半个世纪以来,随着人类亲近自然、回归自然的观念日渐强烈,各种新型生态护坡技术的应用快速发展。日本自20世纪80年代提出亲水性观点后,就在河床生态型护岸技术上进行了大量的科研和实践活动,相继推出了一系列生态型护坡结构和护岸材料,如萤火虫护岸和生态水泥等。近年来,结合河道综合整治要求,我国生态型混凝土护坡逐渐发展应用起来。细骨料生态型混凝土护坡是使用专用机械将生物活性添加剂、水泥、石子、植生基材、保水剂、黏合剂、微生物肥料、活性菌落和植物种子等按一定比例混合后附着到有锚固了土工格室网的坡面上的一种地被植物建植技术;粗骨料生态型混凝土护坡是利用加有添加剂的硅酸盐水泥把粒径均匀的粗骨料稳固成型,使用专用机械将土壤、保水剂、黏合剂、微生物肥料、生物活性添加剂和植物种子存储在粗骨料间孔隙中的另一种植物建植技术。

1护坡机理

1.1细骨料生态型混凝土

细骨料生态型混凝土共分为两层。(1)下部有机客土层,厚5cm。有机客土主要成分有生物活性添加剂、草炭、石子、保水剂等,此层土与坡面原状土接壤,一方面为植物后期生长提供充足养分,使深根系穿透客土层,另一方面促使植物根系在客土层横向纠结形成三维立体根系网络,起到整体固土作用;(2)上部土工格室层,厚10cm。在回填客土上覆盖固定10cm高的带孔土工格室,底部先回填5cm细骨料混凝土,上部为含有草种的细骨料混凝土采用喷播植草技术喷射到土工格室内。具孔的土工格室一方面可以使植物生长根系横穿,起到良好土壤加筋作用,加强细骨料生态型混凝土的抗冲刷能力,另一方面还可以渗透土壤中的水分,保证植物生长的良好环境,使得植被层尽早形成稳定群落结构。

1.2粗骨料生态型混凝土

粗骨料生态型混凝土分为二层。(1)下部为无砂混凝土骨料,厚10cm。主要为粒径3~4cm的均匀级配碎石,通过有添加剂的普通硅酸盐水泥胶结在一起作为骨架,孔隙率在25%~35%,空隙中充填营养客土。骨料空隙中为喷植的营养客土,此部分填充的营养材料可给植物初期生长提供充足的养分和水分,空隙也可使植物根系后期充分生长,穿透本层与下部土壤充分接触,保证植物生长的持久性。(2)上部为营养客土层,厚2cm。本层的营养客土成分主要有土壤、保水剂、黏合剂、微生物肥料、土壤活性添加剂和植物种子等。本层的营养客土为植物生长初期提供了良好的生长环境和充足的养料,填充方法也采用喷播植草技术。

2护坡材料的特性

2.1细骨料生态型混凝土

(1)三维立体结构有助于坡面整体稳固。细骨料植生态型混凝土的骨架采用土工格室,土工格室侧面带孔,在坡面上形成一个水平网格结构,垂直坡面一方面有铆钉锚固,另一方面植物生长后根系扎入下部土壤,也与坡面形成稳固的竖向网状结构。这样植物在发芽后,根系纵横延展,在平行坡面和垂直坡面的方向上都有植物强大根系组成三维立体网,使得喷播层和坡体紧密而有机结合,不会剥落,完全满足坡面稳固要求。(2)喷播植草技术有利于提高工作效率。喷播植草技术目前从植物配置、基质配方、材料准备、施工组织等方面均相当成熟,细骨料生态型混凝土表层用喷播植草方式施工,不仅可以节约大量的人力物力,施工坡面也有一定强度和稳定性,不龟裂,抗冲刷,施工进度快,工作效率较高。(3)生物活性添加剂增加了土壤生物活性。活性添加剂主要成分为EM(EffectiveMicroorganisms)有效微生物,它可以降低由于使用水泥带来的土壤碱性增大,最大程度上保持土壤微环境的活性,促进植物根系生长和营养吸收。EM有效微生物菌落在客土层能自行分解落叶、枯枝等各种有机体,又能加速土壤中各种污染物的分解,降低化肥、农药等造成水体污染的可能性,既有利于水体安全保护,又利于环保生态和景观美化。

2.2粗骨料生态型混凝土

(1)级配碎石结构具有较强的抗压、抗冲刷能力。由于大骨料生态型混凝土的骨架为级配碎石,靠改性水泥胶结后,28d抗压强度一般能达到10~25MPa,抗压、抗冲刷能力较强,且不易变形。(2)使用专用添加剂改善混凝土的盐碱度。普通硅酸盐水泥配制的混凝土pH值约在1215~1315,植物根系会腐烂无法正常生长,一般草种如狗牙根,黑麦草,紫羊茅,白三叶等最适合的pH值在5~7,因此要添加专用添加剂来中和普通混凝土的盐碱程度,达到能适合草本植物正常生长的碱性水环境。专用添加剂主要成分为甲基丙烯酸、聚羧酸盐、甲基纤维素、木质黄酸盐、CaC12等,按水泥用量的3%~6%添加[2]。(3)采用喷播植草可以增加空隙密实度、提高工作效率。粗骨料生态型混凝土最后一道程序也采取了喷播植草技术,喷播植草由于有一定的压力,可以增加粗骨料之间缝隙的密实度,多填充一些营养土,既有一定的保水性,又增加了肥效,有利于后期植物生长。(4)生物活性添加剂增加了土壤生物活性。粗骨料生态型混凝土营养客土层也添加了生物活性添加剂,生物活性添加剂提高土壤生物活性改善土壤理化性质,加之常年花草、季节花草混播,枯枝落叶分解为肥料,朝着有利于植物多年循环生长的方向发展。

3材料选择

3.1细骨料生态型混凝土

细骨料生态型混凝土护坡的主要材料有。(1)符合5SL/T235-19996质量标准的土工格室,其中格室压花距离为30cm@30cm,片材高10cm,片材打孔以利于植物根系横向传透,孔径5mm。(2)锚杆:锚杆为512的螺纹钢筋,长50cm。(3)壤土:根据土壤质量分析成果,江油当地农田腐殖土具有充分的养分,设计选用此作为基质配比壤土。(4)草种:黑麦草(4g/m2),狗牙根(3g/m2),波斯菊(2g/m2)。

3.2粗骨料生态型混凝土

粗骨料生态型混凝土护坡的主要材料有:(1)骨料:碎石粒径3~4cm,抗压强度3~8MPa。(2)水泥:普通硅酸盐水泥,用量一般在104~270kg/m3,抗压强度一般在2~10MPa。(3)壤土:根据土壤质量分析成果,江油当地农田腐殖土具有充分的养分,设计选用此作为基质配比壤土;(4)草种:黑麦草(4g/m2),狗牙根(3g/m2),高羊茅(2g/m2)。

4对比选用

/豫江大堤0综合整治工程是/5#120汶川地震后河南省对口支援江油市恢复重建的/交钥匙0项目之一,也是河南省援建江油投资最大的单体工程。工程范围为江油市涪江一桥与涪江二桥附近、涪江一桥下游右岸及涪江二桥上游部分河段,工程项目包括堤防整治61015km、河道疏浚115km、生态修复641917万m2,滨河景观17155万m2等,工程总投资约215亿元。重建后的豫江大堤防洪标准提高至50年一遇。为了保证河道的防洪安全,在50年一遇洪水位以下采用混凝土面板防护,为了修复河流的生态环境,在50年一遇洪水位以上需采用生态型混凝土进行防护。根据护坡机理、护坡特性及选用材料进行比较:从整体效果上看,细骨料生态型混凝土和粗骨料生态混凝土都可以起到有效防止水土流失,保证植物正常生长,发挥生态功能的作用;从适应性上看,细骨料生态型混凝土柔性好,能适应坡面较小变形,粗骨料生态型混凝土抗压、抗变形能力好,不适应坡面变形;从抗冲刷能力上看,细骨料生态型混凝土基质为土较松散,不抗冲刷,粗骨料生态型混凝土骨料胶结较好,抗冲刷能力强;从投资上看,细骨料生态型混凝土80~100元/m2,粗骨料生态型混凝土120~140元/m2,粗骨料生态型混凝土较贵。综合考虑,本工程选用细骨料生态型混凝土作为河道50年一遇洪水位以上护坡防护型式。

5细骨料生态型混凝土护坡的施工流程

细骨料生态型混凝土护坡的施工工序为:(1)清理平整边坡表面:清除坡面淤积物、浮石,使坡面尽可能平整,使坡面有利于植被混凝土和坡面的完全结合。(2)将粉碎过筛的干燥土壤、腐殖质、保水剂、草炭、生物活性添加剂等基材混合搅拌摊铺在工作面上压实,厚度5cm。(3)土工格室铺设:按100cm@100cm间距在坡体植入512锚杆,锚杆长50cm,植入地面以下35cm;铺设、固定土工格室,调平拉紧,在边坡平台处采用钢筋固定,确保土工格室稳定。相邻的两幅土工格室需搭接012m,并沿横向对土工格室搭接部分每隔1m用8号铁丝进行穿插连接,并在铺设的格室上,每隔1m用钢筋固定于地面。土工格室铺设时,横向搭接和纵向搭接长度满足土工材料施工规范要求。(4)回填基质:基质回填厚度为5cm,夯实,并按1m@1m间距分布,地面以上10cm安装锚杆。其中,基质配比在土壤质量分析的基础上进行配比,基质配方见表1。(5)细骨料混拌物填充:采用喷射5cm的工法将经过按设计比例充分混拌各种绿化基材、种子和壤土等细骨料混拌物填充格室,喷射基质配比表见表2。

6细骨料生态型混凝土护坡的实施效果

建成后的豫江大堤生态护坡,绿草茵茵,鲜花盛开,不仅改善了江油市区的生态环境,也为市民提供了休闲、旅游、娱乐的好去处,真正实现了/保障河道防洪安全、修复河流生态环境、营造滨江景观空间、反映两地历史文化、体现豫江人民友谊0的整治目标。

通过对比分析,细骨料生态型混凝土护坡更适用于豫江大堤的生态防护,为生境营造创造了条件,在水陆生态系统间架起了一道桥梁,对两者间的物质流、能量流、生物流发挥着廊道、过滤器和天然屏障的功能。细骨料生态型混凝土护坡在治理水土污染、控制水土流失、加固堤防、提高生态系统生产力、调节微气候和美化环境等方面发挥着巨大的作用。