溫文杰

(茂名市鑒江流域水利水電建筑安裝工程有限公司，廣東 茂名 511500)

中小河流的水利工程治理工作一直未得到足夠的重視，生態(tài)破壞、水污染問(wèn)題仍然廣泛存在，在一些中小河流的治理工程中，往往過(guò)度重視防洪安全穩(wěn)定性能而忽視了對(duì)兩岸生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，特別是采取簡(jiǎn)單的硬化處理極大地破壞了生態(tài)環(huán)境，這與綠色可持續(xù)發(fā)展道路相違背[1-2]。

傳統(tǒng)的護(hù)坡方式如密實(shí)型護(hù)坡、孔洞型護(hù)坡、天然植被護(hù)坡存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，密實(shí)型護(hù)坡強(qiáng)度高，密實(shí)性好，但封閉不透水，不利于兩岸植被生長(zhǎng)；孔洞型護(hù)坡在抗水流沖刷和利于植被生長(zhǎng)方面不能很好地兼顧，往往效果不是很明顯；天然植被護(hù)坡雖然綠化效果好，但抗沖性耐磨性能較差。鑒于傳統(tǒng)護(hù)坡存在的弊端，逐漸發(fā)展出幾類(lèi)新型的生態(tài)護(hù)坡，如三維土工網(wǎng)墊護(hù)坡、生態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)護(hù)坡、骨架植草護(hù)坡、土工格室護(hù)坡，但是仍然存在各種各樣的問(wèn)題，如施工質(zhì)量難以控制、使用壽命短，護(hù)坡效果一般等[3-5]。裝配式植草混凝土護(hù)坡是一種結(jié)合傳統(tǒng)護(hù)坡和新型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的新型護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式，相比其他護(hù)坡型式，具有整體穩(wěn)定性能好、施工方便，節(jié)約成本、環(huán)境美觀，生態(tài)環(huán)境效果好、消能效果好、安全性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在中小流域治理中逐漸普及，但目前該技術(shù)尚未成熟，尤其是在結(jié)構(gòu)選型方面，很多都是依靠施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，缺乏理論支撐[6-10]。

鑒于當(dāng)前中小型河道護(hù)岸治理工作存在的問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了五種結(jié)構(gòu)型式的裝配式植草混凝土護(hù)岸，并對(duì)其綠化效果和保土抗沖性能進(jìn)行了對(duì)比研究，以期為新型裝配式植草混凝土生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料選擇

裝配式植草混凝土主要由水泥、粗骨料、細(xì)骨料、礦物摻合料、化學(xué)添加劑以及水等組成。水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3.09g/cm3，細(xì)度為2.1%，初凝和終凝時(shí)間分別為195min和235min，28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為49.9MPa和8.7MPa；粗骨料為粒徑15～30mm的連續(xù)級(jí)配碎石骨料，表觀密度為2760kg/m3，堆積密度為1500kg/m3，含沙量為0.8%，針片狀含量為10.4%，吸水率為11.2%，壓碎值為6.3%；細(xì)骨料為天然河砂，表觀密度為2650kg/m3，堆積密度為1525kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.15，含泥量為2.8%；為了抑制植草混凝土內(nèi)部堿反應(yīng)導(dǎo)致pH值過(guò)大的現(xiàn)象，使用部分硅粉替代水泥，同時(shí)在混凝土中摻入SR-4添加劑(主要成分為CaCO3、SiO2)來(lái)降低混凝土的pH值，從而讓植物可以更好生長(zhǎng)；拌合水為試驗(yàn)室自來(lái)水，pH值為6.8～7.2。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，生態(tài)植草混凝土的最佳配合比為：液固比0.25，碎石1480±50kg/m3，水泥220±10kg/m3，砂200±10kg/m3，水100±5L/m3，SR-4 3±0.5L/m3，雖然此配合比滿(mǎn)足中小河流工程治理的各種性能(強(qiáng)度、孔隙率、抗沖刷強(qiáng)度、pH值等)要求，但是這種配合比所使用的骨料粒徑(20～40mm)較大，對(duì)于文章提出的裝配式結(jié)構(gòu)不太適合，因?yàn)檠b配式結(jié)構(gòu)存在許多邊角，會(huì)導(dǎo)致接觸點(diǎn)和接觸面過(guò)少而影響預(yù)制塊的整體強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致裝配式預(yù)制塊容易出現(xiàn)斷裂，因此經(jīng)過(guò)多次試配，提出適用于裝配式植草混凝土的配合比，詳見(jiàn)表1。在此配合比下，裝配式混凝土的28d抗壓強(qiáng)度為8.8MPa，pH值為8.2，有效孔隙率在25%以上，抗沖刷強(qiáng)度為0.17MPa，均滿(mǎn)足相關(guān)性能要求。

表1 裝配式植草混凝土配合比設(shè)計(jì)情況

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于文章提出的裝配式植草混凝土配合比，設(shè)計(jì)了5種結(jié)構(gòu)型式的預(yù)制塊，如圖1所示。結(jié)構(gòu)1：嵌固式通孔正六邊形，邊長(zhǎng)為16cm，厚度分別為10cm和8cm，厚度為10cm的預(yù)制塊預(yù)留邊長(zhǎng)為7.5cm的正四邊形通孔(主要作用是種植香根草)，厚度為8cm的預(yù)制塊不預(yù)留通孔，兩種不同厚度的預(yù)制塊間隔拼接，從而形成一個(gè)高差為2cm的消浪坎，可以起到消能減速的作用；結(jié)構(gòu)2：嵌固式凹槽正六邊形，邊長(zhǎng)為16cm，厚度也是10cm和8cm兩種，厚度為8cm的預(yù)制塊中間預(yù)留邊長(zhǎng)為8cm的正方形通孔，厚度為10cm的預(yù)制塊中間預(yù)留邊長(zhǎng)為8cm、高度為3cm的正四棱體凹槽，兩種厚度的預(yù)制塊間隔拼接；結(jié)構(gòu)3：嵌固式十字形，長(zhǎng)度為45cm，寬度為15cm，厚度為8cm，在預(yù)制塊中間預(yù)留厚度為13cm、邊長(zhǎng)為15cm的正四棱柱體，每條邊上均預(yù)留一個(gè)邊長(zhǎng)為5cm的等腰三角形傾角，以便在拼裝之后種植香根草；結(jié)構(gòu)4：嵌固式通孔正四邊形，邊長(zhǎng)為30cm，厚度分別為8cm和10cm，在厚度為10cm正方形預(yù)制塊中間預(yù)留邊長(zhǎng)為7.5cm的正方形通孔，兩種厚度預(yù)制塊間隔拼接；結(jié)構(gòu)5：嵌固式斜角工字形，長(zhǎng)度為46cm，寬度為20～30cm，厚度為10cm和8cm兩種，兩種厚度的預(yù)制塊間隔拼接。

圖1 裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖(單位：cm)

1.4 試驗(yàn)方案

為了選擇最佳的裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)型式，在示范河流開(kāi)展了保土抗沖性能試驗(yàn)，主要包括近岸水流流速影響試驗(yàn)、天然降雨保土抗沖性能試驗(yàn)以及河流沖刷保土性能試驗(yàn)。近岸水流流速影響試驗(yàn)主要測(cè)定五種結(jié)構(gòu)型式的裝配式植草混凝土在不同水位(0.5、1m)和流速(1.2、0.7m/s)下的流速差(消能性能)。天然降雨保土抗沖性能試驗(yàn)主要測(cè)試五種結(jié)構(gòu)型式的裝配式植草混凝土(坡比為1∶2)在40、80、100mm/h 3種雨強(qiáng)下的沖刷量。河流沖刷保土性能試驗(yàn)主要測(cè)試五種結(jié)構(gòu)型式的裝配式植草混凝土在流速為1.2m/s、水位為0.5m、坡度為1∶2條件下的累計(jì)沖刷量變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 對(duì)河道流速的影響

不同裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)型式在不同水位和流速工況下的流速差試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2中可知：不同結(jié)構(gòu)型式下，河道流速均存在一定的差值，這主要是因?yàn)檠b配式植草混凝土設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)型式為凹凸不平的形式，增加了水流流程，同時(shí)對(duì)水流形成一定的阻力作用，可以造成更多的水力沿程損失和局部損失，因而可以明顯降低近岸水流的流速；相同水位下，流速越大，流速差越大，表明高速水流在裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)中所消耗的能量越多，即流速越大，混凝土預(yù)制塊的抗沖性能越弱；相同流速下，水位越高，流速差越大，說(shuō)明在水位較高情況下，裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)河道水流具有更好的消能效果；在相同水位和流速下，結(jié)構(gòu)1(嵌固式通孔正六邊形)的流速差最大，表明該結(jié)構(gòu)型式具有最好的消能效果，在五種結(jié)構(gòu)型式中，結(jié)構(gòu)5(嵌固式斜角工字形)的消能效果最弱。

圖2 不同結(jié)構(gòu)型式流速差對(duì)比

2.2 降雨強(qiáng)度對(duì)沖刷量的影響

不同裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)型式在不同降雨強(qiáng)度下的沖刷量對(duì)比情況如圖3所示。從圖3中可知：隨著降雨強(qiáng)度的增大，相同結(jié)構(gòu)型式下的沖刷量均呈逐漸增大的變化特征，當(dāng)降雨強(qiáng)度≤80mm/h時(shí)，沖刷量隨降雨強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度不大，這是因?yàn)樵诮涤暧绊懴?，沖刷量與土的固結(jié)度有關(guān)，當(dāng)降雨未對(duì)土體固結(jié)度產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響時(shí)，其沖刷量是基本不會(huì)變化的，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到100mm/h后，降雨對(duì)土體的固結(jié)度產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性影響，從而造成大量土體被雨水沖刷掉，在降雨強(qiáng)度為100mm/h下，沖刷量可以達(dá)到降雨強(qiáng)度為80mm/h時(shí)沖刷量的3～6倍。在40、80、100mm/h 3種降雨強(qiáng)度下，結(jié)構(gòu)1(嵌固式通孔正六邊形)的沖刷量最小，表明其具有最好的保土抗沖刷能力，結(jié)構(gòu)3(嵌固式十字形)的保土抗沖刷能力最差。

圖3 不同結(jié)構(gòu)型式在降雨作用下沖刷量對(duì)比

2.3 不同結(jié)構(gòu)型式抗河流沖刷

不同裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)型式預(yù)制塊的河流累計(jì)沖刷量變化規(guī)律如圖4所示。從圖4中可知：隨著河流沖刷的持續(xù)進(jìn)行，累計(jì)沖刷量呈逐漸增大的變化特征，且在0～20min的增長(zhǎng)幅度要大于20～40min的增長(zhǎng)幅度；在裸土邊坡條件下，經(jīng)過(guò)40min的河流沖刷后，累計(jì)沖刷量達(dá)到了33kg，而采用裝配式植草混凝土預(yù)制塊進(jìn)行鋪填后，累計(jì)沖刷量有較大的幅度降低，結(jié)構(gòu)1、2、3、4、5歷經(jīng)40min河流沖刷后的累計(jì)沖刷量分別為18.5、22.5、19.5、21.5和22.5kg，相比裸土邊坡，累計(jì)沖刷量分別降低了43.9%、31.8%、40.9%、34.8%和31.8%，就河流抗沖刷性能而言，仍然是結(jié)構(gòu)1(嵌固式通孔正六邊形)的效果最好，結(jié)構(gòu)3(嵌固式十字形)的河流抗沖刷性能次之，結(jié)構(gòu)2(嵌固式凹槽正六邊形)和結(jié)構(gòu)5(嵌固式斜角工字形)的河流抗沖刷性能最差。

圖4 不同結(jié)構(gòu)型式累計(jì)沖刷量變化特征

3 討論

通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)型式裝配式植草混凝土保土抗沖性能試驗(yàn)可以得出：嵌固式通孔正六邊形的消能防沖效果最好，具有更好的抗雨水沖刷和河流沖刷的效果，在保土抗沖性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，同時(shí)該結(jié)構(gòu)型式裝配式植草混凝土結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，便于施工拼裝，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的岸坡地形，在施工過(guò)程中破損現(xiàn)象較少。而嵌固式凹槽正六邊形結(jié)構(gòu)、嵌固式十字形結(jié)構(gòu)以及嵌固式斜角工字形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于現(xiàn)場(chǎng)施工拼裝，施工作業(yè)效率有所降低，且嵌固式十字形結(jié)構(gòu)型式在施工過(guò)程中破損率較高(運(yùn)輸不便造成)，因而并不適用，嵌固式通孔正四邊形雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于拼裝施工，但保土抗沖性能一般，且嵌固性一般，穩(wěn)定性不好。終上所述，采用嵌固式通孔正六邊形裝配式植草混凝土作為中小河流的護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式效果最好。

4 結(jié)語(yǔ)

裝配式植草混凝土護(hù)岸相比傳統(tǒng)護(hù)岸具有整體穩(wěn)定性能好、施工方便、節(jié)約成本、環(huán)境美觀、生態(tài)環(huán)境效果好、消能效果好、安全性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)五種不同結(jié)構(gòu)型式裝配式植草混凝土護(hù)岸的保土抗沖性能試驗(yàn)，得出嵌固式通孔正六邊形不僅在保土抗沖性能方面表現(xiàn)更加優(yōu)異，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于拼裝施工，施工過(guò)程中的破損率也較低，因而推薦嵌固式通孔正六邊形作為裝配式植草混凝土的最佳結(jié)構(gòu)型式。由于試驗(yàn)均在示范河流進(jìn)行，很多試驗(yàn)條件和參數(shù)并不能精準(zhǔn)控制，可能導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的誤差，這將在今后做進(jìn)一步的完善。