現澆透水性生態混凝土在河道邊坡工程中的應用

劉 峰，顏庭成

(1．南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210093;2．江蘇省有色金屬華東地質勘查局，江蘇南京210007)

現澆透水性生態混凝土在河道邊坡工程中的應用

劉 峰1，2，顏庭成2

(1．南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210093;2．江蘇省有色金屬華東地質勘查局，江蘇南京210007)

針對傳統護坡工程方法在河道邊坡工程生態環境保護和修復方面的缺陷，提出了新型現澆透水性生態混凝土護坡技法，優化設計了該技法組成材料，并對生態混凝土的耐久性、植生能力和凈水性能進行了綜合分析。通過該技法在泰州周山河河道邊坡生態治理工程中的實際應用，認為所提出的現澆透水性生態混凝土護坡技法不僅能充分保證護坡工程的安全性，還可維持和改善周邊生態環境與生態系統。

現澆透水性生態混凝土;配合比設計;植生;生態型護坡技法;江蘇泰州

0 引言

河道邊坡由于降雨、波浪沖刷以及水位升降等因素造成侵蝕，使得坡面的抵抗力變弱，常需要對淹水區邊坡進行護理。對河道邊坡進行防護，必須考慮邊坡穩定和環境保護問題。既要保護路基邊坡表面免受河水侵蝕、雨水沖刷，防止和延緩軟巖土表面的風化、破碎、剝蝕演變過程來保護路基的整體穩定性;又要使工程對環境的擾亂程度減少到最小，并謀求人工構造物與自然環境相協調。傳統的護坡工程常采用在過濾層上鋪設拋石和現場澆筑普通混凝土兩種護坡方式對淹水區邊坡進行防護(吳美安，2003)。但實踐證明，拋石法需要拋填大量的石塊，雖然其耐風化性好且材質堅固，但整個工程需要進行高額的投資。現場普通混凝土所形成的護坡面對坡面下沉變形的應變協調性差，通常會造成自身開裂，從而造成坡面易被沖刷(尤其對于堆土材料為松軟土質的淹水區坡面)。最后，采用拋石和現場普通混凝土護坡方式無法改善景觀性和自然環境。針對上述傳統護坡方法的缺陷，現澆透水性生態混凝土可以根據不同的功能需求，通過選擇合適的粗骨料級配和細砂含量，以及不同的水灰比、外加劑來滿足實際工程需要的力學強度和耐久性(劉榮桂等，2006)。同時，現澆透水性生態混凝土具有較大的透水系數和孔隙率，使其具有自然凈化水質(生態清淤技術)、實現植物生長(植生)、防波浪沖刷、自然排水透水(護坡)以及消波降噪等優點，可有效改善自然生態環境以及營造城市景觀。因此，對于現澆透水性生態混凝土在河道邊坡的生態環境保護與修復方面，應用前景十分廣闊。

1 現澆透水性生態混凝土的技術研究

1．1 材料選用

現澆透水性生態混凝土是通過選用粗骨料、水泥、耕土、粉煤灰、礦渣、有機肥、各種添加劑等拌制而成的一種多孔混凝土，其表面包裹著一薄層水泥漿的粗骨料相互粘結而形成孔隙均勻連續分布的蜂窩狀結構，形成了其最主要的內部材料結構特點。因此，對試驗原材料的選用(主要是水泥強度等級、組成成分、粗骨料種類、粒徑以及化學添加劑性能等)就顯得尤為重要。

粗骨料：單一級配的骨料，可以采用普通碎石、卵石，也可以采用浮石以及人造多孔性輕質材料，甚至可以采用廢棄的碎磚、玻璃、混凝土等。骨料的粒徑范圍為2．5mm～25mm。

細骨料：河砂、海砂，碎石砂等，粒徑范圍為1.2mm～10mm。

水泥：普通波特蘭硅酸鹽水泥、高爐水泥B等。

保水劑：SAP高吸水樹脂(簡稱SAP)、聚丙稀酰胺(PAM)和甲基纖維素(CMC)。

添加劑：SR-3/SR-4(生態混凝土專用添加劑，以碳酸鈣、硅石粉、機能性無機鹽及改性聚羧酸組成的復合物)，提高生態混凝土的力學強度和耐久性，控制和保證其物理特征(透水性、孔隙率、均一性等)，改善其內部和表面的化學特征(化學抵抗性、酸堿度、生物親和性等)。

1．2 配合比優化設計

混凝土配合比設計是涉及混凝土生產和使用整個過程中的最重要的環節之一，由于現澆透水性生態混凝土研究和應用時間較短，到目前為止還沒有一種得到廣泛認同的標準方法，而普通混凝土的配合比設計(水膠比等)以保羅米公式為基礎，并具體考慮混凝土強度等級、外加劑的減水效率、混凝土工作性要求等因素，形成了工程上較為通用的設計方法。本次研究基于BP神經網絡模型，建立了現澆透水性生態混凝土配合比設計模型，用于指導生態混凝土配合比設計。通過不同配合比生態混凝土的實驗設計，以配合比數據作為網絡訓練的樣本，以混凝土的各組分質量和混凝土配合比參數為輸入單元，建立了生態混凝土的強度、孔隙和耐久性模型。

1．3 基本物理力學性能

1．3．1 孔隙率 由于現澆透水性生態混凝土表面如米花糖狀，孔隙較多，因此其孔隙率需通過特殊手法來測定：先測定試件在空氣中的質量，再測定其飽水后的質量，最后求得該試件的孔隙率。具體步驟如下：體積為V的試件自然養護7d，烘干稱得干重D，然后在(20+3)℃的水中浸泡41d，測得試件在水中的質量S。由公式P=(D－S)/V求得各個試件的孔隙率P，取其平均值即為該多孔混凝土的孔隙率。結果表明，現澆透水性生態混凝土孔隙率在15% ～30%之間。

1．3．2 孔隙內pH值 采用取出固液萃取法來制備溶液測定多孔混凝土的pH值。具體步驟如下：將生態混凝土試塊破碎，充分研磨，過篩(用0.08mm方孔篩)，稱取10g，然后加入10倍重量的蒸餾水中，用橡皮塞塞緊以防碳化，每隔約5min震動均勻1次，2h后過濾，使用濾液的pH值。經測定，摻加了添加劑，齡期為7d的現澆透水性生態混凝土的pH值維持在10左右，這樣低堿性的環境有利于植物和水中生物的生長。

1．3．3 抗壓強度 試件尺寸為150mm×50mm×150mm，按照GB 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行抗壓強度試驗(金偉良等，2002)，根據公式N=P/A求得7d和28d的抗壓強度。根據試驗研究結果，該生態混凝土抗壓強度可以達到15N/mm2～30N/mm2，能滿足一般護坡的要求。

1．4 耐久性損傷分析

通過對現澆透水性生態混凝土的凍融耐久性試驗分析得出：配有SR-3/SR-4添加劑的生態混凝土具有良好的強度和力學性能，在確保孔隙率不低于25%及標準養護28d后，抗壓強度可達10MPa～35MPa，能滿足護坡功能要求(陳楊輝等，2007;朱啟貴等，2010)。其在凍融試驗中，經過50次凍融循環后，質量損失6．3%，強度損失17．2%，表現出了良好的抗凍脹循環應力性能，具有很好的凍融耐久性，能有效減緩實際裂縫的擴展(劉榮桂等，2005)。

1．5 護坡性能

1．5．1 透水性 透水性是生態混凝土的一個重要指標之一(陳志山，2001;王武祥等，1996)，它的大小隨基礎材料的顆粒組成不同而有所差異，但對于現澆透水性生態混凝土來說，要達到植生效果，其透水系數必須大于1mm/s。本次研究通過添加SR-3/SR-4無機質混合材料的多孔混凝土，保持水灰比在0．40～0．60之間，可使其透水性普遍達到7mm/s以上，透水性良好，滿足植物生長的要求。

1．5．2 護坡消波性能 現澆透水性生態混凝土護坡技法相對于傳統護坡技法，無論波浪的強弱、高低，其消波的效果都非常顯著。當坡面受到波浪沖擊時，波浪會侵入到多孔的生態混凝土層的連續狀孔隙中去，波浪在通過孔隙中的復雜路徑時，相互之間不斷發生沖撞，加上路徑壁面的摩擦作用，使得波浪的流速大幅下降。另外，在坡體表面上，連續性孔隙的開口處呈現凸凹狀，使得波浪在此沖撞時發生反射，從而改變了波浪的流動方向，減弱了波浪的強度。

1．6 凈化水質性能

現澆透水性生態混凝土是一類特種混凝土，具有較小的孔徑和較大的比表面積。一方面，當水通過生態混凝土濾層時，會發生化學、物理、物理化學及逐漸形成的生物膜的生物化學作用，清除和降解污染物質。多孔生態混凝土的連續孔隙，可為微生物提供生存空間，同時也為微生物生長提供了載體，微生物和微小動物在多孔混凝土表面及連續孔隙內棲息繁衍，形成生物膜。另一方面，由于多孔混凝土較大的比表面積，具有較好的吸附能力，可降低水體中的污染物質。在水與多孔混凝土接觸的局部范圍內，由于水泥在水化過程中會不斷溶出Ca(OH)2，起到無機混凝劑的作用，使水體中的膠體物質部分混凝沉淀，從而達到水質凈化的目的(宋志斌等，2006)。

同時，由于河流水位的周期變化，邊坡的水位變動區是一個由水、水生生物、空氣組成的生態系統，在這個生態系統中，水生植物以及附在上面的微生物、昆蟲是生態系統生物鏈的重要環節和水環境的核心組成部分。現澆透水性混凝土的結構特點以及可植性，可以有效促進河道岸坡的生態系統的建立。水生植物能有效吸收水中的N、P以及難以降解的持久性污染物，改善河流的水質(羅楠，2006;陳楊輝等，2007)。

1．7 植生性能

在河道水位以上采用植生性生態混凝土+客土噴播，即在現澆透水性生態混凝土坡面上覆蓋植被材料，為植物的幼芽和根須提供最初的養分供給和生存環境，直到植物的根須伸入到生態混凝土層，便完成了邊坡綠化功能，綠化效果可使兩岸坡面景觀與周邊環境融為一體。

1．8 與傳統混凝土護坡效果的比較

表1是現澆透水性生態混凝土與傳統混凝土的護坡效果比較(陳志山，2001;董建偉等，2002;李化建等，2005;Wong Nyukhien et al，2003)。

表1 現澆透水性生態混凝土與傳統混凝土的護坡效果比較

2 泰州周山河河道邊坡生態治理工程

2．1 工程概況及目的

泰州周山河整治工程是泰州市通南地區的主要區域性骨干河道。其中整治工程一期為2008年度工程項目，工程位于泰州市周山河街區范圍內。周山河河道地面標高5．20m，河道水位標高3.80m，地面到河床底4m～5m，河床寬5m～6m，河岸一側坡度在30°以內，另一側在20°以內。河道生態治理范圍約120m，兩側河道邊坡穩定，坡面地層裸露，與周邊景觀不協調。工程在滿足生態、綠化、環保、節能的設計基礎上，利用新型生態混凝土材料對河道邊坡進行生態治理，發揮透水性生態混凝土消波、護岸、透水、植生功能，不但能夠防止水土流失及水位升降對河岸造成的影響，在一定程度上還可以改善河道水質，使建成后的河道邊坡景觀與周邊環境融為一體，滿足周山河公園作為第六屆園藝博覽會園藝博覽園舉辦場所的生態、綠化、環保、節能的要求。

2．2 施工設計方案

2．2．1 框架結構 混凝土框架采用普通混凝土(C25)現場澆筑而成，整個框架由邊長為2m的基本方格構成。混凝土框架的主要作用并非提高坡面的穩定性和防止垮塌，而是將坡面和生態混凝土約束成一體并提高生態混凝土的施工性能。設置混凝土框架(橫、豎框)尺寸時要考慮施工性、坡面長度及坡度等諸多因素。框架的布置及尺寸如圖1。

圖1 混凝土框架布置圖

框格梁高15cm，梁寬15cm，縱、橫向間距均為2m，在混凝土框架的上部及下部分別設置200mm×300mm及300mm×500mm的C25混凝土擋土墻(圖1)。

2．2．2 現澆透水性生態混凝土的現場澆筑 現澆透水性生態混凝土采用現場澆灌技術。根據實際情況，現澆透水性生態混凝土可以采用混凝土運輸車進行運輸，也可在現場進行配置、攪拌，然后進行澆筑。

2．2．3 植生工程及植生效果 現澆透水性生態混凝土鋪設中要控制兩個重要參數：一是現澆透水性生態混凝土的孔徑分布，以確保植生功能，從而提高景觀和生態效果;二是抗壓強度和孔隙率，以確保具有優良的防洪和抗沖刷能力。現澆透水性生態混凝土的澆筑厚度為100mm，其上覆土厚度為50mm(圖2)。

2．3 工程效果

(1)利用現澆透水性生態混凝土來覆蓋斜面進行固土護坡，有效地防止了河道邊坡的水土流失。

(2)工程利用現澆透水性生態混凝土護坡，降低了波浪的流速，改變了波浪的流動方向，減弱了波浪的大小。

(3)工程中選用的現澆透水性生態混凝土具有連續孔隙，可以使水、空氣自由滲透，不僅可以創造生物環境，更明顯的是由于其孔隙內部和外部表面上棲息著多種微生物、小動物及藻類植物，有效地促進了水質的自然凈化。

(4)河道水位以上采用現澆透水性生態混凝土+客土噴播，即在現澆透水性生態混凝土坡面上覆蓋植被材料，為植物的幼芽和根須提供最初的養分供給和生存環境，直到植物的根須伸入到現澆透水性生態混凝土層，完成了邊坡的綠化功能，綠化效果使兩岸坡面景觀與周邊環境融為一體。圖3(a)和圖3(b)是周山河河道邊坡治理前后的實物圖，從圖中可以直觀地看到現澆透水性生態混凝土在河道邊坡工程中應用效果很好。

3 結語

現澆透水性生態混凝土是一種考慮環境因素的新型混凝土，該生態混凝土具有過濾(只讓水安全滲透而土質細顆粒不流出)、生物共生、植生綠化、凈化水質等良好的生態親和性。現澆透水性生態混凝土在生態護坡工程尤其是河道沿岸的生態環境保護和修復具有廣闊的應用前景。

在泰州周山河河道邊坡生態治理工程中，通過植生材料、混凝土、外加劑等材料優化組合驗證了最新生態型護坡技法的設計、施工效果。實踐表明，該技法除能實現固土護坡外，還能實現植物和水中生物的生長，起到凈化水質、改善景觀和完善生態系統等多重功效。

通過對現澆透水性生態混凝土的凍融耐久性試驗分析得出：配有SR-3/SR-4無機混合材料的生態混凝土，除保證其力學、耐久性滿足要求之外，該混凝土還具有一定的生態維護功能。凍融試驗過程中，其表現出的良好抗凍脹循環應力性能，能有效減緩工程中裂縫的擴展，提高凍融循環次數，使其具有較好的凍融耐久性。最后，由于該生態混凝土是一種早強的混凝土，只需7d自然養護就可以達到強度設計值，且pH值低于普通混凝土，內部能夠適應植物的生長，給混凝土施工帶來方便。由于生態混凝土填充于框格梁內，不配鋼筋，因此碳化對此混凝土性能的影響不大，能夠滿足實際工程對生態混凝土的要求。

圖2 坡面植生工程及生態效果示意圖

圖3 治理前后周山河河道邊坡

陳志山．2001．用于水污染治理的生態混凝土技術［J］．建筑材料學報，4(1)：60 －64．

陳志山．2001．大孔混凝土的透水性及其測定方法［J］．混凝土與水泥制品，(1)：19 －20．

陳楊輝，吳義鋒，呂錫武．2007．生態混凝土在河道護坡中的應用［J］．中國水土保持，(6)：42－44．

董建偉，裴宇波，王麗秋．2002．環保型綠化混凝土的研究與實踐［J］．吉林水利，(2)：1－4．

金偉良，趙羽習．2002．混凝土結構耐久性［M］．北京：科學出版社．

李化建，孫恒虎，肖雪軍．2005．生態混凝土研究進展［J］．材料導報，(3)：17－20．

劉榮桂，萬瑋，吳智仁，等．2005．淹水區邊坡的生態型護坡技法及耐久性研究［J］．混凝土，(8)：23 －28．

劉榮桂，萬煒，顏庭成，等．2006．淹水區生態型護坡設計及抗凍融性能分析［J］．江蘇大學學報：自然科學版，27(1)：71－74．

羅楠．2006．生態護坡在河道治污工程中的應用［J］．中國水土保持，(6)：32－34．

宋志斌，趙鴻儒，白俊良．2006．推廣應用透水性鋪裝促進城市生態良性循環［J］．河北工程技術高等專科學校學報，(3)：16 －18．

王武祥，謝堯生．1996．透水性混凝土的透水性研究［J］．中國建材科技，5(4)：17 －20．

吳美安．2003．大力推廣應用混凝土砌塊護坡［J］．中國水利，(18)：74 －76．

吳智仁，陸春華，劉榮桂，等．2005．現澆護堤植生型生態混凝土性能指標及耐久性能［J］．江蘇大學學報：自然科學版，26(5)：380 －383．

朱啟貴，何仕英．2010．再生骨料多孔生態護坡混凝土的研制與性能［J］．工程與建設，24(3)：301－302．

WONG NYUKHIEN，CHEN YU，ONG CHUILENG，et al．2003．Investigation of thermal benefits of rooftop garden in tropical environmental［J］．Building and Environmental，(38)：261－261．

Application of cast-in-place permeable eco-concrete in slope engineering of river course

LIU Feng1，2，YAN Ting-cheng2

(1．School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210093，China;2．East China Geological Exploration Bureau of Nonferrous Metals，Jiangsu Province，Nanjing 210007，China)

In terms of the defects of conventional slope engineering in fields of eco-environmental protection and repairing of river course slope engineering，the authors brought up a new slope engineering method of cast-in-place permeable eco-concrete，optimized the component material of this technology，made a synthetic analysis on durability，vegetation power and water purification properties of the eco-concrete．Through a case study in Zhoushanhe river course slope engineering ecological treatment in Taizhou City，the technology was tested to be secure in slope engineering，and maintain and improve the eco-environment and eco-system of the surroundings．

Cast-in-place permeable eco-concrete;Mix ratio design;Vegetation;Techniques of ecotype slope protection;Taizhou，Jiangsu

U416．14

A

1674－3636(2011)04－0418－06

10．3969/j．issn．1674-3636．2011．04．418

2011－05－27;

2011－06－03;編輯：蔣艷

劉峰(1966—)，男，高級工程師，長期從事巖土工程、勘察工程領域技術研究及管理，E-mail：liufeng0070@126．com