现浇透水性生态混凝土在河道边坡工程中的应用

刘 峰，颜庭成

(1．南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210093;2．江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京210007)

现浇透水性生态混凝土在河道边坡工程中的应用

刘 峰1，2，颜庭成2

(1．南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210093;2．江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京210007)

针对传统护坡工程方法在河道边坡工程生态环境保护和修复方面的缺陷，提出了新型现浇透水性生态混凝土护坡技法，优化设计了该技法组成材料，并对生态混凝土的耐久性、植生能力和净水性能进行了综合分析。通过该技法在泰州周山河河道边坡生态治理工程中的实际应用，认为所提出的现浇透水性生态混凝土护坡技法不仅能充分保证护坡工程的安全性，还可维持和改善周边生态环境与生态系统。

现浇透水性生态混凝土;配合比设计;植生;生态型护坡技法;江苏泰州

0 引言

河道边坡由于降雨、波浪冲刷以及水位升降等因素造成侵蚀，使得坡面的抵抗力变弱，常需要对淹水区边坡进行护理。对河道边坡进行防护，必须考虑边坡稳定和环境保护问题。既要保护路基边坡表面免受河水侵蚀、雨水冲刷，防止和延缓软岩土表面的风化、破碎、剥蚀演变过程来保护路基的整体稳定性;又要使工程对环境的扰乱程度减少到最小，并谋求人工构造物与自然环境相协调。传统的护坡工程常采用在过滤层上铺设抛石和现场浇筑普通混凝土两种护坡方式对淹水区边坡进行防护(吴美安，2003)。但实践证明，抛石法需要抛填大量的石块，虽然其耐风化性好且材质坚固，但整个工程需要进行高额的投资。现场普通混凝土所形成的护坡面对坡面下沉变形的应变协调性差，通常会造成自身开裂，从而造成坡面易被冲刷(尤其对于堆土材料为松软土质的淹水区坡面)。最后，采用抛石和现场普通混凝土护坡方式无法改善景观性和自然环境。针对上述传统护坡方法的缺陷，现浇透水性生态混凝土可以根据不同的功能需求，通过选择合适的粗骨料级配和细砂含量，以及不同的水灰比、外加剂来满足实际工程需要的力学强度和耐久性(刘荣桂等，2006)。同时，现浇透水性生态混凝土具有较大的透水系数和孔隙率，使其具有自然净化水质(生态清淤技术)、实现植物生长(植生)、防波浪冲刷、自然排水透水(护坡)以及消波降噪等优点，可有效改善自然生态环境以及营造城市景观。因此，对于现浇透水性生态混凝土在河道边坡的生态环境保护与修复方面，应用前景十分广阔。

1 现浇透水性生态混凝土的技术研究

1．1 材料选用

现浇透水性生态混凝土是通过选用粗骨料、水泥、耕土、粉煤灰、矿渣、有机肥、各种添加剂等拌制而成的一种多孔混凝土，其表面包裹着一薄层水泥浆的粗骨料相互粘结而形成孔隙均匀连续分布的蜂窝状结构，形成了其最主要的内部材料结构特点。因此，对试验原材料的选用(主要是水泥强度等级、组成成分、粗骨料种类、粒径以及化学添加剂性能等)就显得尤为重要。

粗骨料：单一级配的骨料，可以采用普通碎石、卵石，也可以采用浮石以及人造多孔性轻质材料，甚至可以采用废弃的碎砖、玻璃、混凝土等。骨料的粒径范围为2．5mm～25mm。

细骨料：河砂、海砂，碎石砂等，粒径范围为1.2mm～10mm。

水泥：普通波特兰硅酸盐水泥、高炉水泥B等。

保水剂：SAP高吸水树脂(简称SAP)、聚丙稀酰胺(PAM)和甲基纤维素(CMC)。

添加剂：SR-3/SR-4(生态混凝土专用添加剂，以碳酸钙、硅石粉、机能性无机盐及改性聚羧酸组成的复合物)，提高生态混凝土的力学强度和耐久性，控制和保证其物理特征(透水性、孔隙率、均一性等)，改善其内部和表面的化学特征(化学抵抗性、酸碱度、生物亲和性等)。

1．2 配合比优化设计

混凝土配合比设计是涉及混凝土生产和使用整个过程中的最重要的环节之一，由于现浇透水性生态混凝土研究和应用时间较短，到目前为止还没有一种得到广泛认同的标准方法，而普通混凝土的配合比设计(水胶比等)以保罗米公式为基础，并具体考虑混凝土强度等级、外加剂的减水效率、混凝土工作性要求等因素，形成了工程上较为通用的设计方法。本次研究基于BP神经网络模型，建立了现浇透水性生态混凝土配合比设计模型，用于指导生态混凝土配合比设计。通过不同配合比生态混凝土的实验设计，以配合比数据作为网络训练的样本，以混凝土的各组分质量和混凝土配合比参数为输入单元，建立了生态混凝土的强度、孔隙和耐久性模型。

1．3 基本物理力学性能

1．3．1 孔隙率 由于现浇透水性生态混凝土表面如米花糖状，孔隙较多，因此其孔隙率需通过特殊手法来测定：先测定试件在空气中的质量，再测定其饱水后的质量，最后求得该试件的孔隙率。具体步骤如下：体积为V的试件自然养护7d，烘干称得干重D，然后在(20+3)℃的水中浸泡41d，测得试件在水中的质量S。由公式P=(D－S)/V求得各个试件的孔隙率P，取其平均值即为该多孔混凝土的孔隙率。结果表明，现浇透水性生态混凝土孔隙率在15% ～30%之间。

1．3．2 孔隙内pH值 采用取出固液萃取法来制备溶液测定多孔混凝土的pH值。具体步骤如下：将生态混凝土试块破碎，充分研磨，过筛(用0.08mm方孔筛)，称取10g，然后加入10倍重量的蒸馏水中，用橡皮塞塞紧以防碳化，每隔约5min震动均匀1次，2h后过滤，使用滤液的pH值。经测定，掺加了添加剂，龄期为7d的现浇透水性生态混凝土的pH值维持在10左右，这样低碱性的环境有利于植物和水中生物的生长。

1．3．3 抗压强度 试件尺寸为150mm×50mm×150mm，按照GB 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行抗压强度试验(金伟良等，2002)，根据公式N=P/A求得7d和28d的抗压强度。根据试验研究结果，该生态混凝土抗压强度可以达到15N/mm2～30N/mm2，能满足一般护坡的要求。

1．4 耐久性损伤分析

通过对现浇透水性生态混凝土的冻融耐久性试验分析得出：配有SR-3/SR-4添加剂的生态混凝土具有良好的强度和力学性能，在确保孔隙率不低于25%及标准养护28d后，抗压强度可达10MPa～35MPa，能满足护坡功能要求(陈杨辉等，2007;朱启贵等，2010)。其在冻融试验中，经过50次冻融循环后，质量损失6．3%，强度损失17．2%，表现出了良好的抗冻胀循环应力性能，具有很好的冻融耐久性，能有效减缓实际裂缝的扩展(刘荣桂等，2005)。

1．5 护坡性能

1．5．1 透水性 透水性是生态混凝土的一个重要指标之一(陈志山，2001;王武祥等，1996)，它的大小随基础材料的颗粒组成不同而有所差异，但对于现浇透水性生态混凝土来说，要达到植生效果，其透水系数必须大于1mm/s。本次研究通过添加SR-3/SR-4无机质混合材料的多孔混凝土，保持水灰比在0．40～0．60之间，可使其透水性普遍达到7mm/s以上，透水性良好，满足植物生长的要求。

1．5．2 护坡消波性能 现浇透水性生态混凝土护坡技法相对于传统护坡技法，无论波浪的强弱、高低，其消波的效果都非常显著。当坡面受到波浪冲击时，波浪会侵入到多孔的生态混凝土层的连续状孔隙中去，波浪在通过孔隙中的复杂路径时，相互之间不断发生冲撞，加上路径壁面的摩擦作用，使得波浪的流速大幅下降。另外，在坡体表面上，连续性孔隙的开口处呈现凸凹状，使得波浪在此冲撞时发生反射，从而改变了波浪的流动方向，减弱了波浪的强度。

1．6 净化水质性能

现浇透水性生态混凝土是一类特种混凝土，具有较小的孔径和较大的比表面积。一方面，当水通过生态混凝土滤层时，会发生化学、物理、物理化学及逐渐形成的生物膜的生物化学作用，清除和降解污染物质。多孔生态混凝土的连续孔隙，可为微生物提供生存空间，同时也为微生物生长提供了载体，微生物和微小动物在多孔混凝土表面及连续孔隙内栖息繁衍，形成生物膜。另一方面，由于多孔混凝土较大的比表面积，具有较好的吸附能力，可降低水体中的污染物质。在水与多孔混凝土接触的局部范围内，由于水泥在水化过程中会不断溶出Ca(OH)2，起到无机混凝剂的作用，使水体中的胶体物质部分混凝沉淀，从而达到水质净化的目的(宋志斌等，2006)。

同时，由于河流水位的周期变化，边坡的水位变动区是一个由水、水生生物、空气组成的生态系统，在这个生态系统中，水生植物以及附在上面的微生物、昆虫是生态系统生物链的重要环节和水环境的核心组成部分。现浇透水性混凝土的结构特点以及可植性，可以有效促进河道岸坡的生态系统的建立。水生植物能有效吸收水中的N、P以及难以降解的持久性污染物，改善河流的水质(罗楠，2006;陈杨辉等，2007)。

1．7 植生性能

在河道水位以上采用植生性生态混凝土+客土喷播，即在现浇透水性生态混凝土坡面上覆盖植被材料，为植物的幼芽和根须提供最初的养分供给和生存环境，直到植物的根须伸入到生态混凝土层，便完成了边坡绿化功能，绿化效果可使两岸坡面景观与周边环境融为一体。

1．8 与传统混凝土护坡效果的比较

表1是现浇透水性生态混凝土与传统混凝土的护坡效果比较(陈志山，2001;董建伟等，2002;李化建等，2005;Wong Nyukhien et al，2003)。

表1 现浇透水性生态混凝土与传统混凝土的护坡效果比较

2 泰州周山河河道边坡生态治理工程

2．1 工程概况及目的

泰州周山河整治工程是泰州市通南地区的主要区域性骨干河道。其中整治工程一期为2008年度工程项目，工程位于泰州市周山河街区范围内。周山河河道地面标高5．20m，河道水位标高3.80m，地面到河床底4m～5m，河床宽5m～6m，河岸一侧坡度在30°以内，另一侧在20°以内。河道生态治理范围约120m，两侧河道边坡稳定，坡面地层裸露，与周边景观不协调。工程在满足生态、绿化、环保、节能的设计基础上，利用新型生态混凝土材料对河道边坡进行生态治理，发挥透水性生态混凝土消波、护岸、透水、植生功能，不但能够防止水土流失及水位升降对河岸造成的影响，在一定程度上还可以改善河道水质，使建成后的河道边坡景观与周边环境融为一体，满足周山河公园作为第六届园艺博览会园艺博览园举办场所的生态、绿化、环保、节能的要求。

2．2 施工设计方案

2．2．1 框架结构 混凝土框架采用普通混凝土(C25)现场浇筑而成，整个框架由边长为2m的基本方格构成。混凝土框架的主要作用并非提高坡面的稳定性和防止垮塌，而是将坡面和生态混凝土约束成一体并提高生态混凝土的施工性能。设置混凝土框架(横、竖框)尺寸时要考虑施工性、坡面长度及坡度等诸多因素。框架的布置及尺寸如图1。

图1 混凝土框架布置图

框格梁高15cm，梁宽15cm，纵、横向间距均为2m，在混凝土框架的上部及下部分别设置200mm×300mm及300mm×500mm的C25混凝土挡土墙(图1)。

2．2．2 现浇透水性生态混凝土的现场浇筑 现浇透水性生态混凝土采用现场浇灌技术。根据实际情况，现浇透水性生态混凝土可以采用混凝土运输车进行运输，也可在现场进行配置、搅拌，然后进行浇筑。

2．2．3 植生工程及植生效果 现浇透水性生态混凝土铺设中要控制两个重要参数：一是现浇透水性生态混凝土的孔径分布，以确保植生功能，从而提高景观和生态效果;二是抗压强度和孔隙率，以确保具有优良的防洪和抗冲刷能力。现浇透水性生态混凝土的浇筑厚度为100mm，其上覆土厚度为50mm(图2)。

2．3 工程效果

(1)利用现浇透水性生态混凝土来覆盖斜面进行固土护坡，有效地防止了河道边坡的水土流失。

(2)工程利用现浇透水性生态混凝土护坡，降低了波浪的流速，改变了波浪的流动方向，减弱了波浪的大小。

(3)工程中选用的现浇透水性生态混凝土具有连续孔隙，可以使水、空气自由渗透，不仅可以创造生物环境，更明显的是由于其孔隙内部和外部表面上栖息着多种微生物、小动物及藻类植物，有效地促进了水质的自然净化。

(4)河道水位以上采用现浇透水性生态混凝土+客土喷播，即在现浇透水性生态混凝土坡面上覆盖植被材料，为植物的幼芽和根须提供最初的养分供给和生存环境，直到植物的根须伸入到现浇透水性生态混凝土层，完成了边坡的绿化功能，绿化效果使两岸坡面景观与周边环境融为一体。图3(a)和图3(b)是周山河河道边坡治理前后的实物图，从图中可以直观地看到现浇透水性生态混凝土在河道边坡工程中应用效果很好。

3 结语

现浇透水性生态混凝土是一种考虑环境因素的新型混凝土，该生态混凝土具有过滤(只让水安全渗透而土质细颗粒不流出)、生物共生、植生绿化、净化水质等良好的生态亲和性。现浇透水性生态混凝土在生态护坡工程尤其是河道沿岸的生态环境保护和修复具有广阔的应用前景。

在泰州周山河河道边坡生态治理工程中，通过植生材料、混凝土、外加剂等材料优化组合验证了最新生态型护坡技法的设计、施工效果。实践表明，该技法除能实现固土护坡外，还能实现植物和水中生物的生长，起到净化水质、改善景观和完善生态系统等多重功效。

通过对现浇透水性生态混凝土的冻融耐久性试验分析得出：配有SR-3/SR-4无机混合材料的生态混凝土，除保证其力学、耐久性满足要求之外，该混凝土还具有一定的生态维护功能。冻融试验过程中，其表现出的良好抗冻胀循环应力性能，能有效减缓工程中裂缝的扩展，提高冻融循环次数，使其具有较好的冻融耐久性。最后，由于该生态混凝土是一种早强的混凝土，只需7d自然养护就可以达到强度设计值，且pH值低于普通混凝土，内部能够适应植物的生长，给混凝土施工带来方便。由于生态混凝土填充于框格梁内，不配钢筋，因此碳化对此混凝土性能的影响不大，能够满足实际工程对生态混凝土的要求。

图2 坡面植生工程及生态效果示意图

图3 治理前后周山河河道边坡

陈志山．2001．用于水污染治理的生态混凝土技术［J］．建筑材料学报，4(1)：60 －64．

陈志山．2001．大孔混凝土的透水性及其测定方法［J］．混凝土与水泥制品，(1)：19 －20．

陈杨辉，吴义锋，吕锡武．2007．生态混凝土在河道护坡中的应用［J］．中国水土保持，(6)：42－44．

董建伟，裴宇波，王丽秋．2002．环保型绿化混凝土的研究与实践［J］．吉林水利，(2)：1－4．

金伟良，赵羽习．2002．混凝土结构耐久性［M］．北京：科学出版社．

李化建，孙恒虎，肖雪军．2005．生态混凝土研究进展［J］．材料导报，(3)：17－20．

刘荣桂，万玮，吴智仁，等．2005．淹水区边坡的生态型护坡技法及耐久性研究［J］．混凝土，(8)：23 －28．

刘荣桂，万炜，颜庭成，等．2006．淹水区生态型护坡设计及抗冻融性能分析［J］．江苏大学学报：自然科学版，27(1)：71－74．

罗楠．2006．生态护坡在河道治污工程中的应用［J］．中国水土保持，(6)：32－34．

宋志斌，赵鸿儒，白俊良．2006．推广应用透水性铺装促进城市生态良性循环［J］．河北工程技术高等专科学校学报，(3)：16 －18．

王武祥，谢尧生．1996．透水性混凝土的透水性研究［J］．中国建材科技，5(4)：17 －20．

吴美安．2003．大力推广应用混凝土砌块护坡［J］．中国水利，(18)：74 －76．

吴智仁，陆春华，刘荣桂，等．2005．现浇护堤植生型生态混凝土性能指标及耐久性能［J］．江苏大学学报：自然科学版，26(5)：380 －383．

朱启贵，何仕英．2010．再生骨料多孔生态护坡混凝土的研制与性能［J］．工程与建设，24(3)：301－302．

WONG NYUKHIEN，CHEN YU，ONG CHUILENG，et al．2003．Investigation of thermal benefits of rooftop garden in tropical environmental［J］．Building and Environmental，(38)：261－261．

Application of cast-in-place permeable eco-concrete in slope engineering of river course

LIU Feng1，2，YAN Ting-cheng2

(1．School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210093，China;2．East China Geological Exploration Bureau of Nonferrous Metals，Jiangsu Province，Nanjing 210007，China)

In terms of the defects of conventional slope engineering in fields of eco-environmental protection and repairing of river course slope engineering，the authors brought up a new slope engineering method of cast-in-place permeable eco-concrete，optimized the component material of this technology，made a synthetic analysis on durability，vegetation power and water purification properties of the eco-concrete．Through a case study in Zhoushanhe river course slope engineering ecological treatment in Taizhou City，the technology was tested to be secure in slope engineering，and maintain and improve the eco-environment and eco-system of the surroundings．

Cast-in-place permeable eco-concrete;Mix ratio design;Vegetation;Techniques of ecotype slope protection;Taizhou，Jiangsu

U416．14

A

1674－3636(2011)04－0418－06

10．3969/j．issn．1674-3636．2011．04．418

2011－05－27;

2011－06－03;编辑：蒋艳

刘峰(1966—)，男，高级工程师，长期从事岩土工程、勘察工程领域技术研究及管理，E-mail：liufeng0070@126．com