生態袋摻粉煤灰土在中小河道坡岸的應用研究★

李 偉

(重慶三峽學院，重慶 404100)

隨著我國經濟的快速發展和國民生活質量的提高，人們的環保意識逐漸提高。在土木工程領域，人們開始強調生態和環境保護。中小河道主要有著防洪抗災、飲用水源、農業灌溉、人文景觀和生態平衡等多種功能。現有的護坡大多都采用漿砌塊石、重力式擋墻和鋼筋混凝土擋墻，這類硬質岸坡一方面容易由年溫差引起混凝土的開裂，另一方面隔斷水岸的物質和能量交換，從而阻礙了坡岸植被的生長，大大降低了河道的自凈能力。生態袋護坡技術作為生態恢復技術的一種，不僅可以穩固坡岸、凈化水質，還能夠與周邊人文、自然生態環境相互融合，形成河岸坡岸中一道靚麗的風景線[2]。因此，生態袋應用于中小河道坡岸整治十分適合。

粉煤灰是從煤炭燃燒過程煙氣中捕獲到的粉塵顆粒物，目前，粉煤灰大多利用于建筑材料、筑路及回填、農業等方面。然而，每年仍有1億t以上粉煤灰因為不能及時利用，給環境帶來一系列問題[3]。目前，生態袋的研究和應用有很多，但其填充材料主要為碎石、砂、水泥土和建渣等[4-6]，對生態袋進行粉煤灰固廢處理的研究鮮見，粉煤灰的危害主要體現在四個方面：土壤污染、水體污染、大氣污染、人體健康[7]。顆粒粒徑一般分布在直徑介于0.01 μm～100.00 μm[8]，作為填充物若不能“鎖”在生態袋內，將會造成二次污染，生態袋的不均勻沉降與填充物的流失是導致河道坡岸崩塌的兩個主要原因，植被的復綠也是恢復河道生態系統的關鍵。因此，根據粉煤灰土在不同配比下進行了沖刷試驗、沉降試驗和狗牙根發芽試驗，分析粉煤灰土用于生態袋河道坡岸的可行性，為河道坡岸設計與應用提供科學依據。

1 材料的選取

所用土取自萬州區某工地廢土，粉煤灰取自于重慶神華萬州電廠，實驗所用材料的物理性質指標見表1。

表1 粉煤灰與土的基本物理性質指標

其級配曲線如圖1所示，其化學組成成分(質量分數)結果如表2所示。試驗采用的生態袋長40 cm，寬25 cm，縱向斷裂強度為6.04 kN/m,橫向斷裂強度5.94 kN/m，CBR頂破強力為1.62 kN，等效孔徑為0.15 mm。

表2 粉煤灰化學組成成分 %

2 沖刷試驗

水流沖刷是造成河岸崩塌的主要原因之一，雖然生態袋有一定的保土濾水功能，但生態袋長期在水流作用下，袋內的填充物會有流失，當流失超過一定限度時，會造成河岸的崩塌，而粉煤灰以硅、鋁、鐵、鈣的氧化物為主，具有較高的活性和吸附特性，隨著粉煤灰水化反應的深入，在堿性環境下，組成黏土礦物生成更大粒徑的硅酸鹽和鋁酸鹽結晶體，在一定程度上阻止袋內填充物的進一步流失。

分別配置四種粉煤灰含量(質量分數)為0%，5%，10%，15%，20%的粉煤灰土，將填充不同配比的粉煤灰土放置于攪拌機攪拌均勻后用手提縫紉機裝袋封口，填充度為80%，碼放三層放置于長1.4 m、寬0.4 m、高0.4 m的水槽中，水槽一端開孔連接水龍頭，另一端安裝水閥控制水流速度，如圖2所示。本實驗水流速度為0.3 m/s，試驗前，將生態袋浸水1 d使其完全飽和，然后稱出其沖刷前質量，沖刷后稱重得到其損失量。沖刷時間為1 h，3 h，10 h，24 h，48 h，96 h。

試驗表明：如圖3所示，上層生態袋由于與水的接觸面積最大，整體受到水流的拖拽力較大，損失率最大。如圖4所示，生態袋隨沖刷時間呈現的總體趨勢為：10 h前開始迅速增加，10 h～24 h緩慢呈線性增長，隨著顆粒互相交錯咬合，形成拱橋效應，48 h～96 h損失率趨于穩定。素土的損失率最大，4 d后達到2.6%，粉煤灰含量(質量分數)為10%損失率最小,僅為0.92%。

3 沉降固結試驗

未預壓的生態袋中明顯出現沉降過大，在實際施工過程尤其是不均勻沉降將會嚴重威脅河道堤防的安全。為了預測不同預壓荷載對施工過程中生態袋的沉降變形，對粉煤灰含量為10%的三層生態袋進行了垂直荷載作用下的沉降固結試驗，如圖5所示。

試驗前，將預壓后的生態袋放置于固結裝置，整個裝置放置于水槽中，實驗過程中，水位淹沒生態袋，鋼板和鐵桶總質量150 kg，作為第一級荷載；待生態袋沉降穩定后，向鐵桶內加水150 kg作為二級荷載，以此步驟完成四級加載，試驗方案如表3所示。

表3 固結試驗荷載施加過程

圖6為生態袋在不同預壓程度后的沉降圖，每次加載瞬間沉降都會有突變。隨著荷載的增加，沉降變化與瞬變值都逐漸減小。預壓荷載越大，總沉降天數與沉降值越小。

當生態袋受到荷載時，生態袋會產生張力。荷載越大，生態袋產生的張力越大，生態袋等效孔徑也隨之變大，這顯然不利于生態袋的保土性能，因此，試驗分別設置三組預壓荷載0 MPa，0.5 MPa，1 MPa。粉煤灰占比同樣為10%，完成預壓后進行試驗沖刷試驗。

如圖7所示，生態袋在預壓0.1 MPa時，經歷4 d沖刷，損失率高達3.51%,甚至還有上漲的趨勢，預壓0 MPa與0.5 MPa的，最終損失率分別為1.3%和1.5%，相差不多，其損失率趨于平穩。

4 植被復綠試驗

生態袋在河道坡岸的應用不僅可以美觀環境，而且植被根系的加筋、錨固作用使得坡岸更加穩定。狗牙根具有節節生根的生物學特性和耐淹、抗旱、耐貧瘠等生態學特性。其根系發達，能夠穿透生態袋，汲取袋內的土壤養分和水分；在生態袋上種植成活后，便可迅速蔓延，將生態袋全部覆蓋[9]。因此，以狗牙根為生態袋上的種植植物，將生態袋技術應用于河道坡岸治理具有一定的可行性。

為了探究不同配比粉煤灰對狗牙草的影響，將不同配比的粉煤灰、狗牙根草種與土攪拌均勻，其中草種含量為20 g/袋，生態袋填充度為80%，將混合料裝袋后采用手提縫紉機封口后露天放置，澆水養護，待15 d后，狗牙根發芽情況如圖8(a)所示。粉煤灰含量從左到右依次遞增。采用樣地法在生態袋圈出一個10 cm×15 cm的樣方，取樣是選擇具有代表性的地方。其統計結果如圖8(b)所示。

試驗表明：粉煤灰的摻入在一定程度上抑制了狗牙根的發芽率，未摻粉煤灰的植被發育最優，10%粉煤灰摻量次之，平均每10 cm×15 cm的樣方有15株出芽。

隨著粉煤灰配比的繼續增加，狗牙根的發育程度繼續降低，當含量(質量分數)達到20%時，平均每10 cm×15 cm的樣方僅有4株出芽。

5 結論

1)粉煤灰具有較高的活性和吸附特性，水化后與黏土礦物生成更大粒徑的硅酸鹽和鋁酸鹽結晶體，在一定程度上阻止袋內填充物的進一步流失，因此粉煤灰土配比在一定范圍內能減少水流沖刷對生態袋填充物的損失率，試驗結果表明粉煤灰的含量(質量分數)為10%時損失量最少。經歷4 d沖刷后生態袋填充料的損失量趨于穩定，其原因是顆粒互相交錯咬合，形成拱橋效應。

2)隨著荷載的增加，不同預壓荷載的沉降變化瞬變值都逐漸減小，且預壓荷載越大，總沉降天數與沉降值越小；生態袋在預壓1 MPa時，經歷4 d沖刷，損失率高達3.51%,甚至還有上漲的趨勢，預壓0 MPa與0.5 MPa的，最終損失率分別為1.3%和1.5%，其損失率趨于平穩。

3)粉煤灰的摻入在一定程度上抑制了狗牙根的發芽率，綜合試驗結果等因素考慮，粉煤灰占粉煤灰土總配比的10%最優；預壓荷載過小，施工中沉降太大，而預壓荷載過大，在河道水流作用下，生態袋填充料析出量也會增大，結合試驗結果分析，預壓荷載控制在0.5 MPa時最優。