植生混凝土河道護(hù)坡截表層土反濾特性研究

于鵬飛

（凌源市應(yīng)急供水建設(shè)管理處，遼寧 朝陽 122500）

傳統(tǒng)河道護(hù)坡多采用漿砌石等硬化護(hù)坡，忽略了周邊環(huán)境的生態(tài)性，導(dǎo)致堤體周圍生態(tài)退化，水體的自凈能力減弱［1］。作為一種新型綠色建筑材料，植生混凝土將生態(tài)與混凝土兩者有機(jī)地結(jié)合起來，破除了傳統(tǒng)混凝土對生態(tài)環(huán)境的制約，在保持水土、提高邊坡穩(wěn)定、降低環(huán)境負(fù)荷、修復(fù)生態(tài)環(huán)境、保持生物多樣性、協(xié)調(diào)人與自然等方面［2］都發(fā)揮積極有效的作用。因此，將植生混凝土作為護(hù)坡材料逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。宋文杰［3］等研究發(fā)現(xiàn)植生混凝土能夠有效提高N、P的去除率，混凝土的孔隙構(gòu)造加強(qiáng)了植物的凈化水質(zhì)效果；林志光等［4］表明植生混凝土受水位驟降的影響較小，能夠連續(xù)并有效地凈化水體；鄭德戈等［5］對植生混凝土防護(hù)特性進(jìn)行研究，表明在堤防護(hù)砌工程中植生混凝土受水位驟降的影響較小。本文以高羊茅草籽為種植對象，選擇不同邊坡坡度、不同粒徑粗集料，對漿砌硬化護(hù)坡、植生混凝土表層覆土植草、植生混凝土表層覆土未植草、植生混凝土表層無覆土、普通土體模式的影響進(jìn)行了研究，針對植生混凝土截流表層土質(zhì)、反濾和吸附除雜性能進(jìn)行試驗(yàn)，通過控制變量和設(shè)置空白對照組的方法選擇護(hù)坡方式，并對植生混凝土護(hù)坡進(jìn)行了綜合評價(jià)，以期為植生混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 邊坡選擇

河道護(hù)坡是眾多護(hù)坡類型中的一種，河道邊坡坡度根據(jù)工程特點(diǎn)、土的工程性質(zhì)及挖填高度而定，模擬河道坡度分別為1∶1和1∶3。

1.2 降雨強(qiáng)度計(jì)算

考慮到降雨對生態(tài)護(hù)坡坡面的沖刷作用，對應(yīng)凌源市地區(qū)暴雨重現(xiàn)期P=5年，降雨強(qiáng)度如式（1）：

式中 F為匯水面積（m2）；Q為流量（L/s）。

1.3 邊坡模擬裝置

（1）長方體木箱設(shè)計(jì)尺寸600mm×400mm×120mm，木箱下方出口高度85mm，將木箱置于沖刷支撐架，并調(diào)節(jié)坡度1∶1至1∶3。

式中 q為暴雨強(qiáng)度（L/s·ha）；T為降雨歷時(shí)（s）；P為重現(xiàn)期（a）。

降雨裝置出水口雨水量計(jì)算如式（2）：

（2）選用低堿硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料，采用15～20，20～25，25～30mm的粗集料，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。

（3）將土壤敷設(shè)在模型板框內(nèi)底層，設(shè)置厚度50 mm。

（4）將保水劑、土壤、水、營養(yǎng)液均勻地填充到生態(tài)混凝土試件上，表面覆土栽種高羊茅植株并進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。

2 河道護(hù)坡截表層土反濾特性

2.1 植生混凝土截留表層土質(zhì)性能分析

對植草邊坡進(jìn)行60min的沖刷試驗(yàn)，結(jié)束后烘干并計(jì)算攔截的土質(zhì)量。試驗(yàn)裝置固定放置完畢后，將對照組和試驗(yàn)組的護(hù)坡模型置于試驗(yàn)裝置上，進(jìn)行植生混凝土截留表層土質(zhì)沖刷試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1，圖1。

表1 沖刷土體質(zhì)量

圖1 不同模擬邊坡的表層土質(zhì)沖刷量

由圖1可以看出：

（1）強(qiáng)降雨作用下兩種模擬邊坡覆土未植草組的土質(zhì)流失量分別為1.4652kg和1.1385kg，覆土植草組的土質(zhì)流失量分別為0.7623kg和0.5049kg，植物根系對土壤的攔截率分別高于覆土未植草組的47.97%和55.65%。

（2）在試驗(yàn)過程中，邊坡系數(shù)為1∶1的覆土植草組30min后出現(xiàn)明顯的塌落、滑坡現(xiàn)象；邊坡系數(shù)為1∶3的覆土植草組流失土質(zhì)量不斷增加，但未出現(xiàn)明顯的滑坡現(xiàn)象。植株根系使土壤連接成板塊，降雨水作用下，土壤整體分裂成多個(gè)板塊，出現(xiàn)分層滑坡的現(xiàn)象。

（3）敷設(shè)植生混凝土后，邊坡系數(shù)為1∶1的覆土未植草組比覆土未植草組的泥土損失減少了47.97%；覆土植草植組比覆土未植草組的泥土損失減少了89.19%；邊坡系數(shù)為1∶3的覆土未植草組比覆土未植草組的泥土損失減少了55.65%；覆土植草植組比覆土未植草組的泥土損失減少了92.17%。

（4）邊坡系數(shù)為1∶1時(shí)，強(qiáng)降雨作用下粒徑為15～20，20～25，25～30mm覆土未植草組的土質(zhì)沖刷量分別為0.1584，0.1881，0.2277kg，比覆土未植草組泥土損失分別減少了46.67%，44.12%，41.03%；邊坡系數(shù)為1∶3時(shí)，在強(qiáng)降雨作用下，粒徑為15～20，20～25，25～30mm覆土未植草組的土質(zhì)沖刷量分別為0.0891，0.1287，0.1683kg，比覆土未植草組泥土損失分別減少了55.01%，40.91%，37.04%。表明覆土植草組能夠明顯減少了雨水的沖刷作用，主要由于植株的根系固結(jié)土壤的能力較強(qiáng)，能夠有效增強(qiáng)表面土壤的抗沖刷能力。

2.2 植生混凝土反濾性能分析

為分析流水對植生混凝土底層土壤的影響規(guī)律，對混凝土的反濾性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)分組設(shè)計(jì)如表2。試驗(yàn)裝置固定放置完畢后，將對照組和試驗(yàn)組的護(hù)坡模型置于試驗(yàn)裝置上，進(jìn)行植生混凝土反濾性能試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2，圖2。

表2 底層土質(zhì)沖刷量

圖2 不同坡度護(hù)坡方案沖刷土質(zhì)量

由圖2可知：

（1）在強(qiáng)降雨強(qiáng)度條件下，隨混凝土骨料粒徑的增大，底部土壤流失率不斷上升；隨著邊坡系數(shù)的增大，混凝土底部的土壤流失量不斷減小。

（2）邊坡系數(shù)為1∶1的表層無覆土無植草邊坡60min內(nèi)的土壤流失質(zhì)量1.31kg，15～20，20～25，25～30mm植生混凝土組的底部土壤流失量分別為0.0792，0.1089，0.1584kg；植生混凝土對底部土壤的反濾攔截率達(dá)86.92%。

（3）邊坡系數(shù)為1∶3的表層無覆土無植草邊坡 60min內(nèi) 的 土 壤 流 失 質(zhì) 量0.897kg，15～20，20～25，25～30mm植生混凝土組的底部土壤流失量分別為0.0198，0.0693，0.1089kg；植生混凝土對底部土壤的反濾攔截率達(dá)96.82%。

（4）主要是由于植生混凝土表面呈凹凸不平，內(nèi)部為多孔構(gòu)造，能夠減少強(qiáng)降雨等惡劣天氣對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。實(shí)際工程中，流水湍急的岸側(cè)選用粒徑較小的粗集料，能夠有效減少流水對土質(zhì)邊坡的侵蝕作用，防止土質(zhì)邊坡管涌等土質(zhì)流失現(xiàn)象發(fā)生。

2.3 植生混凝土吸附除雜性能分析

將凌源市本地0.5～1mm粒徑的細(xì)河砂作為固體雜質(zhì)，試驗(yàn)組類設(shè)計(jì)如表3。裝置固定放置完畢后，將對照組和試驗(yàn)組的護(hù)坡模型置于試驗(yàn)裝置上，進(jìn)行植生混凝土吸附除雜試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3，圖3。

表3 沖刷細(xì)砂質(zhì)量

圖3 不同坡度護(hù)坡方案沖刷泥沙質(zhì)量

由圖3可知，在強(qiáng)降雨沖刷下，普通硬化混凝土護(hù)坡對固體顆粒的攔截作用微弱，邊坡系數(shù)為1∶1和1∶3時(shí)，固體顆粒的流失分別為0.9207kg和0.8712kg；邊坡系數(shù)為1∶1時(shí)，無覆土植草組和覆土植草組，固體顆粒的流失最高分別為0.2376kg和0.2673kg；邊坡系數(shù)為1∶3時(shí)，無覆土植草組和覆土植草組，固體顆粒的流失最高分別為0.2178kg和0.2079kg。

表明，植生混凝土護(hù)坡的模擬邊坡對固體雜質(zhì)的攔截率大幅提升，同時(shí)隨粗集料粒徑的增加，植生混凝土對固體的攔截能力不斷減弱，主要是由于植生混凝土以多孔混凝土為框架，降雨過程中，固體顆粒隨水流匯入到孔隙中，導(dǎo)致固體雜質(zhì)擴(kuò)散受阻。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，邊坡系數(shù)對固體攔截能力影響明顯高于骨料粒徑的影響；覆土植草和無覆土植草均能夠較好的攔截固體污染雜質(zhì)，其中無覆植草組和覆土植草組對固體雜質(zhì)攔截率高于普通硬化護(hù)坡。強(qiáng)降雨條件下植草對固體雜質(zhì)的攔截作用明顯提高，主要由于植株莖葉及根系對表層種植土質(zhì)和固體雜質(zhì)截留具有很好的攔截作用，同時(shí)植物能夠吸收有害物質(zhì)并將固體雜質(zhì)分解為各種無機(jī)物、有機(jī)物，為微生物和植物提供了營養(yǎng)環(huán)境，進(jìn)而減少了生物鏈內(nèi)有害污染物的傳播。

3 結(jié)語

采用模擬降雨實(shí)驗(yàn)，選用兩種護(hù)坡形式研究了植生混凝土截留表層土、反濾特性及吸附除雜能力，主要的得出以下結(jié)論：

（1）覆土植草組能夠明顯減少了雨水的沖刷作用，兩種模擬邊坡覆土未植草組的土質(zhì)流失量分別為1.4652kg和1.1385kg，覆土植草組的土質(zhì)流失量分別為0.7623kg和0.5049kg，植物根系對土壤的攔截率分別高于覆土未植草組的47.97%和55.65%。

（2）實(shí)際工程中，流水湍急的岸側(cè)選用粒徑較小的粗集料，能夠有效減少流水對土質(zhì)邊坡的侵蝕作用，防止土質(zhì)邊坡管涌等土質(zhì)流失現(xiàn)象發(fā)生。

（3）覆土植草和無覆土植草均能夠較好的攔截固體污染雜質(zhì)，其中無覆植草組和覆土植草組對固體雜質(zhì)攔截率高于普通硬化護(hù)坡，該研究能為植生混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。