河道护坡中植生混凝土作用机理研究

张济宁

(法库县水利事务服务中心，辽宁 法库 110400)

0 引 言

浆砌石等硬质护坡是传统河道整治工程的主要方式，因未考虑周边环境的生态环境致使河岸周围生态退化，大大降低了河流自净功能。植生混凝土作为绿色新型建筑材料，通过将混凝土与自然生态的有机结合，打破了生态环境受传统混凝土的限制，对协调人与自然关系、保持生物多样性、修复生态环境、减轻环境负荷、增强边坡稳定性以及保持水土等方面具有重要作用[1-3]。因此，我国诸多学者深入探讨了植生混凝土的护坡材料性能，如郑德戈等研究了植生混凝土在堤防护砌工程中的防护作用，结果显示水位骤降对植生混凝土的影响可忽略不计；林志光等认为植生混凝土可以持续有效地净化水体；宋文杰等认为植生混凝土能够维持较高的N、P去除率，其孔隙结构可以明显增强植物的水体净化功能。鉴于此，文章设计不同粒径的粗集料和不同边坡坡度，以岸坡种植高羊茅草籽为例，研究了普通土体、植生混凝土表层无覆土、覆土未种草、覆土种草和浆砌石硬化护坡模式，并试验分析了植生混凝土除杂吸附、反滤和截留表层土质性能，通过合理设置空白对照组和控制变量确定护坡形式，并综合评价植生混凝土护坡效果，旨在为河道护坡工程中植生混凝土的推广应用提供一定参考。

1 试验方案

1.1 边坡设计

根据土的挖填高度、土壤性质和工程特点合理确定边坡坡度，模拟试验时设计两种河道坡度，即1∶1和1∶3。

1.2 降雨强度计算

充分考虑植生坡面受降雨径流的冲刷作用，确定沈阳市暴雨重现期P=5年，利用下式计算降雨强度，即：

(1)

式中：P为重现期，a；T为降雨历时，s；q为暴雨强度，L/a·ha。一般地，采用公式(2)计算降雨装置出水口雨水量Q，即：

Q=Fq/1000

(2)

式中：Q为降雨流量，L/s；Fq为汇水面积，m2。

1.3 模拟装置

1)试验装置。设计木箱尺寸为150mm×500mm×700mm，在冲刷支撑架上安装木箱，下方出口高度90mm，按设计坡度1∶1和1∶3进行调节。

2)原材料。胶凝材料采用硫铝酸盐低碱水泥，选用粒径25～30mm、20～25mm、15～20mm的连续级配粗集料，将配制的植生混凝土标准养护28d。

3)植物布置。在模型板框底层敷设土壤，控制敷设厚度50mm。在生态混凝土试件上均匀地填充营养液、保水剂、水和土壤，栽种高羊茅植株，按要求完成降雨冲刷模拟试验。

2 植生混凝土作用机理

2.1 除杂吸附性能

试验用固体杂质为沈阳市本地的细河砂，粒径0.5～1.0mm。固定放置试验装置后，安装试验组和对照组的护坡模型并开展除杂吸附试验，结果见表1、图1。

表1 植生混凝土细砂冲刷量

图1 细砂冲刷质量

1)模拟强降雨情况下，混凝土硬化护坡拦截细砂的作用较弱，坡度为1∶1和1∶3时硬化护坡的细砂流失质量为0.9105kg、0.8615kg；坡度1∶1时无覆土植草组和覆土植草组的细砂流失量最高为0.2581kg、0.2285kg，坡度1∶3时无覆土植草组和覆土植草组的细砂流失量最高为0.2177kg、0.1976kg。

2)模拟植生混凝土护坡能够大幅提升固体杂质的拦截率，但拦截能力随粗集料粒径的增大逐渐减员，究其原因是降雨过程中，随水流汇入植生混凝土内部孔隙的固体颗粒，阻碍了固体杂质的进一步扩散。试验表明，骨料粒径对固体拦截能力的影响明显低于边坡系数；对于固体污染杂质无覆土植草和覆土植草组均表现出较好的拦截作用，其中普通硬化护坡对固体杂质的拦截率低于覆土植草组和无覆土植草组。模拟强降雨情况下，植草可以明显提高对固体杂质的拦截效率，这是因为植株根系及茎叶能够较好地拦截表层固体杂质种植土质，并且植物可以将固体杂质分解成有机物、无机物并有效吸收有害物质，为植物、微生物创造了有利条件，并进一步降低了有害污染物在生物链内的传播。

2.2 反滤性能分析

为进一步揭示植生混凝土底层土壤受流水的影响规律，通过试验分组设计研究了混凝土的反滤性能。固定放置试验装置后，安装试验组和对照组的护坡模型并开展反滤性能试验，结果见表2、图2。

表2 植生混凝土底层土壤冲刷量

图2 底层土体冲刷质量

1)模拟强降雨情况下，植生混凝土底部土壤流失率随着骨料粒径的增加逐渐增大，随边坡系数的增加而逐渐减小。

2)降雨冲刷60min后，坡度1∶1压实土组的底部土壤流失量达到1.296kg，粒径15～20mm、20～25mm、25～30mm植生混凝土(无覆土无植草)的底部土壤流失量依次为0.0921kg、0.1172kg、0.1685kg，反滤拦截率达到92.89%、90.96%、87.00%；坡度1∶3时压实土组的底部土壤流失量达到0.9820kg，粒径15～20mm、20～25mm、25～30mm植生混凝土(无覆土无植草)的底部土壤流失量依次为0.0386kg、0.0795kg、0.1185kg，反滤拦截率达到96.07%、91.90%、87.93%。

3)由于植生混凝土内部为多孔结构，加之表面凸凹不平作用，可以有效降低混凝土结构受降雨径流的冲刷破坏。河道整治工程中，将粒径较小的粗集料布设于流水湍急的岸侧，可以有效控制土质流失、边坡管涌等现象，大大降低土质边坡受流水的侵蚀程度。

2.3 截留表9层土质特性

设定模拟降雨冲刷时间60min，待植草边坡冲刷结束后进行烘干，称量计算拦截的土体质量。固定放置试验装置后，安装试验组和对照组的护坡模型，植生混凝土截留表层土质的冲刷试验结果见表3和图3。

表3 试验装置与土体冲刷质量

图3 表层土体冲刷质量

1)模拟强降雨情况下，坡度1∶1和1∶3时覆土未植草组的土壤流失量为1.4856kg、1.1586kg，坡度1∶1和1∶3时覆土植草组的土壤流失量为0.7721kg、0.5142kg，较覆土未植草组而言植物根系的土壤拦截率分别提高了48.03%、55.62%。

2)降雨冲刷30min后，坡度1∶1覆土植草组发生滑坡、塌落现象，而坡度1∶3覆土植草组未发生明显滑坡现象，但土壤流失量不断增加。究其原因，植株根系连接土壤形成整体板块，受强降雨作用时土壤分裂成多个板块，从而引起滑坡现象。

3)模拟强降雨条件下，坡度1∶1时粒径15～20mm、20～25mm、25～30mm的覆土未植草组土壤冲刷质量为0.2980kg、0.3375kg、0.3865kg，覆土植草组土壤冲刷质量为0.1625kg、0.1886kg、0.2270kg，减少幅度达到45.47%、44.12%、41.27%；坡度1∶3时粒径15～20mm、20～25mm、25～30mm的覆土未植草组土壤冲刷质量为0.2015kg、0.2274kg、0.2761kg，覆土植草组土壤冲刷质量为0.0904kg、0.1386kg、0.1725kg，减少幅度达到55.14%、39.05%、37.52%。究其原因，覆土植草可以有效降低雨水冲刷破坏，植株根系的土壤固结能力可以明显增强坡面土壤抗冲刷能力。

3 结 论

文章通过模拟降雨试验研究了植生混凝土的除杂吸附能力、反滤性能及截留表土特性，主要结论如下：

1)河道整治工程中，将粒径较小的粗集料布设于流水湍急的岸侧，可以有效控制土质流失、边坡管涌等现象，大大降低土质边坡受流水的侵蚀程度。骨料粒径对固体拦截能力的影响明显低于边坡系数，对于固体污染杂质无覆土植草和覆土植草组均表现出较好的拦截作用，其中普通硬化护坡对固体杂质的拦截率低于覆土植草组和无覆土植草组。

2)坡度1∶1和1∶3时，覆土未植草组的土壤流失量为1.4856kg、1.1586kg，覆土植草组的土壤流失量为0.7721kg、0.5142kg，较覆土未植草组而言土壤拦截率分别提高了48.03%、55.62%。