖南省溆浦至懷化高速公路地處湖南省中部向西部的過渡地帶，雪峰山脈的北東向延伸區，呈東西向縱貫懷化地區北部。路線東起溆浦縣北部，與新化至溆浦高速公路順接，西至懷化市北部鶴城區黃金坳鄉楓木坪，與包茂國家高速吉首至懷化段相接。溆懷高速公路是巖溶特別發育地區，地貌類型為丘陵間構造盆地、巖溶洼地、沅水溆水地帶發育二級階地為主，也是典型的丘陵巖溶區。

選取溆懷高速K121+100處附左側作為污水處理池工程試驗場地，該段主要為溶蝕剝蝕低山丘地貌，地形起伏較大，地質構造較復雜，含中等-豐富的裂隙巖溶水，巖溶非常發育，可見巖溶下降泉，附近分布有大型地下暗河。

3.2 污水處理流程設計

在沉淀處理前，設置植草渠道來引入路面徑流，預先對污染物進行截流、凈化處理；在沉淀處理后，可設置植草渠道將路面徑流排入周圍水體，或再接入滲濾系統或人工濕地處理后排入周圍水體，路面徑流污水處理流程如圖4所示。

圖4 路面徑流污水處理流程

3.3 主要設計參數

整個凈化系統效果除受原水水質的影響外，還與水平流速、沉淀時間、顆粒的沉降速度、進出口布置形式及排泥效果等因素有關。

3.3.1 污水停留時間

對于給定表面積的沉淀池，停留時間取決于沉淀池的深度。延長污水的停留時間，其投資增加不多，但處理效果卻大幅提高。為適應水池沉淀、除油的功能，設計污水停留時間宜為2.5～3 h。

3.3.2 設計水平流速

為避免沖刷和淤積，平流式沉淀池水平流速宜控制在0.3 m/s左右。

3.3.3 表面水力負荷

表面水力負荷以通過沉淀池每小時、每平方米的水量來表示。設計表面水力負荷采用0.5～1.5 m3/(m2·h)。

3.3.4 沉淀有效水深

水池的總高度為沉淀有效水深與調節水深之和，沉淀有效水深選擇大值時會加大整個水池的深度，造成結構設計及施工上的困難，導致投資增加；若水深過淺，會因水流引起污泥擾動。基于上述觀點，沉淀有效水深采用0.8 m。

3.3.5 沉淀池幾何尺寸

沉淀池一般有長方形和圓形兩種結構形式，可充分利用公路沿線的原始低洼地塊、施工時的取土坑或濕地改建。沉淀池的幾何尺寸應根據降雨量和匯水面積，保證初期重污染徑流的收集與儲存，而中后期污染較輕的溢流水可由分流系統導走。根據以往的工程經驗，長方形沉淀池的長寬比一般不小于4，長深比宜為8～12，池子的超高不宜小于0.3 m。圓形沉淀池的直徑一般在10～40 m。

3.4 沉淀池優化設計

3.4.1 引水和排水溝渠采用生態混凝土

植草皮的明溝渠兼具防止水流沖刷和生物過濾的作用，能夠對路面徑流污水進行截留和過濾處理，同時能夠綠化美化公路環境。因此，在設置路面徑流污水處理系統時，引水和排水溝渠采用植草皮的生態邊溝，生態邊溝采用透水混凝土抹面，并播撒草籽。

生態邊溝的斷面形式采用梯形或三角形，邊坡坡度為1∶(1～1.5)，溝的底寬和深度不宜小于0.4 m，透水混凝土抹面+培土植被厚度不小于20 cm，如圖5所示。

圖5 生態引水溝示意圖

3.4.2 進水口處增設石墩和格柵

路面徑流污水經過引水溝渠(植草生態土溝)進入沉淀池時，水流紊動可能比較劇烈，流場分布不均勻，為改善入池水流條件。對傳統平流式沉淀池的入口進行改進，在進水口加設石墩，石墩對具有較大動能和紊動強度的水流產生攔截作用，迫使其徑流污水向兩側橫向擴散，減緩其運動趨勢，降低其動能和紊動強度，從而對水流流場進行調節，使調節后的流場分布更利于徑流中懸浮物的沉降。同時，在石墩之間增設粗格柵，用于攔截徑流污水中的漂浮物體。

石墩的尺寸和間距應保證流經石墩的流量不發生明顯變化，石墩的迎水面寬度在0.2 m左右，石墩間距在0.4 m左右，粗格柵的孔徑為2 cm。石墩對水流調節平面示意如圖6所示，粗格柵設置如圖7所示。

圖6 石墩對水流調節作用示意

圖7 粗格柵設置

3.4.3 出水口處增設溢流槽

在沉淀池末端設有溢流堰，初期雨水上清液經溢流堰排入水體。傳統沉淀池溢流堰長度有限，往往因負荷率過高而使出水挾帶較多細小絮粒。本設計采用增設溢流槽的方式，并將溢流槽延長至沉淀區后部，從而進一步增加了溢流堰的長度。這一措施有兩個優點：①溢流槽增加了溢流堰的長度，降低了堰負荷率，從而更易取得表層清水。②由于指形槽在一定的沉淀距離后即開始集水，此時一方面取得了池面已澄清的水，另一方面池內水體水平流速降低，相應延長了部分水體的停留時間。加設溢流槽后溢流堰出池水流示意如圖8所示。

圖8 溢流槽設置

3.5 沉淀池結構形式

路面徑流沉淀池由進水段、沖洗集泥槽、沉淀室段、溢流堰、儲水池等組成，如圖9所示。

(1) 沉淀池進水口處增設石墩和粗格柵，石墩截面為20 cm×20 cm，高為100 cm，間距為30 cm，距離沉淀池入口1.0～2.0 m，用于減緩進水運動趨勢，降低進水動能和紊動強度；同時，在石墩上安裝粗格柵，粗格柵網格間距為2 cm，用于攔截徑流污水中體積較大的漂浮物體。

(2) 設置集泥斗，矩形池或圓形池的池底都坡向集泥斗，矩形池的池底坡度通常取1%～2%，圓形池的池低坡度通常取4%～10%，以便于沉積的污泥向集泥斗滑動。對于沉積在沉淀池其他部位的污染物，可經沖洗進入集泥斗，便于集中由清理車抽吸或人工外運。

(3) 沉淀池出水口處增設溢流槽，溢流槽增加了溢流堰的長度，降低了溢流堰的負荷率，有利于取得更多的表層清水，提高平流式沉淀池的沉淀質量。

(4) 在集泥斗和溢流堰上設置閘門。在沉淀池正常工作時，兩個閘門均處于常閉狀態；在雨停后，當需要對池底沖洗時，首先開啟集泥斗上閘門，放空沉淀室內的水，然后快速啟動溢流堰上的閘門，使集水池內的水迅速沖入沖洗廊道，對池底的沉淀物進行沖洗。必要時可輔助人工清洗。

4 結束語

本文探討了生態混凝土在高速公路水環境治理中的應用，改進了生態混凝土的配合比，將其應用于高速公路培路肩、引水溝和沉淀池中。生態混凝土在路面徑流污水處理系統中可以應用在土路肩頂部(透水混凝土)、引水溝溝底和人工濕地的底部(植生混凝土)，三處同時作用，逐級凈化，能夠使得路面徑流污水處理取得更為顯著的效果。

以溆懷高速巖溶發育路段作為案例，為保護巖溶水環境，在水環境敏感區設計了徑流收集系統和沉淀池，通過對傳統沉淀池結構的優化，更好地實現了高速公路污水凈化、雨水的調蓄暫存及沉淀處理，達到預防并減少公路初期雨水對水環境污染的目的。