顧向陽(yáng)，顧竹珺，李飛鵬，朱元中，陶　紅

(1.上海市崇明區(qū)農(nóng)村水利管理所，上?！?12150；2.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上?！?00093)

崇明島以建設(shè)和發(fā)展世界級(jí)生態(tài)島為主要目標(biāo)。然而由于部分城鄉(xiāng)中小河道水動(dòng)力不足，河道底泥長(zhǎng)期不能得到有效疏浚，大量污染物、營(yíng)養(yǎng)鹽累積在底泥中，在水力擾動(dòng)下釋放到上覆水，導(dǎo)致河道水質(zhì)惡化；再加上地表徑流、農(nóng)村分散式生活廢水和畜禽養(yǎng)殖污水的排放，進(jìn)一步加劇了河道污染，引起河道黑臭[1-2]。崇明河道坍塌的主要表現(xiàn)形式為坡蝕、溝蝕以及重力侵蝕[3]，主要是由于崇明的土壤為沙洲沖積土，下層的砂性土土質(zhì)顆粒渾圓光滑不具棱角，疏松狀態(tài)下顆粒間摩擦小，在地下水滲透水流的作用下，很容易發(fā)生坍塌；船體航行的船行波、降雨沖刷以及植被破壞等也是造成河坡坍塌、河床淤淺的重要原因[4]。生態(tài)型護(hù)岸成為了當(dāng)前城鄉(xiāng)中小河道治理的發(fā)展趨勢(shì)[5]。生態(tài)護(hù)岸改變了傳統(tǒng)護(hù)岸只注重安全性和耐久性，隔斷水生和陸生生態(tài)系統(tǒng)之間聯(lián)系的不足[6-7]，是利用植物或植物與土木工程相結(jié)合的一種“可滲透”的新護(hù)岸形式，這種護(hù)岸可以充分保證河岸與水體之間的水分交換和調(diào)節(jié)功能[8-9]，增強(qiáng)河道的自凈能力，改善水環(huán)境。目前崇明常用的護(hù)岸型式主要有樁板式護(hù)岸、漿砌塊石擋墻、綠化混凝土、生態(tài)石籠、連鎖塊、生態(tài)袋等[4,10]，河道各功能發(fā)揮的基礎(chǔ)依賴于護(hù)岸材料的生態(tài)健全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。已有研究提出將疏浚底泥固化材料用于河道生態(tài)設(shè)計(jì)的理念[11]，即以河道底泥為原料，基于固化穩(wěn)定化技術(shù)，既可以穩(wěn)定重金屬不遷移入環(huán)境中，又可以使其具備一定強(qiáng)度制備成砌塊和吸附材料等。盡管從理論上來(lái)講該技術(shù)已頗為成熟，但鮮有應(yīng)用于河道生態(tài)恢復(fù)的中試研究或者工程實(shí)踐。

本研究以上海市崇明區(qū)港沿鎮(zhèn)某獨(dú)立河段為研究對(duì)象，采用固化穩(wěn)定化技術(shù)將河道疏浚底泥制備成砌體和吸附材料，原位應(yīng)用于崇明河道護(hù)岸生態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)踐，考察了實(shí)際工程的生態(tài)安全性，旨在驗(yàn)證底泥制備材料在河道護(hù)岸工程中的應(yīng)用效果，為河道實(shí)際工程的生態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)河道的綜合治理和生態(tài)恢復(fù)。

1　河道概況

該河道位于崇明港沿鎮(zhèn)馬橋中學(xué)旁(E121°38'49.0992"，N31°35'33.6372")，河道周邊環(huán)境以農(nóng)田為主，一面靠近學(xué)校。河道在修復(fù)前，水流侵蝕邊坡導(dǎo)致土壤基質(zhì)流失嚴(yán)重，邊坡周邊普遍存在農(nóng)民私自耕種輪作的現(xiàn)象，土壤性質(zhì)被農(nóng)藥肥料及腐爛的農(nóng)作物根系改變；同時(shí)，由于坡面流和縱向水流的協(xié)同作用，水位變動(dòng)區(qū)域水土嚴(yán)重流失，致使河岸帶基礎(chǔ)部分不穩(wěn)定，河道周圍植株稀疏，雜草叢生，還產(chǎn)生了一定程度的邊坡向河中央滑移、河床抬高和近水河床裸露等問(wèn)題。

2　河道生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)方案

2.1　底泥固化穩(wěn)定化技術(shù)

底泥固化和穩(wěn)定化是通過(guò)添加水泥、其他添加劑等，利用水泥的水化反應(yīng)將底泥封裝包裹，使底泥膠結(jié)行成具有一定強(qiáng)度的安全耐久性工程材料。該方法在改善底泥物理性質(zhì)的同時(shí)穩(wěn)定底泥中的污染物，使其不易遷移進(jìn)環(huán)境中，是實(shí)現(xiàn)河道底泥資源化利用的有效處理方式。

河道護(hù)岸和護(hù)坡的砌筑砌塊以及多孔材料均采用工程河道內(nèi)的疏浚底泥作為原料。砌筑砌塊材料(圖1)中基礎(chǔ)部分的配比為固化劑D，容重為0.4，水泥與底泥比為0.06，7 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到750 kPa；護(hù)岸砌筑部分(圖2)的配比為固化劑GH，容重為0.4，固化劑與底泥比為0.30，7 d抗壓強(qiáng)度為1 890 kPa。砌筑砌塊材料的抗壓強(qiáng)度等級(jí)、抗剪強(qiáng)度等級(jí)、容重比等均滿足《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》(RISN-TG003-2007)。

圖1　河道基礎(chǔ)砌筑建材生態(tài)磚

圖2　河道護(hù)岸砌筑輕質(zhì)生態(tài)磚

砌筑建設(shè)所需多孔材料(圖3)的配比為發(fā)泡劑GH，容重為0.7，水泥與底泥比為0.4，抗壓強(qiáng)度為380 kPa，透水率為0.7×10-2cm/s，平均孔隙率為27%。砌筑建設(shè)所需多孔材料的密度等級(jí)、抗壓強(qiáng)度等級(jí)、抗剪強(qiáng)度等級(jí)、透水率、透水飽和率均滿足《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》(RISN-TG003-2007)和《輕集料及其試驗(yàn)方法-第1部分：輕集料》(GB/T 17431.1—2010)中的要求。

圖3　河道護(hù)坡砌筑多孔材料

2.2　河道護(hù)岸生態(tài)設(shè)計(jì)

河道護(hù)岸生態(tài)設(shè)計(jì)工程總長(zhǎng)度為60 m，水面總面積為180 m2。河道護(hù)岸和護(hù)坡的生態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)邊坡的抗沖蝕和抗滑動(dòng)能力，減少水土流失，維持坡面坡型，采用的砌筑材料應(yīng)具有良好的透水性，不僅能夠保障植物生長(zhǎng)，而且能提高植物和微生物的棲息質(zhì)量，以達(dá)到恢復(fù)河道自然生態(tài)的目標(biāo)[6,12]。河道邊坡護(hù)岸按照結(jié)構(gòu)性質(zhì)分類，一般可分為非結(jié)構(gòu)性和結(jié)構(gòu)性，非結(jié)構(gòu)性邊坡適合坡度較緩且水流平緩的河段，結(jié)構(gòu)性邊坡則適于坡度水流中等或較強(qiáng)的河段[13]。根據(jù)河岸的原始情況和景觀需求，本研究設(shè)計(jì)了圖4的結(jié)構(gòu)型護(hù)岸。在修復(fù)邊坡生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程中，恢復(fù)植物帶是一種重要的河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)措施，河道水生植物可以有效吸收河水中的營(yíng)養(yǎng)鹽，改善河水水質(zhì)，提高河水自凈能力[14]；同時(shí)，水生植物對(duì)水流具有消能和防沖作用，可形成保護(hù)性的岸邊帶，減少水中的夾砂含量；較大面積的綠植可以削減地面徑流污染，涵養(yǎng)水分，起到調(diào)節(jié)小氣候，改善周圍生境的重要作用[15]。因此，在本設(shè)計(jì)中，護(hù)岸護(hù)坡和近岸河道分別移植和栽種了草皮、挺水植物和沉水植物。

原始河岸土壤基質(zhì)不穩(wěn)定，必須經(jīng)過(guò)底部基礎(chǔ)處理后，才可以保證河岸和邊坡的工程質(zhì)量和使用壽命。在設(shè)計(jì)中，近岸處的河床底部采用置石或建筑廢料、廢木材等進(jìn)行加固。各部分的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

以《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)中的堤防工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行砌筑?；A(chǔ)砌筑部分長(zhǎng)60 m，斷面寬度為0.8 m，斷面深度為0.5 m。由于原始河岸土質(zhì)疏松，為加強(qiáng)河岸的抗沖刷能力，護(hù)岸基礎(chǔ)砌筑部分使用生態(tài)磚，挺水植物和沉水植物種植在空隙及延伸處；上層護(hù)岸砌筑長(zhǎng)60 m，斷面寬度為0.4 m，斷面深度為0.5 m，采用輕質(zhì)生態(tài)磚，挺水植物種植在空隙及延伸處；護(hù)坡整治長(zhǎng)60 m，斷面寬度為1 m，斷面深度為0.1 m，在護(hù)坡土層平整好后，采用河道底泥攪拌固化劑后直接平鋪澆筑于土層之上，澆筑高度為0.1 m，再以綠化草皮覆蓋，攪拌時(shí)加入發(fā)泡劑使材料多孔，通過(guò)對(duì)草皮的養(yǎng)護(hù)，不影響植物的自然生長(zhǎng)，逐步接近自然狀態(tài)。

表1　整體護(hù)岸護(hù)坡設(shè)計(jì)參數(shù)

以護(hù)岸近水和護(hù)坡為區(qū)域劃分，近水種植美人蕉(Cannageneralis)、花葉蘆葦(Mosaicreed)，每株種植距離為20 cm，護(hù)坡鋪設(shè)草皮，保證河岸自然生境和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和發(fā)展。

3　工程分析方法

現(xiàn)場(chǎng)選取地基水下部分、護(hù)岸水下部分、護(hù)岸平臺(tái)以及護(hù)坡砌筑材料制備直徑61.8 mm、高20 mm的試塊各12塊，共48塊，采用電動(dòng)等應(yīng)變直剪儀測(cè)點(diǎn)試塊抗剪切力。砌塊安全性檢測(cè)采用《固體廢物浸出毒性浸出方法醋酸緩沖溶液法》(HJ/T 300—2007)，由NexION 300X ICP—MS(PE公司)測(cè)定分析重金屬含量。分別于2016年8月～10月，在中心河道使用便攜式水質(zhì)測(cè)定儀(WTW Muti 350i)進(jìn)行測(cè)試，分析pH、溶解氧、電導(dǎo)率等水質(zhì)指標(biāo)。

4　工程效果分析

該河道護(hù)岸生態(tài)設(shè)計(jì)的施工工程于2016年8月結(jié)束。在8月～10月期間，對(duì)工程砌筑的剪切強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)，對(duì)工程范圍內(nèi)的河道pH等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了連續(xù)7次檢測(cè)。

由圖5可知，地基部分底泥材料的平均抗剪強(qiáng)度為252.74 kPa，護(hù)岸水下部分的平均抗剪強(qiáng)度為308.76 kPa，護(hù)岸平臺(tái)部分的平均抗剪強(qiáng)度為371.495 kPa。隨著時(shí)間變化，生態(tài)磚的總體抗剪強(qiáng)度稍有下降，主要原因可能是工程在14～8 d遇到了連續(xù)強(qiáng)降雨，雨水的沖刷和長(zhǎng)時(shí)間浸泡使材料的固化過(guò)程受到影響，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度下降；生態(tài)磚的抗剪強(qiáng)度在28～90 d逐漸趨于穩(wěn)定，表明降雨結(jié)束后水位下降，未受到浸泡影響的生態(tài)磚的固化過(guò)程逐漸完成。圖6表明底泥磚在90 d的內(nèi)摩擦角沒有發(fā)生太大的變化，說(shuō)明底泥磚本身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，未受到破壞，這也說(shuō)明剪切力的下降和砌塊本身關(guān)系不大，可能是受到外部環(huán)境變化造成的。

圖5　護(hù)岸砌筑部分剪切力變化

圖6　護(hù)岸砌筑部分內(nèi)摩擦角變化

圖7　護(hù)坡部分剪切力和內(nèi)摩擦角變化

由圖7可知，護(hù)坡的平均剪切強(qiáng)度為7.84 kPa。28 d時(shí)，護(hù)坡的剪切力和內(nèi)摩擦角出現(xiàn)明顯的下降，原因其一可能是14～28 d期的連續(xù)強(qiáng)降雨使護(hù)坡的固化受到了影響；其二是由于河道位于學(xué)校后面，28 d時(shí)學(xué)校已經(jīng)開學(xué)，學(xué)生在岸坡上的活動(dòng)一定程度上干擾了工程的養(yǎng)護(hù)以及植被的生長(zhǎng)恢復(fù)。28～90 d，經(jīng)過(guò)工程養(yǎng)護(hù)和修補(bǔ)以及減少學(xué)生活動(dòng)，植被根系逐漸發(fā)育，抗剪強(qiáng)度也隨之增大，但總體增強(qiáng)程度不高，原因可能是臨近秋季，植被生長(zhǎng)能力下降[16]。

護(hù)岸護(hù)坡整體工程采用砌筑材料的7～90 d浸出毒性如表2所示，均滿足《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)，說(shuō)明污染物穩(wěn)定性良好，各污染物浸出毒性也遠(yuǎn)低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的III類水標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明砌筑材料均具備環(huán)境安全性。

表2　護(hù)岸護(hù)坡工程采用砌塊材料的7～90 d浸出毒性

固化過(guò)程中使用了水泥，水泥為強(qiáng)堿性物質(zhì)，若釋放到水體中，會(huì)對(duì)水體微生物生態(tài)造成危害。但該生態(tài)護(hù)坡工程河道水質(zhì)的pH值總體保持在8左右，呈弱堿性狀態(tài)，說(shuō)明固化后的底泥材料不會(huì)對(duì)河道的微生物系統(tǒng)造成破壞。種植于水中的美人蕉、蘆葦?shù)戎参锷L(zhǎng)狀態(tài)良好，在種植3周后有30%的植株開花，護(hù)坡鋪設(shè)草皮生長(zhǎng)迅速，全面覆蓋護(hù)坡區(qū)域。生態(tài)恢復(fù)效果情況與上海市嘉定區(qū)北潮塘河段的河道工程類似[12]。

該中試工程將疏浚底泥固化后的材料用于河道生態(tài)設(shè)計(jì)中，與多數(shù)利用混凝土預(yù)制的仿自然型生態(tài)護(hù)坡、土質(zhì)類護(hù)岸設(shè)計(jì)不同，既保證了邊坡的穩(wěn)定，減少了水土流失，又促進(jìn)了河道水體自凈能力的恢復(fù)，從而達(dá)到河道與周邊環(huán)境自然修復(fù)的良性循環(huán)。同時(shí)，將底泥制材用于建設(shè)生態(tài)河道，不僅使得河道內(nèi)源污染削減[17-18]，也實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)循環(huán)的河道生態(tài)系統(tǒng)目標(biāo)，彌補(bǔ)了現(xiàn)代河道生態(tài)設(shè)計(jì)的不足。本河道護(hù)岸中試工程的實(shí)景如圖8(a)和圖8(b)所示。在后續(xù)的研究中，還需要探索疏浚底泥固化材料的不同應(yīng)用維度，以及針對(duì)崇明中小河道的河道治理、工程設(shè)計(jì)及景觀設(shè)計(jì)過(guò)程中的多目標(biāo)利用和效果。

圖8　河道護(hù)岸中試工程前后對(duì)比 (a)施工前；(b)施工后

5　結(jié)論

以上海市崇明區(qū)港沿鎮(zhèn)馬橋中學(xué)旁的60 m小河道作為研究對(duì)象，基于生態(tài)設(shè)計(jì)理念，應(yīng)用固化穩(wěn)定化技術(shù)，進(jìn)行河道護(hù)岸生態(tài)設(shè)計(jì)的中試工程試驗(yàn)。

(1)工程主要建材為固化后的河道底泥和邊坡土壤，以《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)中的堤防工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行砌筑，在近岸河床底部采用置石或建筑廢料堆砌加固，護(hù)岸砌筑使用建材式生態(tài)磚和輕質(zhì)生態(tài)磚，護(hù)坡土層原位固化后栽種植物，最終達(dá)到了穩(wěn)定邊坡土壤、美化河道環(huán)境和恢復(fù)河道生態(tài)的目標(biāo)。

(2)該中試工程的護(hù)岸在90 d內(nèi)平均抗剪切強(qiáng)度為310.9 kPa；護(hù)坡的平均抗剪切強(qiáng)度為7.84 kPa，材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。浸出毒性符合《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)以及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的III類水標(biāo)準(zhǔn)。

(3)河道水pH保持為弱堿性，沒有發(fā)生明顯變化。河岸周圍植株生長(zhǎng)良好，植被覆蓋率上升，自然生態(tài)環(huán)境逐步恢復(fù)。

(4)將疏浚底泥應(yīng)用于河道生態(tài)修復(fù)工程中，實(shí)現(xiàn)了底泥資源化利用，達(dá)到“取之于河，用之于河”的閉環(huán)循環(huán)利用效果，為崇明建設(shè)世界級(jí)生態(tài)島、進(jìn)行河道生態(tài)恢復(fù)的計(jì)劃提供了科學(xué)依據(jù)。

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