生态袋掺粉煤灰土在中小河道坡岸的应用研究★

李 伟

(重庆三峡学院，重庆 404100)

随着我国经济的快速发展和国民生活质量的提高，人们的环保意识逐渐提高。在土木工程领域，人们开始强调生态和环境保护。中小河道主要有着防洪抗灾、饮用水源、农业灌溉、人文景观和生态平衡等多种功能。现有的护坡大多都采用浆砌块石、重力式挡墙和钢筋混凝土挡墙，这类硬质岸坡一方面容易由年温差引起混凝土的开裂，另一方面隔断水岸的物质和能量交换，从而阻碍了坡岸植被的生长，大大降低了河道的自净能力。生态袋护坡技术作为生态恢复技术的一种，不仅可以稳固坡岸、净化水质，还能够与周边人文、自然生态环境相互融合，形成河岸坡岸中一道靓丽的风景线[2]。因此，生态袋应用于中小河道坡岸整治十分适合。

粉煤灰是从煤炭燃烧过程烟气中捕获到的粉尘颗粒物，目前，粉煤灰大多利用于建筑材料、筑路及回填、农业等方面。然而，每年仍有1亿t以上粉煤灰因为不能及时利用，给环境带来一系列问题[3]。目前，生态袋的研究和应用有很多，但其填充材料主要为碎石、砂、水泥土和建渣等[4-6]，对生态袋进行粉煤灰固废处理的研究鲜见，粉煤灰的危害主要体现在四个方面：土壤污染、水体污染、大气污染、人体健康[7]。颗粒粒径一般分布在直径介于0.01 μm～100.00 μm[8]，作为填充物若不能“锁”在生态袋内，将会造成二次污染，生态袋的不均匀沉降与填充物的流失是导致河道坡岸崩塌的两个主要原因，植被的复绿也是恢复河道生态系统的关键。因此，根据粉煤灰土在不同配比下进行了冲刷试验、沉降试验和狗牙根发芽试验，分析粉煤灰土用于生态袋河道坡岸的可行性，为河道坡岸设计与应用提供科学依据。

1 材料的选取

所用土取自万州区某工地废土，粉煤灰取自于重庆神华万州电厂，实验所用材料的物理性质指标见表1。

表1 粉煤灰与土的基本物理性质指标

其级配曲线如图1所示，其化学组成成分(质量分数)结果如表2所示。试验采用的生态袋长40 cm，宽25 cm，纵向断裂强度为6.04 kN/m,横向断裂强度5.94 kN/m，CBR顶破强力为1.62 kN，等效孔径为0.15 mm。

表2 粉煤灰化学组成成分 %

2 冲刷试验

水流冲刷是造成河岸崩塌的主要原因之一，虽然生态袋有一定的保土滤水功能，但生态袋长期在水流作用下，袋内的填充物会有流失，当流失超过一定限度时，会造成河岸的崩塌，而粉煤灰以硅、铝、铁、钙的氧化物为主，具有较高的活性和吸附特性，随着粉煤灰水化反应的深入，在碱性环境下，组成黏土矿物生成更大粒径的硅酸盐和铝酸盐结晶体，在一定程度上阻止袋内填充物的进一步流失。

分别配置四种粉煤灰含量(质量分数)为0%，5%，10%，15%，20%的粉煤灰土，将填充不同配比的粉煤灰土放置于搅拌机搅拌均匀后用手提缝纫机装袋封口，填充度为80%，码放三层放置于长1.4 m、宽0.4 m、高0.4 m的水槽中，水槽一端开孔连接水龙头，另一端安装水阀控制水流速度，如图2所示。本实验水流速度为0.3 m/s，试验前，将生态袋浸水1 d使其完全饱和，然后称出其冲刷前质量，冲刷后称重得到其损失量。冲刷时间为1 h，3 h，10 h，24 h，48 h，96 h。

试验表明：如图3所示，上层生态袋由于与水的接触面积最大，整体受到水流的拖拽力较大，损失率最大。如图4所示，生态袋随冲刷时间呈现的总体趋势为：10 h前开始迅速增加，10 h～24 h缓慢呈线性增长，随着颗粒互相交错咬合，形成拱桥效应，48 h～96 h损失率趋于稳定。素土的损失率最大，4 d后达到2.6%，粉煤灰含量(质量分数)为10%损失率最小,仅为0.92%。

3 沉降固结试验

未预压的生态袋中明显出现沉降过大，在实际施工过程尤其是不均匀沉降将会严重威胁河道堤防的安全。为了预测不同预压荷载对施工过程中生态袋的沉降变形，对粉煤灰含量为10%的三层生态袋进行了垂直荷载作用下的沉降固结试验，如图5所示。

试验前，将预压后的生态袋放置于固结装置，整个装置放置于水槽中，实验过程中，水位淹没生态袋，钢板和铁桶总质量150 kg，作为第一级荷载；待生态袋沉降稳定后，向铁桶内加水150 kg作为二级荷载，以此步骤完成四级加载，试验方案如表3所示。

表3 固结试验荷载施加过程

图6为生态袋在不同预压程度后的沉降图，每次加载瞬间沉降都会有突变。随着荷载的增加，沉降变化与瞬变值都逐渐减小。预压荷载越大，总沉降天数与沉降值越小。

当生态袋受到荷载时，生态袋会产生张力。荷载越大，生态袋产生的张力越大，生态袋等效孔径也随之变大，这显然不利于生态袋的保土性能，因此，试验分别设置三组预压荷载0 MPa，0.5 MPa，1 MPa。粉煤灰占比同样为10%，完成预压后进行试验冲刷试验。

如图7所示，生态袋在预压0.1 MPa时，经历4 d冲刷，损失率高达3.51%,甚至还有上涨的趋势，预压0 MPa与0.5 MPa的，最终损失率分别为1.3%和1.5%，相差不多，其损失率趋于平稳。

4 植被复绿试验

生态袋在河道坡岸的应用不仅可以美观环境，而且植被根系的加筋、锚固作用使得坡岸更加稳定。狗牙根具有节节生根的生物学特性和耐淹、抗旱、耐贫瘠等生态学特性。其根系发达，能够穿透生态袋，汲取袋内的土壤养分和水分；在生态袋上种植成活后，便可迅速蔓延，将生态袋全部覆盖[9]。因此，以狗牙根为生态袋上的种植植物，将生态袋技术应用于河道坡岸治理具有一定的可行性。

为了探究不同配比粉煤灰对狗牙草的影响，将不同配比的粉煤灰、狗牙根草种与土搅拌均匀，其中草种含量为20 g/袋，生态袋填充度为80%，将混合料装袋后采用手提缝纫机封口后露天放置，浇水养护，待15 d后，狗牙根发芽情况如图8(a)所示。粉煤灰含量从左到右依次递增。采用样地法在生态袋圈出一个10 cm×15 cm的样方，取样是选择具有代表性的地方。其统计结果如图8(b)所示。

试验表明：粉煤灰的掺入在一定程度上抑制了狗牙根的发芽率，未掺粉煤灰的植被发育最优，10%粉煤灰掺量次之，平均每10 cm×15 cm的样方有15株出芽。

随着粉煤灰配比的继续增加，狗牙根的发育程度继续降低，当含量(质量分数)达到20%时，平均每10 cm×15 cm的样方仅有4株出芽。

5 结论

1)粉煤灰具有较高的活性和吸附特性，水化后与黏土矿物生成更大粒径的硅酸盐和铝酸盐结晶体，在一定程度上阻止袋内填充物的进一步流失，因此粉煤灰土配比在一定范围内能减少水流冲刷对生态袋填充物的损失率，试验结果表明粉煤灰的含量(质量分数)为10%时损失量最少。经历4 d冲刷后生态袋填充料的损失量趋于稳定，其原因是颗粒互相交错咬合，形成拱桥效应。

2)随着荷载的增加，不同预压荷载的沉降变化瞬变值都逐渐减小，且预压荷载越大，总沉降天数与沉降值越小；生态袋在预压1 MPa时，经历4 d冲刷，损失率高达3.51%,甚至还有上涨的趋势，预压0 MPa与0.5 MPa的，最终损失率分别为1.3%和1.5%，其损失率趋于平稳。

3)粉煤灰的掺入在一定程度上抑制了狗牙根的发芽率，综合试验结果等因素考虑，粉煤灰占粉煤灰土总配比的10%最优；预压荷载过小，施工中沉降太大，而预压荷载过大，在河道水流作用下，生态袋填充料析出量也会增大，结合试验结果分析，预压荷载控制在0.5 MPa时最优。