多孔植被混凝土在河道邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

□張 鵬（南水北調(diào)中線局河南直管局）

多孔植被混凝土在河道邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

□張 鵬（南水北調(diào)中線局河南直管局）

多孔植被混凝土應(yīng)用于河道邊坡防護(hù)中，既提高了邊坡的穩(wěn)定性和耐久性，又改善了河道邊坡的生態(tài)環(huán)境。文章在總結(jié)多孔植被混凝土生態(tài)護(hù)坡原理和應(yīng)用類型的基礎(chǔ)上，討論了多孔植被混凝土應(yīng)用中存在的問題，并對其未來的發(fā)展方向做出了展望。

多孔植被混凝土；河道邊坡；生態(tài)護(hù)坡

河道邊坡由于長期承受降雨、波浪沖刷及水位升降等侵蝕作用，使坡面的抵抗力變?nèi)?，常需要對淹水區(qū)邊坡進(jìn)行護(hù)理。對河道邊坡進(jìn)行防護(hù)，必須兼顧邊坡穩(wěn)定和環(huán)境保護(hù)兩方面的問題。既要保護(hù)路基邊坡表面免受雨水沖刷、河水侵蝕，防止和延緩軟巖土表面的風(fēng)化、破碎和剝蝕，從而保護(hù)路基的整體穩(wěn)定性;又要改善邊坡的生態(tài)效果，謀求人工構(gòu)造物與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。

傳統(tǒng)的護(hù)坡技術(shù)主要有噴射混凝土護(hù)坡、漿砌或干砌塊石護(hù)坡、預(yù)制混凝土塊體護(hù)坡等；這些護(hù)坡技術(shù)雖然具有強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，但其造價(jià)高，生態(tài)效果差。多孔植被混凝土在具有工程防護(hù)性能的同時(shí)，還具有適合植物生長、恢復(fù)和保護(hù)環(huán)境、改善生態(tài)條件等功能，生態(tài)效果顯著。多孔植被混凝土應(yīng)用在河道邊坡防護(hù)中，既能保證邊坡穩(wěn)定性，又能起到降低噪音、防菌殺菌、吸收氮氧化合物以及阻擋電磁波等作用，對調(diào)節(jié)空氣溫度和濕度、維持地下水位和保持生態(tài)平衡均能起到良好的效果。

1.多孔植被混凝土的制備

多孔植被混凝土由植生基材和多孔混凝土兩部分組成（見圖1），其中植生基材由土壤、肥料、各種添加劑等組成，多孔混凝土是由粗骨料表面包覆一層膠結(jié)材料相互粘結(jié)成的含有大量孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)混凝土。

圖1 多孔植被混凝土的基本結(jié)構(gòu)圖

膠結(jié)材料可選擇強(qiáng)度等級(jí)42.5的普通硅酸鹽水泥。骨料的選擇需要兼顧孔隙率、孔徑大小和強(qiáng)度的要求，選擇粒徑大、針片狀少且級(jí)配單一的骨料，混凝土孔隙率和孔徑會(huì)較大，但和易性和強(qiáng)度會(huì)較差。為了能夠保證連通孔隙率滿足植被生長的要求，且使混凝土獲得足夠的強(qiáng)度，制備多孔植被混凝土的粗骨料應(yīng)選擇石灰?guī)r或玄武巖材質(zhì)的碎石，粒徑宜為16～32mm，針片狀含量控制在5%以內(nèi)。外加劑應(yīng)選用減水率較高且保水性好的減水劑，或是復(fù)合使用保水劑和高效減水劑。

2.多孔植被混凝土生態(tài)護(hù)坡原理

采取工程加固措施，對減輕河道邊坡修建初期侵蝕和不穩(wěn)定性問題的效果顯著，但隨著時(shí)間的推移，混凝土逐漸老化，強(qiáng)度不斷降低，效果也越來越差。而采用生態(tài)護(hù)坡則剛好相反，開始作用非常虛弱，但隨著植物的生長和根系的發(fā)達(dá)，效果逐步增強(qiáng)，對減輕坡面侵蝕和不穩(wěn)定性的作用越來越大。因此，工程加固措施和生態(tài)護(hù)坡技術(shù)結(jié)合，發(fā)揮二者各自的優(yōu)點(diǎn)，既可以保證邊坡在修建初期和后期的穩(wěn)定性，又能起到植被恢復(fù)、美化環(huán)境的作用。

2.1 植被的力學(xué)效應(yīng)

植物生長初期的淺根及植草的根系在土壤表層和下覆風(fēng)化殘積層中錯(cuò)綜盤結(jié)，可視為一種三維加筋材料，在其延伸范圍內(nèi)邊坡土體成為土與淺根的復(fù)合材料。淺根的張拉限制了土體的側(cè)向變形，增加了土體側(cè)向應(yīng)力；同時(shí)，淺根的加筋作用約束了土體變形，增加了土體的粘聚力，提高了坡面碎裂巖塊的整體性，從而增加巖土體的抗滑力。

隨著植物的生長，根系逐漸發(fā)達(dá)，深根穿過坡體淺層的松散風(fēng)化帶，錨固到深處的穩(wěn)定層上，起到預(yù)應(yīng)力錨桿的作用。豆科、小灌木和禾本科植物在地下0.75～1.5m深處有明顯的土壤加強(qiáng)作用，樹木根系的錨固作用則可影響到更深的土層。

2.2 植被對河道邊坡的水文效應(yīng)

降雨是誘發(fā)滑坡的重要因素之一。植被可以截留部分降雨，減小高速下落的雨滴對坡面的撞擊，減少因撞擊而濺出的土粒數(shù)量。此外邊坡的失穩(wěn)與坡體水壓力的大小有著密切關(guān)系。植物的蒸騰排水和吸水作用通過其根系對邊坡進(jìn)行水平和泵吸排水，減小了土體的孔隙水壓力及碎裂巖體的裂隙水壓力，并減少了土體自重，增加了土體吸力。從而提高土體的抗剪強(qiáng)度，極大程度地增加坡面介質(zhì)的穩(wěn)定性，有利于邊坡體的穩(wěn)定。

植被還可有效控制河道邊坡的土粒流失。地表徑流會(huì)帶走被滴濺分離的土粒，進(jìn)一步引起片蝕和溝蝕，植被能夠削弱雨滴濺蝕并抑制地表徑流，從而能控制土粒流失。通常地，隨植被覆蓋率的增加，土體流失量呈指數(shù)關(guān)系降低。此外，網(wǎng)絡(luò)狀分布的植物根系可以分解土壤中的膠結(jié)產(chǎn)物，有助于各種土壤微生物的繁殖，從而調(diào)節(jié)河道邊坡生態(tài)環(huán)境。

3.多孔植被混凝土的應(yīng)用類型

多孔植被混凝土護(hù)坡的類型有很多，根據(jù)植被類型的不同可將多孔植被混凝土護(hù)坡分為植草混凝土護(hù)坡、植物混凝土護(hù)坡、全系列植被混凝土護(hù)坡等。

植草混凝土護(hù)坡是在植生基材中撒入草本植物的草籽組成護(hù)坡材料，這種護(hù)坡技術(shù)既具有很強(qiáng)的固土能力和防沖刷能力還具備一定的凈化能力。但由于多孔混凝土的耐久性差，草本植物的根系較淺，隨著時(shí)間的推移，坡面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性逐漸下降。植物混凝土護(hù)坡是在植生基材中撒入豆科、禾本科等植物的種子組成護(hù)坡材料。這種護(hù)坡技術(shù)既在前期利用了混凝土的固土能力，后期根系發(fā)達(dá)后又提供了深根的錨固作用。但表層植生基材的抗沖刷能力不如植草混凝土強(qiáng)，水土流失會(huì)比較嚴(yán)重。

全系列植被混凝土護(hù)坡是從坡腳到坡頂依次選用草本、豆科、禾本科、小灌木等一系列植物作為護(hù)坡植被，甚至可以在最上層種植一些喬木，形成多層次、全方位的生態(tài)防護(hù)。這種護(hù)坡技術(shù)綜合利用了多孔混凝土和各類植被的長處，除了具有較好的穩(wěn)定性和耐久性，還具備生物多樣性好，景觀功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

4.多孔植被混凝土應(yīng)用的技術(shù)問題

雖然多孔植被混凝土應(yīng)用于河道邊坡防護(hù)中具有諸多的優(yōu)勢，但是該類混凝土還存在許多問題有待進(jìn)一步研究：

一是降堿處理問題?；炷翂A含量過高，若處理不當(dāng)，植物生長的狀況會(huì)比較差，根系、植株高和茁壯程度都比在普通土壤中差；而經(jīng)過降堿處理后，混凝土力學(xué)性能又會(huì)受到損傷。

二是多孔植被混凝土的最優(yōu)配合比與植物的生長特性密切相關(guān)，因此根據(jù)植物種類的不同應(yīng)進(jìn)行不同的配比試驗(yàn)。

三是在雙向和三向拉、壓應(yīng)力下多孔植被混凝土的微、細(xì)觀力學(xué)及宏觀力學(xué)方面的耐久性損傷研究，及其植被根系與多孔植被混凝土的相互力學(xué)作用機(jī)理研究不夠。

四是工程成本高.除技術(shù)原因外，建設(shè)成本也是影響一項(xiàng)工程技術(shù)能否順利推廣應(yīng)用的重要因素，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)實(shí)力還相對較弱，經(jīng)濟(jì)成本因素還相當(dāng)重要，極大程度上限制了該技術(shù)的應(yīng)用。

5.展望

人類與自然同在，工程與環(huán)境共存，是水利及其他土木工程建設(shè)應(yīng)遵守的原則。多孔植被混凝土應(yīng)用于河道邊坡防護(hù)中，大幅提高了邊坡的穩(wěn)定性和耐久性，并改善了河道邊坡的生態(tài)環(huán)境。從歐美和日本等發(fā)達(dá)國家的多孔植被混凝土的研究歷程和趨勢分析，多孔植被混凝土正朝著規(guī)模化、體系化、集成化、規(guī)范化、理論化、智能化、經(jīng)濟(jì)化等方向發(fā)展。依據(jù)不同生態(tài)區(qū)的特點(diǎn)，加強(qiáng)優(yōu)勢植被群落品種選育和綜合應(yīng)用，并以生態(tài)學(xué)原理為指導(dǎo)，開展組合應(yīng)用研究，篩選出適合不同生態(tài)區(qū)河道邊坡植被所需的優(yōu)勢植物品種，并配套研究與之相適應(yīng)的多孔混凝土的配合比、力學(xué)性能和耐久性，是解決現(xiàn)有技術(shù)問題的根本與關(guān)鍵。

[1]王智，錢覺時(shí)，張朝輝，等。生態(tài)混凝土的應(yīng)用研究及存在問題[C].2007高技術(shù)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會(huì)暨《材料導(dǎo)報(bào)》編委會(huì)年會(huì)論文集[A]，2007.

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[3]李化建，孫恒虎，肖雪軍.生態(tài)混凝土研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2005(3):17-20.

2012-07-09