多孔植被混凝土在河道生態(tài)護(hù)坡施工中的應(yīng)用研究

趙鳳翔 ZHAO Feng-xiang

（蕪湖市灣沚區(qū)河道管理局，蕪湖 241100）

0 引言

傳統(tǒng)的工程護(hù)坡方法主要有這幾種模式：漿砌或干砌塊石護(hù)坡、現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡、預(yù)制混凝土塊體護(hù)坡以及模袋混凝土護(hù)坡等多種構(gòu)筑方式，如果遇到河水水位較高時(shí)還可采用塊石擋墻的護(hù)坡方法以增強(qiáng)保護(hù)效果。這些傳統(tǒng)的護(hù)坡方法主要著眼于河道的防洪排洪能力、抗沖刷性以及水土保持等關(guān)鍵因素，因此在保障邊坡穩(wěn)定、防洪排洪方面表現(xiàn)優(yōu)異，同時(shí)也展現(xiàn)出良好的整體性與統(tǒng)一性。然而，這些方法在設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中，往往未充分考慮到生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與恢復(fù)功能。

多孔植被混凝土是一種典型的生態(tài)友好型材料，可大幅減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)荷，同時(shí)還能促進(jìn)與自然生態(tài)系統(tǒng)的和諧共生，為人類(lèi)營(yíng)造舒適環(huán)境的生態(tài)混凝土。應(yīng)用于河道生態(tài)修復(fù)等項(xiàng)目中，不僅能達(dá)到傳統(tǒng)混凝土護(hù)岸的穩(wěn)定堅(jiān)固特性，更因其表面覆蓋的綠色植物，可有效改善河道周邊大氣環(huán)境質(zhì)量，并保持了綠色的自然景觀。此外，多孔混凝土的獨(dú)特結(jié)構(gòu)為微生物和小動(dòng)物提供了棲息地，豐富了生物多樣性，并間接凈化了河川、湖泊的水質(zhì)。這種材料實(shí)現(xiàn)了混凝土與自然環(huán)境的有機(jī)結(jié)合，突顯了其社會(huì)與生態(tài)效益，對(duì)人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 多孔植被混凝土護(hù)坡技術(shù)概述

1.1 多孔植被混凝土的構(gòu)成

多孔植被混凝土由主體結(jié)構(gòu)、植生基材和綠色植物三大元素構(gòu)成，如圖1。其中，主體結(jié)構(gòu)為無(wú)砂多孔混凝土，以粗集料、水泥和水拌制，形成輕質(zhì)、多孔且類(lèi)似“米花糖”的蜂窩結(jié)構(gòu)，厚度約100mm，孔隙率高達(dá)25%～33%，兼具透氣性與透水性。植生基材為混凝土表層的栽培介質(zhì)，由草炭土和普通土壤混合而成，為植物種子提供理想的生長(zhǎng)環(huán)境。孔隙內(nèi)的水分和養(yǎng)分有助于植物根系穿透并深入土壤，同時(shí)可添加緩釋性肥料以促進(jìn)植物長(zhǎng)期生長(zhǎng)。

圖1 多孔植被混凝土基本結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 多孔植被混凝土的特點(diǎn)

多孔植被混凝土相較于傳統(tǒng)護(hù)坡材料具有顯著優(yōu)勢(shì)：首先，其不僅具備普通混凝土的高強(qiáng)度，同時(shí)能種植多種植物，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)防護(hù)與邊坡綠化的雙重目標(biāo)，環(huán)境效益顯著。其次，整體性佳，植物根系與多孔混凝土的聯(lián)合作用可提升整體防護(hù)力2-3 倍。第三，其抗洗掘性強(qiáng)，小孔徑設(shè)計(jì)有效保持土壤，防止流失。第四，多孔植被混凝土繼承了普通混凝土的耐久性，適當(dāng)處理可大幅延長(zhǎng)使用壽命。

2 工程案例

2.1 工程概況

某市主城區(qū)中計(jì)劃新建一處山前河河道工程，該工程緊鄰主路沿線及西延工程道路北側(cè)，且位于該市流通河的西側(cè)。本次設(shè)計(jì)的河道采用自東向西的流向布局，總長(zhǎng)達(dá)到592m，寬度設(shè)計(jì)為15m。同時(shí)，位于開(kāi)發(fā)區(qū)中部的老河道生態(tài)修復(fù)工程也在進(jìn)行中，該工程沿城區(qū)河道延伸，全長(zhǎng)1.54 公里。

2.2 河道生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)

2.2.1護(hù)坡方案

①在混凝土預(yù)制塊石護(hù)坡方案的基礎(chǔ)上，用多孔植被混凝土預(yù)制塊全部替代普通混凝土預(yù)制塊，其它均按照堤防防護(hù)工程規(guī)程操作。常年平均水位以上部分，可采用稍大粒徑骨料組成的大空隙率的多孔植被混凝土，透水、透氣性好，強(qiáng)度要求稍低，5MPa 以上可滿足要求。常年平均水位以下部分，應(yīng)主要考慮提高水體自凈能力，可選用粒徑較小的骨料組成的大空隙率的多孔植被混凝土，要求抗壓強(qiáng)度在10MPa 以上，具有較強(qiáng)的吸附微生物和生長(zhǎng)水生植物的能力。坡度較緩時(shí)，在預(yù)制塊的上部表面覆一層有機(jī)土，厚度宜在20-30mm，水位線以下不覆土；坡度較陡時(shí)，可用草袋代替。播種后澆水養(yǎng)護(hù)。多孔植被混凝土構(gòu)件厚度與單塊幾何尺寸，可以按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-98）有關(guān)規(guī)定計(jì)算。由于草根的“錨固”作用，將會(huì)使上述計(jì)算結(jié)果更加趨于安全。②當(dāng)被保護(hù)坡體表層為粒徑較小的細(xì)砂，且反濾要求較高時(shí)，宜在多孔植被混凝土底部鋪設(shè)土工膜。對(duì)基礎(chǔ)好且不需要防滲的地段，可以不用土工膜。③除橋梁兩側(cè)必要長(zhǎng)度的普通混凝土護(hù)底外，河底不設(shè)混凝土或塊石護(hù)底，必要時(shí)可設(shè)多孔植被混凝土護(hù)底。護(hù)底用多孔植被混凝土塊與水位以下護(hù)坡用多孔植被混凝土要求基本相同，要求強(qiáng)度較高，耐沖刷，透水性好，具有較強(qiáng)的吸附微生物和生長(zhǎng)水生植物的能力。由于透水性和強(qiáng)度都要求較高，所以應(yīng)選擇中等粒徑的粗骨料和中等的空隙率。④常年平均水位以上護(hù)坡栽種城市綠化草本植物，水位以下栽種水生植物。坡頂栽種當(dāng)?shù)剡m宜的樹(shù)木。多孔植被混凝土生態(tài)護(hù)坡方案詳如圖2 所示。

圖2 多孔植被混凝土生態(tài)護(hù)坡方案

2.2.2擋墻方案

①用多孔植被混凝土擋墻全面替代塊石擋墻。擋墻高度較低時(shí)，可采用小粒徑的稍大空隙率多孔植被混凝土，此時(shí)強(qiáng)度稍低，而微生物的吸附能力、透水性和水生植被生長(zhǎng)能力較好；擋墻高度較大時(shí)，除設(shè)置構(gòu)造柱和聯(lián)系梁加強(qiáng)外，應(yīng)采用強(qiáng)度較高的多孔植被混凝土，可選用較小粒徑和較小空隙率的多孔混凝土，如采用C20 以上的多孔透水混凝土，此時(shí)擋墻的透水性、吸附微生物和生長(zhǎng)植物的能力受到一定的影響，但仍能保持河水與邊坡土壤之間的物質(zhì)—能量循環(huán)。②擋墻下部基礎(chǔ)可采用毛石基礎(chǔ)（加設(shè)基礎(chǔ)梁）或普通混凝土基礎(chǔ)。③多孔植被混凝土塊漿砌時(shí)，應(yīng)保持水平方向空隙連通，不應(yīng)堵塞。

多孔植被混凝土擋墻護(hù)坡方案詳如圖3 所示。

圖3 多孔植被混凝土擋墻護(hù)坡

2.3 多孔植被混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.3.1設(shè)計(jì)流程

多孔植被混凝土與傳統(tǒng)混凝土不同，它需兼具護(hù)坡強(qiáng)度和連通孔隙率以支持植被生長(zhǎng)。因此，制備滿足工程和綠化要求的多孔植被混凝土骨架，成為其工程應(yīng)用的關(guān)鍵。圖4 展示了多孔植被混凝土骨架的制備工藝流程。

圖4 多孔植被混凝土骨架制備工藝研究流程圖

2.3.2最佳配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

最佳配合比設(shè)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 每立方生態(tài)混凝土各組分含量（kg）（不摻加礦物摻和料時(shí)）

2.4 多孔植被混凝土的成型工藝及養(yǎng)護(hù)

2.4.1多孔植被混凝土攪拌過(guò)程

由于多孔植被混凝土不含細(xì)集料，且需形成宏觀連通空隙的多孔結(jié)構(gòu)，因此要求水泥漿體均勻包覆粗集料顆粒，骨料間通過(guò)水泥漿體在接觸點(diǎn)膠結(jié)為一體。攪拌過(guò)程中，接觸點(diǎn)的數(shù)量和接觸面積決定了多孔植被混凝土的強(qiáng)度，這與普通混凝土的攪拌過(guò)程存在顯著差異，其制備流程如圖5 所示。

圖5 多孔植被混凝土的攪拌加料方法

判斷多孔植被混凝土攪拌是否達(dá)標(biāo)可依據(jù)以下三點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)：首先，觀察水泥漿體是否均勻包裹在粗集料表面，集料應(yīng)展現(xiàn)金屬光澤；其次，確認(rèn)集料表面的水泥漿體無(wú)流淌現(xiàn)象；最后，通過(guò)手感檢驗(yàn)，新拌多孔混凝土應(yīng)能成團(tuán)且松手后不散，同時(shí)水泥漿體不堵塞空隙。

2.4.2多孔植被混凝土成型工藝

多孔植被混凝土的成型過(guò)程也是和普通混凝土有較大的差別的。普通混凝土的成型工藝一般分為振搗成型、壓力成型、振動(dòng)成型、離心成型等等。由于多孔植被混凝土采用的粗集料的粒徑比較大，因此如果直接采用壓力成型時(shí)，混凝土試塊會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。如果直接采用振動(dòng)成型，振動(dòng)時(shí)間難以控制。振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)出現(xiàn)泌漿現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生態(tài)混凝土的孔隙率。振動(dòng)時(shí)間短了則會(huì)出現(xiàn)多孔植被混凝土不密實(shí)的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響多孔植被混凝土的抗壓抗折強(qiáng)度。在此實(shí)驗(yàn)中，綜合了各個(gè)方法的利弊，選用了振搗成型和振動(dòng)成型相結(jié)合的方法，表面采用人工拍壓的方法。在成型試塊時(shí)，先在模具中裝入1/3 的漿料，振搗10～15 下；繼續(xù)裝入1/3 的漿料，同樣振搗10～15 下；最后將模具裝滿，繼續(xù)振搗10～15 下。在模具的表面人工拍壓，使表面盡量平整，然后在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)1～2 秒，接著對(duì)表面進(jìn)行小范圍修補(bǔ)使得表面平整。

2.4.3多孔植被混凝土養(yǎng)護(hù)工藝

混凝土的養(yǎng)護(hù)旨在為其創(chuàng)造良好的凝結(jié)硬化環(huán)境。隨著水化作用的持續(xù)，混凝土的液相減少、固相增加，可塑性逐漸喪失，從而強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)緊密度得以提升。現(xiàn)場(chǎng)施工中的多孔植被混凝土養(yǎng)護(hù)可采用塑料薄膜、草席等覆蓋方式，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和氣候變化調(diào)整養(yǎng)護(hù)方案。在惡劣天氣下，需保持混凝土表面濕潤(rùn)，采用細(xì)水散灑，避免直接水沖。同時(shí)，早期養(yǎng)護(hù)時(shí)要防止暴雨沖刷，以免破壞局部結(jié)構(gòu)。

2.5 護(hù)坡植被選用分析

多孔植被混凝土護(hù)坡技術(shù)融合了混凝土的整體性與植被的水土保持功能，旨在穩(wěn)定邊坡并美化環(huán)境。其護(hù)坡效果依賴于坡面植物的健康生長(zhǎng)，因此需要建立穩(wěn)定的植物群落以抵御自然災(zāi)害。選擇護(hù)坡植物時(shí)，需科學(xué)設(shè)計(jì)并考慮多種因素，如植物生態(tài)習(xí)性、當(dāng)?shù)貧夂颉⒐庹諚l件、使用目的及管理水平等，同時(shí)結(jié)合多孔植被混凝土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2.6 城市河道多孔植被混凝土護(hù)坡施工流程

以下以多孔植被混凝土預(yù)制塊為例說(shuō)明施工流程如圖6 所示。

圖6 城市河道生態(tài)多孔混凈土護(hù)坡施工流程

2.6.1施工準(zhǔn)備

多孔植被混凝土河道生態(tài)護(hù)坡施工應(yīng)在河道邊坡工程完畢后進(jìn)行。施工前需熟悉設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)程，核對(duì)現(xiàn)場(chǎng)與設(shè)計(jì)圖，檢查邊坡穩(wěn)定和地質(zhì)情況，并做好臨時(shí)工程施工準(zhǔn)備，包括場(chǎng)地布置、取土場(chǎng)選擇及防雨措施、水電供應(yīng)等。同時(shí)，需調(diào)研材料來(lái)源，確定混凝土類(lèi)型，并編制施工計(jì)劃書(shū)，涵蓋施工程序、用工、材料進(jìn)度、機(jī)械使用、技術(shù)及安全措施和預(yù)算等內(nèi)容。

2.6.2工程施工

①整理邊坡，清除雜石和有礙護(hù)坡植物生長(zhǎng)的有毒有害動(dòng)植物，盡可能平整坡面，坡面的不平整度一般不應(yīng)大于1cm。嚴(yán)禁出現(xiàn)反坡。②按照設(shè)計(jì)要求，科學(xué)施肥。施工時(shí)，可以采用一定比例的有機(jī)肥和腐殖土拌和。如果腐殖土不易獲得，也可采用當(dāng)?shù)厝劳痢Ｔ谑┓蕰r(shí)，進(jìn)一步使坡面平整。③根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蝾?lèi)型，必要時(shí)可以在基底撒一層保水劑。保水劑在水分豐裕時(shí)吸收水分，天氣干燥時(shí)為植物提供水分，一般采用粒度100 目的保水劑。④及早組織和落實(shí)多孔植被混凝土預(yù)制塊的生產(chǎn)。在強(qiáng)度達(dá)到要求后，將產(chǎn)品安全運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中注意對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)。⑤在邊坡符合要求和天氣條件適宜時(shí)，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)作業(yè)。鋪設(shè)時(shí)要擺放整齊，四周勾縫。具體可參照普通混凝土預(yù)制塊護(hù)坡施工規(guī)程。⑥在天氣條件較好時(shí)，將植物種子和有機(jī)肥拌和的客土混合后，播入多孔植被混凝土預(yù)制塊內(nèi)。播撒時(shí)，應(yīng)注意分布均勻，勿造成稀疏不均。⑦清理施工現(xiàn)場(chǎng)，將廢物垃圾以及不再需要的設(shè)備、機(jī)具，清理干凈。

2.7 應(yīng)用效果分析

①生態(tài)效果。多孔植被混凝土生態(tài)護(hù)坡通過(guò)融合水、河道與岸坡植被，構(gòu)建了一個(gè)完整的河道生態(tài)系統(tǒng)。其高孔隙率設(shè)計(jì)提供了生物多樣性的棲息地，支持水生動(dòng)植物和兩棲動(dòng)物的繁衍，對(duì)維護(hù)生物多樣性有積極影響。②自凈效益。該護(hù)坡通過(guò)水生植物和微生物的聯(lián)合作用，增強(qiáng)了水體的自凈能力，有效降解有機(jī)污染物，轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物，并通過(guò)食物鏈方式降低污染物濃度，從而改善河道水質(zhì)。③防洪效益。多孔植被混凝土生態(tài)護(hù)坡不僅具有抵御洪水的能力，還能通過(guò)植被調(diào)節(jié)水文狀況，儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)水量。其發(fā)達(dá)的根系增強(qiáng)了護(hù)岸的抗沖性能和穩(wěn)定性，根系的錨固作用提高了岸坡的防洪能力。④造價(jià)效益。工程應(yīng)用表明，多孔植被混凝土可以節(jié)約27%～38%的水泥用量，節(jié)省造價(jià)10%～30%，但其更大的價(jià)值在于環(huán)境保護(hù)效益。綠色混凝土可以節(jié)省能源并且減少污染排放，走可持續(xù)發(fā)展道路。不但可以推動(dòng)我國(guó)其他各行業(yè)的發(fā)展，并且還能緩解一些重要行業(yè)緊張的局面。

3 結(jié)束語(yǔ)

多孔植被混凝土技術(shù)廣泛應(yīng)用于高陡巖石邊坡治理、礦山生態(tài)修復(fù)等多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡的綠化效果顯著。該技術(shù)靈活且適用性強(qiáng)，可根據(jù)不同地域和氣候調(diào)整基材配方。實(shí)踐表明，此技術(shù)對(duì)于水土保持、水源涵養(yǎng)及邊坡生態(tài)環(huán)境恢復(fù)具有顯著效益，極具推廣價(jià)值。