抗凍植被混凝土在河道護坡工程建設中的應用研究

林世巍

(營口市水利勘測建筑設計院，遼寧 營口 115000)

1 試驗方案設計

1.1 制備方法及護坡工藝設計

遼寧省某水庫的河道護坡主要采用硬質護坡，不利于邊坡生態平衡維護，同時邊坡安全穩定性也存在較大隱患。在符合當地水域條件的情況下，研究采用抗凍植被混凝土對遼寧省某水庫的河道護坡技術進行調整。抗凍植被混凝土既可抵御雨水或洪水的侵蝕，也能根據水域特點動用植被調節河道水流情況，緩解河道干旱干涸現象。

抗凍植被混凝土是由普通植被混凝土材料的技術優化形成，具備較優的工作性能、力學性能以及耐久性性能，尤其是透水性和抗凍性優于常規植被混凝土[1-3]。結合了工程學科與土壤、植物學科的生態護坡技術，適用于遼寧地區寒冷條件下河道邊坡的支護工作。該水庫是一座大型平原水庫，水源為黃河水。總蓄水面積7 km2，總庫容5260萬m3，年調蓄水量1000萬m3，水庫圍壩長11.64 km，壩高9 m。選取水庫其中400 m長坡段進行工程實踐，該段平均坡降1.3‰，夏季暴雨時期邊坡容易遭受破壞，形成水土流水。

坡岸水下部分拋填強度>MU20 MPa的超大粒徑塊石覆蓋表面，塊石分層填筑，需滿足壓實強度要求。完成拋石操作后進行砌筑工作，形成塊石點對點、面對面的緊密接觸。水上部分采用抗凍植被混凝土護坡，完成邊坡坡度的控制、修整和清掃，并去除樹根、垃圾等雜物，回填沉陷的基坑等。

植被混凝土采用0.3 m×0.3 m框格梁進行分格施工，將土工布按尺寸剪裁鋪滿整個坡面，利用框格梁對其錨固穩定。為保證多孔混凝土膠凝材料的力學強度，制備抗凍植被混凝土使用普通P·O 42.5級硅酸鹽水泥，采用16～26 mm的多粒徑極配破碎卵石作為粗集料組成，并加入單絲塑鋼纖維和聚丙烯腈纖維以改善植被混凝土的抗折強度、抗凍融循環能力、抗裂性能以及抗腐蝕性能。為減少膠凝材料用量，保證抗凍植被混凝土的工作性能，研究采用聚羧酸高效減水劑。具體摻量結合抗凍植被混凝土制備時的坍落度以及擴展度進行調整。采用裹漿法進行混凝土攪拌，粗集料與70%用水攪拌均勻后加入纖維、膠凝材料及剩余用水，振搗均勻后進行混凝土澆筑，并制取試塊測定性能指標。混凝土澆筑工程28 d以后，因為水泥的主要成分是硅酸鹽屬于堿性的物質，水泥具有一定的堿性。為了給植被提供適宜的生長環境，對抗凍植被混凝土進行降堿處理，并在多孔混凝土孔隙中噴灌植生基材[4-5]。

然后覆蓋土壤基質并對土壤基質分層壓實，每層高度高1 cm，總共壓實5層，隨后鋪設草皮。綜上，抗凍植被混凝土整體施工工藝流程如圖1所示。

圖1 抗凍植被混凝土施工工藝流程

1.2 抗凍植被混凝土試驗指標測度與正交試驗方案設計

使用便攜式10 m2模擬降雨器XZ999-QYJY-503來模擬和控制整個降雨過程，降雨半徑為2.5～3.0 m，試驗模擬降水1 h，收集護坡被沖刷下來的雨水泥沙混合物，標號后靜置稱重。為測試抗凍植被混凝土的護坡性能，研究引入徑流侵蝕量、下滲侵蝕量、降雨入滲量以及入滲系數作為評價指標，徑流侵蝕量、下滲侵蝕量分別表示坡面與混凝土墊層之下滲出雨水泥沙混合物完全烘干后的剩余重量；降雨入滲量表示墊層底部的混合物重量減去下滲侵蝕量的重量。入滲系數KT的計算公式見式(1)：

(1)

式中：QT為一定時間降雨入滲量，mm/h；DT為一定時間降水總量，mm/h。

正交試驗設計法是研究和處理多因素試驗的一種科學方法。利用規格化的正交表，科學公平地在所有試驗方案中均衡挑選出少數代表性較強的試驗方案，通過判斷極差大小對試驗結果進行分析選出最優試驗方案，同時還可得到各個影響因素的影響主次。正交表設計均衡分散，試驗次數較少，所選試驗方案代表性較高。正交試驗的數據統計分析結果可靠性優于簡單比較法。試驗設計根據因素數和水平數來選擇合適的正交表，每個表的符號定義見式(2)：

L=Ln(rm)

(2)

式中：L為正交表代號；n為需要做試驗的次數，即正交表橫行數；r為因素水平數；m為安排因素個數，即正交表列數[6-7]。

正交試驗忽略了因素間的交互作用，所選正交表為L=L16(43)。影響土壤侵蝕程度以及滲透的因素水平眾多，研究將邊坡坡度、降雨強度以及土壤基質狀況作為3種因素列入考慮范圍，如表1所示。

表1 因素水平

由表1可見，邊坡坡度水平的設置根據工程常見坡度水平設置，降雨強度設置4個水平等級，降雨強度反映了坡面雨水徑流強度與流量，雨水的沖刷作用考驗坡面土壤的抗侵蝕能力，最低降雨強度設為30 mm/h；土壤基質選擇含水率約23%的土壤、12%的沙土進行對比，分別考慮植草和無草兩種情況。根據正交因素水平表確定了正交試驗方案設計，設計結果如表2所示[8]。

表2 護坡性能正交試驗方案設計

2 生態護坡施工效果分析

2.1 護坡徑流侵蝕分析

根據正交試驗結果計算各因素的極差，由極差大小確定影響程度的主次順序，得到最優試驗方案。對于邊坡徑流侵蝕的影響，各因素極差大小分別為123.7 g/m2、184.2 g/m2、187.5 g/m2，由此可知，C因素土壤基質狀況對徑流侵蝕量的影響最顯著，實際工程施工時應優先考慮土壤基質狀況對護坡工程的影響。分析三個因素對徑流侵蝕的影響規律，試驗結果如圖2所示。由圖2可知，徑流侵蝕量隨邊坡坡度的增大以及降雨程度的增加而增大。坡度大小在1∶2.5～1∶2.0的范圍內，徑流侵蝕增長幅度較小；坡度繼續增加，徑流侵蝕增長幅度驟然達到了219.07%。當雨水沖刷坡岸時，坡度越陡，雨水徑流流量越大，土壤穩定性越差，因而徑流侵蝕量越大。當坡度繼續增大至1∶1.0時，徑流侵蝕的增長幅度減緩，這是由于坡度達到一定程度，接收雨水的水平面投影面積減小，一定程度緩解了坡度增加導致的徑流侵蝕增大。降雨強度代表了單位時間降雨量的多少，降雨量直接決定雨水對坡岸的沖刷程度，當降雨在30～40 mm/h時，徑流侵蝕量大致處于20～40 g/m2的范圍，位于較低水平；當雨量超過50 mm/h，徑流侵蝕量陡增，雨水沖刷作用增大，可在坡岸表面沖刷出小型溝壑等凹陷區域，小型溝壑隨著降雨沖刷時間的延長不斷發育，徑流侵蝕繼續增大。對于四種不同的土壤基質不論是沙土或是壤土，植草后明顯降低了徑流侵蝕量，最大減小幅度達90.64%，且植草對于沙土的改善優于壤土。但壤土本身的性質更利于抵御徑流侵蝕，因此適宜的土壤基質的取材有利于生態護坡工程的施工效果。綜合考慮，當邊坡坡度為1∶2.5，土壤基質為植草壤土時，護坡的徑流侵蝕量最小，不考慮不可控因素降雨量大小時，最優試驗組合為A1C4。

圖2 徑流侵蝕量的影響趨勢

2.2 護坡下滲侵蝕試驗結果分析

雨水通過對無孔混凝土結構進行下滲，帶走土壤基質，導致水土流失。對于邊坡下滲侵蝕的影響，各因素極差大小分別為42.3 g/m2、21.7 g/m2、92.3 g/m2，試驗結果如圖3所示。由圖3可見，土壤基質狀況對下滲侵蝕的影響最為明顯，邊坡坡度的大小影響程度次之，工程施工應用時，應優先考慮坡面坡度與土壤基質類型。與徑流侵蝕影響規律一致，降雨強度越大，下滲侵蝕作用越強。當降雨量處于30～40 mm/h范圍內，降雨強度的變化對下滲侵蝕的影響較為明顯，隨著降雨量的增大，下滲侵蝕量減小。降雨會增加土壤基質的含水量，當含水量增加至一定值時，土壤顆粒之間的黏聚力受損，土壤顆粒隨雨水下滲，形成下滲侵蝕。降水量增加30 mm/h，下滲侵蝕增加21.7 g/m2。坡度增大帶給下滲侵蝕的影響與徑流侵蝕相反，邊坡坡度越陡，下滲侵蝕越小。無植草壤土基質下滲侵蝕量最高，達96.4 g/m2，下滲雨水帶走了較多的壤土顆粒；植草的沙土下滲侵蝕最弱，僅4.1 g/m2。沙土土壤基質的抗下滲侵蝕能力始終高于壤土基質，沙土的粒徑較壤土粒徑大，當雨水下滲時，較大粒徑的沙土不易穿過混凝土的空隙。植草后，兩種土壤基質的抗下滲侵蝕能力均有提升，壤土下滲侵蝕量降低了86.1 g/m2，沙土降低了22 g/m2。植物根系有利于土壤結構的穩定，根系緊緊抓住了松散的土壤顆粒，土壤結構更加密實，對于雨水的沖刷抵御性更強。因此，考慮下滲侵蝕的抵抗，最優試驗方案為A4C3。

圖3 下滲侵蝕量的影響趨勢

2.3 護坡滲透性能試驗結果分析

降雨入滲量的各因素極差大小分別為10.1 g/m2、15.2 g/m2、19.8 g/m2，入滲系數的各因素極差大小分別為24.3%、17.4%、56.3%，滲透性能試驗結果如圖4所示。由圖4可見，土壤基質情況對降雨入滲量、入滲系數影響最顯著，采用植草壤土降雨入滲量最大，為22.4 g/m2；隨降雨強度增大，降雨入滲量增加，最大為22.7 g/m2；坡度越小，降雨入滲量越大，最高為17.8 g/m2，考慮降雨入滲量設計最優試驗方案為A1C4。坡度的增加會降低雨水入滲量，坡面情況一致時，坡度越陡雨水的徑流量越大、流速越快，從而滲入土壤內部的雨水減少。但入滲系數的變化并不是單一的遞減關系，入滲系數是降雨入滲量與降水總量的比值，坡度增加同時影響了降雨入滲量與護坡垂直方向投影面積的降雨量，因此坡度在1∶2.5～1∶2.0范圍內，隨坡度的增加，入滲系數反而提升。隨降雨強度增長，滲透系數先減小后增大，當降雨在40 mm/h時，入滲系數最低為36.2%。植草沙土的降雨入滲量和入滲系數最低，分別為2.6%、10.9%；植草壤土的降雨入滲量最高為22.4 g/m2。植草與不植草兩種情況下，壤土的入滲系數均高于沙土的入滲系數，沙土的顆粒粒徑較大，阻礙了雨水的滲透。植草后，壤土的降雨入滲量提升了2.2 g/m2，植物根系的交錯使得雨水在坡面停留時間，降雨入滲量增加。

圖4 滲透性能的影響趨勢

3 結 論

研究使用了抗凍植被混凝土對河道邊坡進行支護，正交試驗結果表明，土壤基質狀況對土壤侵蝕與滲透性影響最為顯著。坡度增加，徑流侵蝕量逐漸增大，最大增幅219.07%；下滲侵蝕和降雨入滲量隨坡度增大而減小。降雨強度增大導致徑流侵蝕量增加，下滲侵蝕作用增強。植草土壤基質可降低徑流與下滲侵蝕量，徑流侵蝕最大降幅達90.64%，壤土下滲侵蝕量降低86.1 g/m2；沙土土壤基質的抗下滲侵蝕能力較強，壤土的入滲系數較高，植物交錯的根系可有效抵御下滲侵蝕。抗凍植被混凝土在該地區河道邊坡支護工程運用效果良好，但試驗還需對因素交互影響進一步研究。