植生型多孔混凝土在河道岸坡整治工程中的應用

宋文杰

（湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007）

前 言

河流環境是生態環境的重要組成部分，是人類生存和發展的重要基礎。河岸帶是河流的重要組成部分，是河流與陸地兩個生態系統進行物質和能量交換的區域，河岸帶的生態條件是影響河流環境的關鍵因素。部分河岸帶的抗沖刷能力較弱，岸坡長期受水流淘刷、波浪浪蝕及降雨沖刷等侵蝕作用，導致河岸帶出現崩塌、水土流失等險情，需要對河岸帶險工段采取工程防護措施。對河岸帶進行防護，需同時考慮工程規范與生態修復要求，一方面要保護岸坡免受水流淘刷、波浪浪蝕及降雨沖刷等侵蝕作用，保證河岸帶的整體穩定性，另一方面還要對已破壞的河岸帶生態環境進行修復，使得坡面景觀與周邊環境融為一體，謀求工程措施與自然環境相協調。

目前廣泛應用的河道岸坡防護技術主要有：混凝土類材料護坡技術，孔洞型材料護坡技術以及植被護坡技術。傳統的護坡材料主要存在綠化率低、抗沖刷能力弱以及強度低等缺點。因此，研究一種在工程應用中能夠兼顧工程規范與生態修復要求，并將工程防護和植物防護有機結合起來的新型護坡材料很有必要。

日本混凝土工學協會于1995 年首次提出了“生態混凝土”的概念，并成立了“生態混凝土研究委員會”專門開展植生型多孔生態混凝土的應用研究。目前日本已在數百個工程實例中采用了植生型多孔混凝土護坡技術[1～3]，主要包括堤壩邊坡防護、市政公路邊坡防護以及河道岸坡生態整治等工程，取得了較好的生態修復效果。歐美國家在植生型混凝土方面的研究較日本要晚，目前主要靠引進日本的先進技術應用于各種邊坡生態防護工程[4]。目前，我國對植生型多孔混凝土的研究還處在起步階段，研究重點主要圍繞如何規范多孔混凝土配合比設計方法和制備工藝、如何提高多孔混凝土強度和有效孔隙率等方面開展，關于多孔混凝土植生性能方面的研究還比較少[5]。

本文基于國內外植生型多孔混凝土防護技術研究的經驗，結合具體工程實例，對植生型多孔混凝土原材料選用、配合比設計、制備工藝及護坡工程施工工藝進行了探討，并分析了工程應用效果，為植生型多孔混凝土在河道岸坡整治工程中的應用提供技術支持。

1 植生型多孔混凝土構造及原理

如圖1 所示，植生型多孔混凝土主要由以下3 部分組成：多孔混凝土、適生材料和植被。其中，多孔混凝土為基本骨架，主要由粗集料、水泥、礦物摻合料、化學添加劑和水等按照一定比例拌合而成；適生材料為多孔混凝土孔隙中的填充物，主要由種植基材、緩釋肥料、保水材料、減水劑和水等按照一定比例拌合而成。

待制備完成的多孔混凝土達到一定強度后，將適生材料配置成具有一定流動度的漿液，采用泵送或者自流的方式填充滿多孔混凝土內部的連通孔隙，將植物種子與適生材料進行充分拌和，采用噴播的方式覆蓋在多孔混凝土的表面，植物種子在表層的適生材料中發芽生長后，其根系在多孔混凝土孔隙內的適生材料中繼續生長并最終穿過多孔混凝土護坡層到達邊坡土體，從而形成具有一定強度和植被覆蓋率的生態型護坡結構[6～7]。

圖1 植生型多孔混凝土構造示意圖

2 工程實例應用

2.1 工程概況及設計方案

本次植生型多孔混凝土應用試點工程位于長沙縣太陽灘水閘閘址處，主要涉及水閘下游撈刀河右岸150 m 長堤防臨水坡的生態整治。試點工程所在河道斷面的控制集雨面積為1 161 km2，上游干流長83 km，多年平均徑流量23.89 m3/s，10 年一遇設計洪峰流量為1 652 m3/s，對應閘下河道水位為43.50 m。現狀閘下右岸堤防堤頂高程45.00 m，臨水坡分二級，坡比均為1∶2，其中，一級堤坡已采用草皮護坡，但坡面雜草叢生、浪蝕沖刷嚴重，二級堤坡已采用干砌塊石護坡，坡腳設有拋石護腳。

本次設計將水閘下游右岸堤防臨水坡一級堤坡的現有草皮護坡改為12 cm 厚植生型多孔混凝土護坡，護坡范圍為一級平臺頂（高程42.50 m）至堤頂（高程45.00 m），設計坡比1∶2，護坡頂部新建C20 混凝土壓頂，具體布置詳見圖2。

圖2 植生型多孔混凝土護坡橫斷面圖

2.2 原材料選用

1）水泥。湖南南方水泥廠生產的P.O 42.5 水泥。

2）粗集料。瀏陽市洞陽鎮采石場產的粒徑為20～30mm 的單級配石灰巖碎石，緊密堆積孔隙率為46.8%。

3）礦物摻合料。湖北粒固微硅粉有限公司生產的硅灰，二氧化硅含量為99.999%，顆粒粒徑0.1～0.2 μm，比表面積約為15 000 m2/kg。

4）化學添加劑。湖南同遠混凝土外加劑公司生產的萘系高效減水劑（粉劑），主要成分為β-萘磺酸亞甲基高聚物，減水率可達20%以上。

5）拌合水。普通自來水。

6）植物。多年生狗牙根和黑麥草，草籽播種密度為20～25 g/m2。

7）適生材料。種植基材采用耕植土，緩釋肥料采用泥炭，保水材料采用蛭石。

2.3 配合比設計

1）多孔混凝土最佳水灰比。本文通過大量的拌和試驗發現，當膠結材料的凈漿流動度控制在180～200 mm 范圍內，對應的水灰比控制在0.28～0.32 范圍內時，混凝土拌合物粘結性好，表面有金屬光澤，屬于最佳狀態。

2）多孔混凝土配合比設計。本文參考眾多文獻，確定采用“體積法”設計多孔混凝土的配合比[8～10]。“體積法”的基本原理可概括為：膠結材料將緊密堆積的粗集料均勻地包裹粘結在一起，凝固硬化后形成了多孔堆聚的結構，其剩余的空隙構成了混凝土內部的連通孔隙，即多孔混凝土體積=粗集料體積+膠結材料體積+目標孔隙體積。按照上述方法計算得出多孔混凝土的初步配合比，在此基礎上，通過大量的實配、檢測試驗，對配合比進行修正，得出目標孔隙率為25%、設計抗壓強度≥8 MPa、孔隙堿環境pH 值＜9 的多孔混凝土基準配合比，結果見表1。

表1 多孔混凝土基準配合比（目標孔隙率25%） kg/m3

3）適生材料配合比設計。本文將適生材料拌和后加水配置成具有不同流動度的漿體，使其在自重作用下自流充填多孔混凝土的孔隙，通過觀察孔隙內漿體的填充程度發現：當適生材料漿體的流動度控制在200～220 mm 范圍以內時，漿體能充分地充填多孔混凝土的孔隙。進而得到適生材料的配合比，結果見表2。

表2 適生材料配合比 kg/m3

2.4 制備工藝

由于多孔混凝土的組成材料和構造形式與普通混凝土區別較大，若采用傳統的一次投料法，膠結材料將無法均勻地包裹住粗集料，漿液充斥在孔隙中，堵塞了孔道, 不僅影響孔隙的連通性，也不利于強度的提高。

如圖3 所示，本文采用多次投料的“裹漿法”[11～13]制備多孔混凝土。采用這種特殊的攪拌工序攪拌的混凝土拌合物粘結性好，表面有金屬光澤，膠結材料能均勻地包裹住粗集料，并在集料表面形成一定厚度的包裹層，有利于提高多孔混凝土的連通孔隙率和強度。

圖3 “裹漿法”攪拌工序

2.5 護坡工程施工工藝

植生型多孔混凝土作為一種新型護坡材料應用于河道岸坡整治工程時，應綜合考慮自然環境、地形地質、河道水流條件等情況來制定工程施工工藝[14]，本次應用試點工程主要施工工藝及施工技術要求如下所述：

1）按設計要求平整、清理邊坡以達到初始施工條件。嚴格控制高程、邊線、坡度放樣的準確度。護坡的清基處理要滿足坡面平整，無碎石、雜草、樹根等雜物，應盡量避免大面積翻動坡面土壤，以減少坡面水土流失。

2）鋪設反濾土工布。由于植生型多孔混凝土護坡的孔隙率及孔隙的孔徑較大，為防止坡面土體的流失，需要在坡面土體與多孔混凝土護坡結構之間鋪設一層土工布進行反濾。鋪設土工布時應保證其平整且無破損，需按照設計要求預留搭接寬度，為了防止土工布滑動和錯位，可采用“U”形釘對土工布進行固定。

3）嚴格按照基準配合比配料，采用“裹漿法”攪拌工序制備多孔混凝土，拌和后出料運至坡面澆筑，出料到澆筑的整個流程時間應控制在10 min 之內。

4）拌合料澆筑完成后，應插搗密實并整平表面。3 d 內禁止加載負荷、行車及人員行走。護坡初步起強后，7 d 內應每天選擇早晚灑水養護。7 d 內如遇陰雨天氣則不需養護。

5）護坡澆筑完成7 d 后便可進行適生材料充填和表層覆土作業，具體做法：①適生材料充填：將按配比拌合均勻的適生材料制成具有一定流動度的漿體，采用泥漿泵泵送或者自流的方式將漿體灌入護坡的孔隙內；②表層覆土：將按配比拌合均勻的適生材料和植物種子均勻地撒播到護坡表面，厚度控制在2～4 cm；③養護：覆蓋18 g/m2的無紡布用于初期保墑，無紡布采用U 形釘固定在坡面上。

6）覆蓋無紡布后，28 d 內視天氣情況澆水養護：晴熱天氣蒸發量大時應在早上6—7 時澆透水一遍。

7）進行簡單園林養護，至植被長出并覆蓋良好。護坡工程施工工藝見圖4。

2.6 工程應用效果

該應用試點工程于2019 年6 月底基本完工，經過1 年多的運行和檢查觀測，堤防邊坡采用植生型多孔混凝土護坡后達到以下效果：

1）根據現場檢測結果表明：植生型多孔混凝土護坡28 d 的抗壓強度達到9.8 MPa，有效孔隙率達到24.3%，基本滿足了護坡強度和植生的設計要求。

圖4 護坡工程施工工藝

2）植生型多孔混凝土護坡施工完成后，經過15 d的養護，大部分植物種子均能正常的發芽，幼苗發育良好（圖5a）；1 個月時，植被生長茂盛，植株高度達到10～15 cm，基本覆蓋了植生型多孔混凝土護坡的表面（圖5b）；兩個月時，植物根系穿過多孔混凝土護坡扎根于邊坡表層土壤中，并在邊坡土體中繼續發展（圖5c 和圖5d），這對邊坡坡面的水土保持和強度的提高非常有利。

3）工程完工后1 年多，經歷了幾次洪水和持續2個月的高溫干旱天氣，植生型多孔混凝土護坡表面的植物生長情況依然良好，堤防邊坡未發生沖刷和垮塌等穩定性破壞現象，基本達到了預期的固坡和綠化效果，使坡面景觀與周邊環境融為一體，圖5e 和圖5f 是應用試點工程實施前后的實物圖，從圖中可以直觀地看到植生型多孔混凝土在河道岸坡整治工程中的應用效果很好。

3 結 語

植生型多孔混凝土是一種在工程應用中能夠兼顧工程規范與生態修復要求，并將工程防護和植物防護有機結合起來的新型護坡材料。植生型多孔混凝土在生態護坡工程尤其是河道岸坡生態治理工程中具有廣闊的應用前景。

圖5 工程應用效果

本文以長沙縣太陽灘水閘下游河道岸坡整治工程為例，對植生型多孔混凝土原材料選用、配合比設計、制備工藝及護坡工程施工工藝進行了探討，并分析了工程應用效果，認為植生型多孔混凝土護坡技術不僅能充分保證護坡工程的安全性，還可以保護和恢復河道生態環境、改善河道生態條件。所以，研究植生型多孔混凝土在水利工程中的應用及推廣對推動生態水利的發展具有積極的意義。