河道治理護岸護坡生態修復技術的應用研究

楊 蕾

(阜新市水利勘測設計研究院有限公司，遼寧 阜新 123099)

0 引 言

近年來，河道護岸護坡生態修復技術作為水利部重點推廣的實用新技術，已廣泛應用于我國水生態修復、河道綜合治理等諸多領域。該項技術能夠綜合考慮綠化與生態效益，解決傳統剛性混凝土存在的問題[1]。為滿足堤防安全需求該項技術配置有較高強度的大骨料，此外配合活性菌劑的混凝土骨料層能夠明顯改善植被的生長條件，充分發揮生態修復中生物基質的功能作用。因此，有效結合生物基質與混凝土骨料層能夠滿足河道生態、堤防安全的雙重功能需求，在山體邊坡生態修復、河湖濱海植被抗沖刷性修復、城市河道黑臭水體治理以及生態護岸護坡綜合治理等工程實例中，該項技術均有所應用，而將其應用于遼寧地區的實例研究卻鮮有報道[2-4]。鑒于此，文章結合區域實際情況和河道特點，從實施效果、施工工藝、技術指標的角度系統探究了該項生態修復新技術，以期為流域水生態修復、河道綜合治理及其整治方案的優化設計提供參考。

1 研究方法

1.1 骨料層基礎平臺設計

采用多孔骨料充填六棱混凝土預制塊，并以C20框架梁為基礎完成護岸的澆筑施工，該過程無需對原有堤防實施破壞、拆除等結構性措施。將水、減水劑、P.O42.5水泥、粒徑45mm的單一石料均勻混合，機械攪拌120min后制成骨料基礎層，控制澆筑時間不宜超過30min。

1.2 護岸植被配置

通過野外實地調研，選擇虉草、紫羊茅、高冰草等適合于寒冷地區的禾木科，以及紫花苜蓿、波斯菊等豆科和菊科類地被植物，生態植物選用了藜科的駝絨藜，護岸植被配置方案見表1。

表1 植被生物基質配置

1.3 土壤菌群分析

為深入探究生物基質對不同植物生長的綜合影響，選擇試驗植物為高冰草，試驗播種量25g/m2，播種面積40m2，土壤有機質含量取適合于植物生長的5.2%，生物機質與試驗土壤養分見表2。

表2 土壤養分和有效菌數

對基礎骨料層利用機械的方式進行試驗現場攪拌、澆筑，試驗所用設備有1臺攪拌機和1臺裝載機，采用人工輔助結合機械的方式混拌、充填現場基質，利用人工的方式播種作物種子、鋪設無紡布。

1.4 試驗流程

步驟1：清理整平達標河段坡面，在密實度符合試驗要求的基礎上支框架梁模板，并按標準規范完成澆筑試驗處理。

步驟2：按設計配合比將生物基質混凝土骨料層、BSC-WY系列添加劑、石料、水泥等依次加入攪拌機，經均勻攪拌處理出料運至工作面澆筑、整平。

步驟3：控制攪拌機與澆筑作業面之間的距離不超過120m，對于超過要求的應對試驗作業面或攪拌地點轉場，為了保證試驗質量控制整個操作流程不超過10min。

步驟4：拌合料澆筑完成后，必須對其表面做整平處理，3d內嚴禁加載負荷、行車以及行走。每天早晚2次對試驗作業面進行養護，連續養護3d，若3d內雨陰雨天氣則無需養護。

步驟5：完成澆筑7d后開展生物基質層試驗，初期保墑可用20-50g/m2的無紡布覆蓋，并利用竹簽或鉛絲扦插固定無紡布。

步驟6：結合天氣情況對生物基質層進行澆水養護，陰雨天氣無需澆水而蒸發量較大的晴熱天氣應在早7點前澆水。

1.5 質量檢驗

設計生物基質試驗模塊尺寸為200mm×200mm，將混凝土骨料層標準養護30d后取出以備試驗使用，按照GB/T50082的要求控制模塊制作尺寸誤差、維護方法和試驗制件方式，由此完成混凝土骨料層的質量檢驗[5]。

現場采集已播種的高冰草試樣，并檢測分析所采集的多種處理方式下的植物樣品。然后采集表層基質5cm土壤試樣，測定其含水量、孔隙率、酸堿度等指標，為保證檢測精準度現場開展4組平行試驗。樣品采集范圍取50m2，按照標準計量6t/hm2、高劑量12t/hm2兩種比例摻入生物菌劑[6-7]。對植物生長試驗設置不施肥、施有機肥兩種方式，并對土壤孔隙水含量、表層基質5cm土壤酸堿度、分蘗數、單株重量等指標，按照不同生長時期分別測定。

2 結果與分析

2.1 添加劑用量影響分析

試驗分析不同添加劑用量、相同配合比方案下的骨料層抗壓強度，見表3所示。

表3 不同添加劑用量試驗結果

由表3可知，使用添加劑后明顯增強了生物基質減少骨料層的功能，其它成分的調節和添加劑的黏合作用顯著提高了骨料層的抗壓強度，在較少水泥用量的情況下具有較為明顯的提升其抗壓強度的效果。此外，在不同生物基質型號相同配合比方案下骨料層的抗壓強度存在一定差異，實際施工過程中要考慮不同設計需求合理選擇相應的型號，也可考慮設計單位、施工條件等要求定制單獨的型號。

2.2 水泥用量影響分析

試驗分析生物基質骨料層抗壓強度受不同水泥用量的影響，如表4所示。

表4 不同水泥用量試驗結果

續表4 不同水泥用量試驗結果

由表4可知，水泥用量與抗壓強度在相同試驗條件下存在顯著的正相關性，骨料層的抗壓強度試著水泥用量的增加而增大，即骨料試樣的抗壓強度由增加的水泥用量提供。然而，增加的水泥用量必然會導致工程成本的增大，所以為優化工程造價成本應重點控制水泥的用量。此外，孔隙度與水泥用量總體上存在負相關性，骨料模塊的孔隙度隨著水泥用量的增加而減小，水泥用量達到370g/cm3時孔隙度達到30%左右，試驗孔隙度在不同水泥用量條件下存在較為顯著的差異。

2.3 植物生物量指標影響

一般地，可以利用總體草量和葉面兩個指標反映植物生物量的分蘗數、單株總量，試驗分析植物生物量指標受生物基質不同菌群的影響，結果見表5。

表5 不同生物基質菌落試驗結果

由表5可知，高冰草的單株重量在高劑量生物基質菌落條件下明顯高于其它組，其它試驗組的差異不明顯；正常施普通有機肥和分蘗指標在正常生物基質菌落劑量條件下處于相同水平，均低于高劑量試驗組，與對照組相比分蘗指標較高。研究表明，植物生物量隨著生物基質菌落的增加而明顯增大。

2.4 骨料層抗凍性能

考慮到遼寧地區氣候寒冷的實際情況，在標養條件下對骨料層模塊養護28d，然后選用水灰比為0.35的骨料層混凝土開展凍融循環試驗，統計分析不同凍融條件下的強度損失率和質量損失度，如表6。研究表明，骨料層模塊的強度損失率、質量損失度與凍融循環次數存在顯著正相關性，即隨著凍融循環次數的增加其強度損失率和質量損失度不斷增大，特別是超過160次凍融循環時出現較為明顯的強度損失率、質量損失度變化，可達到F200抗凍等級。將該項生態修復技術應用于北方地區時，需要合理設計其抗凍性能，為提高生物基質骨料層抗凍性能可以增加活性的礦物摻合料[8]。

表6 骨料層抗凍性試驗結果

2.5 植物生態修復效果

在生態修復技術實施3個月后，全面調查試驗區生物基質下的植物以及自然修復區內的植物品種如表7所示。為更好的對比植物生態修復效果，在試驗區播種植物群并在相同自然生態修復區設置了植物生長對比區。結果表明，河岸生態修復后明顯改善了采樣生物基質的植物高度、覆蓋度以及種類，并在一定程度上豐富了植物種類，明顯增加了單株植物數量。實地調查顯示，對河道生態系統利用生物基質技術修復，能夠顯著增加植物量；此外，對養護28d的試驗骨料層模塊開展室內抗沖試驗，結果發現其抗沖能力達到5m/s。

表7 試驗區與自然修復區的植物品種

續表7 試驗區與自然修復區的植物品種

3 技術優勢與應用潛力

3.1 生態混凝土技術優勢

在河道治理中應用生物基質生態修復技術，能夠明顯改善土壤的活性、物理與化學性能，顯著增加其生物菌落。在基質層中活用菌落的豐富度較高，這為滿足植物生長所需要的養分、快速分解土壤中的有機物等提供了有利條件，同時可以防止水體受有機化肥的二次污染，在改善水質條件的基礎上滿足河流生態景觀需求，為維持較長的生態效應以及良好的植物生長狀況奠定堅實的基礎[9]。通過專業化撥冗多樣性的生態植物，試驗區取得了非常顯著的生態修復效果。多種保水、保肥材料的施用為生物基質上植物的生長提供了有利環境，生物基質技術具有明顯的植被修復效果，在河道治理工程中其生態效果顯著，且能夠保證河道防洪安全。

3.2 生態技術的應用潛力

通過試驗分析植物生態修復效果以及生物基質下的生態修復技術，該項技術可結合實際施工條件、土壤類型、氣候特點等應用于城市段河流和中小河流的生態修復[10]。文章結合遼寧地區氣候環境設計組合的植物措施，在實施工程措施的基礎上達到長期的修復效果。此外，試驗配合比為0.35的骨料層混凝土能夠達到F200抗凍等級，滿足河道防沖和寒冷氣候要求。在北方地區該項技術具有廣泛應用的潛力，在不調整骨料、普通水泥用量配比的情況下，BSC-WY系列添加的使用也可使混凝土達到F200抗凍等級，因此具有較好的實際應用能力。

4 結 論

1)實際工程施工時宜選用框格約束生物基質骨料層，為保證骨料層整體穩定性可采取施工現場澆筑的方式。此外，植物根系能夠穿過骨料層內孔隙，在河岸、邊坡扎根發揮加筋的作用，并并與骨料層形成整體增強堤防、河岸的抗沖化能力和穩定性。

2)在植被覆蓋度、施工難易程度、工程造價、填充方式等方面，框格梁式混凝土均優于工字磚及六棱砌筑形式，可結合實際情況利用框格梁式充填澆筑。