BSC刚性生态型护岸护坡修复系统应用初探

2018-08-29周晓明袁彬鸿刘洪涛

中国农村水利水电 2018年8期

周晓明，袁彬鸿，刘洪涛

(1.湖北宜昌市河道堤防建设管理处，湖北宜昌 443000；2.北京福仕汀科技有限公司，北京 100193； 3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

0 引言

宜昌市作为三峡水利工程和葛洲坝水利枢纽工程所在地，对于保障长江流域地区防洪安全的战略意义重大。位于长江左岸主城区的宜昌城区段防洪护岸工程采用完全硬质化的浆砌预制混凝土六棱块护坡形式，具有较好的防护功能，但生态功能价值较低[1]。为探索硬质护坡的生态修复技术在长江流域的适应性和可行性，以宜昌段防洪护岸工程改造为研究案例，经技术应用比对，采用BSC刚性护岸护坡生态修复技术，开展相关试验研究。

BSC刚性护岸护坡生态修复系统是一个集安全功能、水质净化和生态修复功能于一体的基础平台，主要技术形式为“生物+抗侵蚀结构”。系统包含两大功能，一是骨料层，具有：7～18 MPa抗压强度、25%～50%连续孔隙率、可抗5 m/s流速的水流冲刷性能，能满足城市河道对防洪抗冲功能基础要求[ 4]；二是富含BSC菌落的基质植被层，具有丰富的微生物，能有效分解，转换各种有机污染物。

1 试验方案与设计

1.1 基础平台骨料层试验方案

采用直接在已存在的浆砌预制混凝土六棱块护岸基础上浇筑C20框格梁并充填多孔型骨料层进行基础防护，无需对原有堤防结构做任何拆除或破坏措施，然后充填生物基质层进行生态、植被修复。

基础骨料层试验方案，采用φ50 mm单一粒径石料、P.O42.5水泥、BSC-WY添加剂、水为原料通过机械混拌，混拌时间120 s，20 min内浇筑完成。

1.2 基质植被配置方案

经过实际调查和研究，本次试验采用了多样化植被恢复方案为生态、植被恢复基础措施(表1)，其中采用冷暖季禾草狗牙根、高羊茅混播作为地被植物，金鸡菊、百日草等混播作为景观植物，紫花苜蓿作为多样性补充。

表1 基质植被配比/配置表Tab.1 Substrate and vegetation configuration

为测定BSC生物基质对植物生长量的影响，选试植物为狗牙根，播种量25 g/m2，选样面积为25 m2。背景土壤为取自宜昌当地良好种植土有机质含量4.7%，背景土壤和BSC生物基质营养成分(见表2)。

表2 长江宜昌城区段生态修复改造工程参试土壤和BSC菌群养分分析Tab.2 Analysis of soil and BSC microorganism

1.3 研究方案

基础骨料层的现场搅拌、转运、浇筑采用机械方式，所用机械：柳工LG250装载机1台、350自落式搅拌机1台、时风转运车3台、卡特CAT8000挖掘机1台。基质的现场混拌采用机械+人工辅助铺摊方式充填，所用机械：厦工XG500装载机1台、工人6人、辅助钉耙6把。播种、覆盖无纺布和浇水采用人工方式。

1.4 骨料基础层检验方法

试样块制作：按照不同配比制作150 mm×150 mm×150 mm尺寸的生物基质混凝骨料层试块，养护28 d后备用。试件制作方法、养护方法、尺寸偏差应符合GB/T 50082 的规定。

孔隙率测定：孔隙率采用排水法来测定，分别称量试块在空气中重量和水中重量，通过排水量计算出孔隙体积和比例，试验温度为20～25 ℃。抗压试验：抗压试验的具体步骤, 应依照参照GB/T 50081中的规定执行。试验机的上、下压板应有一端为球绞支座，可随意转动。加荷速度宜取0.2～0.4 MPa。取样数量：每种处理3个重复。

1.5 基质植被恢复及生长量检验检测方法

试验在研究现场取样，主要采集不同处理下狗牙根各时期鲜活样品到国家草地生态野外观测站实验室(沽源站)进行检测、分析，并采集表层(5 cm)基质土壤带回实验室测定酸碱度pH值、持水孔隙率等理化指标，测定方法参照《土壤农业化学常规分析方法》。

研究现场设4组试验，每组设10个平行，每个试样面积50 m2。在种植基质掺入BSC生物菌剂，BSC生物菌剂按高(10 t/hm2)和正常(5 t/hm2)2个比例掺入。试验设置普通有机肥(发酵过的鸡粪)和不施肥两种对照。分别于分蘖期、抽穗期和成坪期统计和测定分蘖数、单株鲜重、表层5 cm基质酸碱度、土壤孔隙率等指标。

2 结果与分析

2.1 骨料层抗压强度和BSC-WY外加剂使用量正相关

从表3所示结果，可得知专门为生物基质混凝土设计配置的BSC-WY系列外加剂不仅在减水功能上有明显效果，还因其中添加的黏胶和其他调节成分，使得骨料层在少用水泥条件下仍然提升了抗压强度。

同时，不同型号BSC-WY系列外加剂在采用相同配合比条件下，对骨料试样块抗压强度的影响差异显著，实际工程中可以根据设计或其他不同需求选择使用相应型号，甚至单独定制。

表3 不同型号和掺量梯度外加剂对骨料层抗压强度影响表Tab.3 Effects of different model and gradient admixtures on compressive strength of aggregate layer

2.2 骨料层抗压强度和水泥用量增加正相关

从表4可得知，在相同条件下水泥用量和抗压强度呈正相关性，水泥用量的增加可以提供骨料试样块的抗压强度，但水泥用量的增加会增加工程建造成本，实际工程中应综合考虑。

水泥用量和孔隙率呈负相关性，随着水泥用量增加骨料试样块孔隙率呈逐步降低趋势，水泥在采用400 kg/m3方案配比时孔隙率仍可达到25%，在采用300 kg/m3方案配比时孔隙率大于30%，具有明显差异。

表4 不同水泥掺量对骨料层抗压强度影响表Tab.4 Effect of different cement content on compressive strength of aggregate layer

2.3 生物基质对狗牙根生物量指标的影响

单株鲜重和分蘖数可作为反映草坪草总体和叶片生物量评价指标。从分析结果看(表5)，BSC生物菌剂用量高的采样中狗牙根单株鲜重显著高于其他3组试验的(p<0.05)，其他3组试验单株鲜重无显著差异。对于分蘖指标，正常用量BSC生物菌落组与有机肥组的基本持平，但均低于高用量BSC生物菌落组，又高于对照组。这说明，提高BSC生物菌落施用量可显著提高狗牙根的生物量。

表5 BSC生物菌落对狗牙根生物量指标的影响Tab.5 Effects of BSC microorganism on biomass of Bermuda-grass

注：数据后标注不同字母表示同一列数据之间存在显著差异(p<0.05)。

2.4 不同植物配置和种植方案的植被生态恢复效果

在大规模应用播种多样化植物为建群种的同时，设置了以铺设单一科属商用草坪草的对照区，观察原生型种植方案和铺草坪种植方案的植被恢复效果和生态恢复保持效果。经过一个生长季观察，发现生物多样性的多科属播种原生型种植方案植被恢复和景观效果明显优于单一科属草坪铺设种植方案(见表6)。

2.5 BSC生物菌落对原生乡土植物生长影响

通过现场采样当地乡土品种狗尾巴草进行单株鲜重和分蘖数叶片生物量进行评价，并且根据田间调查结果可以看出，BSC生物菌落可促进乡土植物的自然恢复性生长，植物种类丰富(见图1)，同时增加植物单株生长量。

3 讨论

对河道的硬质护岸护坡生态化改造已经是我国水利建设和生态文明建设的大势所趋[2,3]，国内已有一些地区进行硬质护岸生态化改造试验，并获得成功[ 4]。BSC刚性护岸护坡生态修复系统具有可恢复多元的水陆两域植被，能转移和固定被微生物分解的污染物以及固定漂流(移)物，同时还有动物的孵化、栖息保育能力[4,5]，是对刚性硬质护岸护坡生态修复的一种可能技术。

表6 长江干堤宜昌城区段硬质刚性护岸生态修复工程 10个月后植被种类调查表Tab.6 Investigation on vegetation species after ecological restoration project 10 months

图1 免拆除长江干堤刚性硬质护岸直接原位生态修复效果对照Fig.1 Comparison of ecological restoration effect of in-situ rigid bank protection

3.1 基础骨料层

从试验结果可以得知，BSC-WY系列混凝土外加剂可以有效提高多孔型混凝土骨料层的抗压强度。BSC-WY系列混凝土外加剂不仅具有减水剂的性能，还具有一定胶体性能，可以进一步提高多孔型混凝土骨料层的抗压强度。

生物基质混凝土骨料层属于多孔动植物相容型混凝土，制造尽可能多的连续孔隙最终目的是让植物可以生长其中，进而为后期的生态修复奠定基础。高孔隙率和高抗压强度之间是矛盾的[1,2,3]，通过专有的BSC-WY系列混凝土外加剂的使用和调节，在一定程度上可以让多孔动植物相容型混凝土保持30±5%的连续孔隙率情况下，具有7～18 MPa的抗压强度。通过试验和实际工程应用，一般推荐使用水泥用量为320 kg/m3配比方案较为经济。