河道護坡中植生混凝土作用機理研究

張濟寧

(法庫縣水利事務服務中心，遼寧 法庫 110400)

0 引 言

漿砌石等硬質護坡是傳統河道整治工程的主要方式，因未考慮周邊環境的生態環境致使河岸周圍生態退化，大大降低了河流自凈功能。植生混凝土作為綠色新型建筑材料，通過將混凝土與自然生態的有機結合，打破了生態環境受傳統混凝土的限制，對協調人與自然關系、保持生物多樣性、修復生態環境、減輕環境負荷、增強邊坡穩定性以及保持水土等方面具有重要作用[1-3]。因此，我國諸多學者深入探討了植生混凝土的護坡材料性能，如鄭德戈等研究了植生混凝土在堤防護砌工程中的防護作用，結果顯示水位驟降對植生混凝土的影響可忽略不計；林志光等認為植生混凝土可以持續有效地凈化水體；宋文杰等認為植生混凝土能夠維持較高的N、P去除率，其孔隙結構可以明顯增強植物的水體凈化功能。鑒于此，文章設計不同粒徑的粗集料和不同邊坡坡度，以岸坡種植高羊茅草籽為例，研究了普通土體、植生混凝土表層無覆土、覆土未種草、覆土種草和漿砌石硬化護坡模式，并試驗分析了植生混凝土除雜吸附、反濾和截留表層土質性能，通過合理設置空白對照組和控制變量確定護坡形式，并綜合評價植生混凝土護坡效果，旨在為河道護坡工程中植生混凝土的推廣應用提供一定參考。

1 試驗方案

1.1 邊坡設計

根據土的挖填高度、土壤性質和工程特點合理確定邊坡坡度，模擬試驗時設計兩種河道坡度，即1∶1和1∶3。

1.2 降雨強度計算

充分考慮植生坡面受降雨徑流的沖刷作用，確定沈陽市暴雨重現期P=5年，利用下式計算降雨強度，即：

(1)

式中：P為重現期，a；T為降雨歷時，s；q為暴雨強度，L/a·ha。一般地，采用公式(2)計算降雨裝置出水口雨水量Q，即：

Q=Fq/1000

(2)

式中：Q為降雨流量，L/s；Fq為匯水面積，m2。

1.3 模擬裝置

1)試驗裝置。設計木箱尺寸為150mm×500mm×700mm，在沖刷支撐架上安裝木箱，下方出口高度90mm，按設計坡度1∶1和1∶3進行調節。

2)原材料。膠凝材料采用硫鋁酸鹽低堿水泥，選用粒徑25～30mm、20～25mm、15～20mm的連續級配粗集料，將配制的植生混凝土標準養護28d。

3)植物布置。在模型板框底層敷設土壤，控制敷設厚度50mm。在生態混凝土試件上均勻地填充營養液、保水劑、水和土壤，栽種高羊茅植株，按要求完成降雨沖刷模擬試驗。

2 植生混凝土作用機理

2.1 除雜吸附性能

試驗用固體雜質為沈陽市本地的細河砂，粒徑0.5～1.0mm。固定放置試驗裝置后，安裝試驗組和對照組的護坡模型并開展除雜吸附試驗，結果見表1、圖1。

表1 植生混凝土細砂沖刷量

圖1 細砂沖刷質量

1)模擬強降雨情況下，混凝土硬化護坡攔截細砂的作用較弱，坡度為1∶1和1∶3時硬化護坡的細砂流失質量為0.9105kg、0.8615kg；坡度1∶1時無覆土植草組和覆土植草組的細砂流失量最高為0.2581kg、0.2285kg，坡度1∶3時無覆土植草組和覆土植草組的細砂流失量最高為0.2177kg、0.1976kg。

2)模擬植生混凝土護坡能夠大幅提升固體雜質的攔截率，但攔截能力隨粗集料粒徑的增大逐漸減員，究其原因是降雨過程中，隨水流匯入植生混凝土內部孔隙的固體顆粒，阻礙了固體雜質的進一步擴散。試驗表明，骨料粒徑對固體攔截能力的影響明顯低于邊坡系數；對于固體污染雜質無覆土植草和覆土植草組均表現出較好的攔截作用，其中普通硬化護坡對固體雜質的攔截率低于覆土植草組和無覆土植草組。模擬強降雨情況下，植草可以明顯提高對固體雜質的攔截效率，這是因為植株根系及莖葉能夠較好地攔截表層固體雜質種植土質，并且植物可以將固體雜質分解成有機物、無機物并有效吸收有害物質，為植物、微生物創造了有利條件，并進一步降低了有害污染物在生物鏈內的傳播。

2.2 反濾性能分析

為進一步揭示植生混凝土底層土壤受流水的影響規律，通過試驗分組設計研究了混凝土的反濾性能。固定放置試驗裝置后，安裝試驗組和對照組的護坡模型并開展反濾性能試驗，結果見表2、圖2。

表2 植生混凝土底層土壤沖刷量

圖2 底層土體沖刷質量

1)模擬強降雨情況下，植生混凝土底部土壤流失率隨著骨料粒徑的增加逐漸增大，隨邊坡系數的增加而逐漸減小。

2)降雨沖刷60min后，坡度1∶1壓實土組的底部土壤流失量達到1.296kg，粒徑15～20mm、20～25mm、25～30mm植生混凝土(無覆土無植草)的底部土壤流失量依次為0.0921kg、0.1172kg、0.1685kg，反濾攔截率達到92.89%、90.96%、87.00%；坡度1∶3時壓實土組的底部土壤流失量達到0.9820kg，粒徑15～20mm、20～25mm、25～30mm植生混凝土(無覆土無植草)的底部土壤流失量依次為0.0386kg、0.0795kg、0.1185kg，反濾攔截率達到96.07%、91.90%、87.93%。

3)由于植生混凝土內部為多孔結構，加之表面凸凹不平作用，可以有效降低混凝土結構受降雨徑流的沖刷破壞。河道整治工程中，將粒徑較小的粗集料布設于流水湍急的岸側，可以有效控制土質流失、邊坡管涌等現象，大大降低土質邊坡受流水的侵蝕程度。

2.3 截留表9層土質特性

設定模擬降雨沖刷時間60min，待植草邊坡沖刷結束后進行烘干，稱量計算攔截的土體質量。固定放置試驗裝置后，安裝試驗組和對照組的護坡模型，植生混凝土截留表層土質的沖刷試驗結果見表3和圖3。

表3 試驗裝置與土體沖刷質量

圖3 表層土體沖刷質量

1)模擬強降雨情況下，坡度1∶1和1∶3時覆土未植草組的土壤流失量為1.4856kg、1.1586kg，坡度1∶1和1∶3時覆土植草組的土壤流失量為0.7721kg、0.5142kg，較覆土未植草組而言植物根系的土壤攔截率分別提高了48.03%、55.62%。

2)降雨沖刷30min后，坡度1∶1覆土植草組發生滑坡、塌落現象，而坡度1∶3覆土植草組未發生明顯滑坡現象，但土壤流失量不斷增加。究其原因，植株根系連接土壤形成整體板塊，受強降雨作用時土壤分裂成多個板塊，從而引起滑坡現象。

3)模擬強降雨條件下，坡度1∶1時粒徑15～20mm、20～25mm、25～30mm的覆土未植草組土壤沖刷質量為0.2980kg、0.3375kg、0.3865kg，覆土植草組土壤沖刷質量為0.1625kg、0.1886kg、0.2270kg，減少幅度達到45.47%、44.12%、41.27%；坡度1∶3時粒徑15～20mm、20～25mm、25～30mm的覆土未植草組土壤沖刷質量為0.2015kg、0.2274kg、0.2761kg，覆土植草組土壤沖刷質量為0.0904kg、0.1386kg、0.1725kg，減少幅度達到55.14%、39.05%、37.52%。究其原因，覆土植草可以有效降低雨水沖刷破壞，植株根系的土壤固結能力可以明顯增強坡面土壤抗沖刷能力。

3 結 論

文章通過模擬降雨試驗研究了植生混凝土的除雜吸附能力、反濾性能及截留表土特性，主要結論如下：

1)河道整治工程中，將粒徑較小的粗集料布設于流水湍急的岸側，可以有效控制土質流失、邊坡管涌等現象，大大降低土質邊坡受流水的侵蝕程度。骨料粒徑對固體攔截能力的影響明顯低于邊坡系數，對于固體污染雜質無覆土植草和覆土植草組均表現出較好的攔截作用，其中普通硬化護坡對固體雜質的攔截率低于覆土植草組和無覆土植草組。

2)坡度1∶1和1∶3時，覆土未植草組的土壤流失量為1.4856kg、1.1586kg，覆土植草組的土壤流失量為0.7721kg、0.5142kg，較覆土未植草組而言土壤攔截率分別提高了48.03%、55.62%。