植生型多孔混凝土在河道岸坡整治工程中的应用

宋文杰

（湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007）

前 言

河流环境是生态环境的重要组成部分，是人类生存和发展的重要基础。河岸带是河流的重要组成部分，是河流与陆地两个生态系统进行物质和能量交换的区域，河岸带的生态条件是影响河流环境的关键因素。部分河岸带的抗冲刷能力较弱，岸坡长期受水流淘刷、波浪浪蚀及降雨冲刷等侵蚀作用，导致河岸带出现崩塌、水土流失等险情，需要对河岸带险工段采取工程防护措施。对河岸带进行防护，需同时考虑工程规范与生态修复要求，一方面要保护岸坡免受水流淘刷、波浪浪蚀及降雨冲刷等侵蚀作用，保证河岸带的整体稳定性，另一方面还要对已破坏的河岸带生态环境进行修复，使得坡面景观与周边环境融为一体，谋求工程措施与自然环境相协调。

目前广泛应用的河道岸坡防护技术主要有：混凝土类材料护坡技术，孔洞型材料护坡技术以及植被护坡技术。传统的护坡材料主要存在绿化率低、抗冲刷能力弱以及强度低等缺点。因此，研究一种在工程应用中能够兼顾工程规范与生态修复要求，并将工程防护和植物防护有机结合起来的新型护坡材料很有必要。

日本混凝土工学协会于1995 年首次提出了“生态混凝土”的概念，并成立了“生态混凝土研究委员会”专门开展植生型多孔生态混凝土的应用研究。目前日本已在数百个工程实例中采用了植生型多孔混凝土护坡技术[1～3]，主要包括堤坝边坡防护、市政公路边坡防护以及河道岸坡生态整治等工程，取得了较好的生态修复效果。欧美国家在植生型混凝土方面的研究较日本要晚，目前主要靠引进日本的先进技术应用于各种边坡生态防护工程[4]。目前，我国对植生型多孔混凝土的研究还处在起步阶段，研究重点主要围绕如何规范多孔混凝土配合比设计方法和制备工艺、如何提高多孔混凝土强度和有效孔隙率等方面开展，关于多孔混凝土植生性能方面的研究还比较少[5]。

本文基于国内外植生型多孔混凝土防护技术研究的经验，结合具体工程实例，对植生型多孔混凝土原材料选用、配合比设计、制备工艺及护坡工程施工工艺进行了探讨，并分析了工程应用效果，为植生型多孔混凝土在河道岸坡整治工程中的应用提供技术支持。

1 植生型多孔混凝土构造及原理

如图1 所示，植生型多孔混凝土主要由以下3 部分组成：多孔混凝土、适生材料和植被。其中，多孔混凝土为基本骨架，主要由粗集料、水泥、矿物掺合料、化学添加剂和水等按照一定比例拌合而成；适生材料为多孔混凝土孔隙中的填充物，主要由种植基材、缓释肥料、保水材料、减水剂和水等按照一定比例拌合而成。

待制备完成的多孔混凝土达到一定强度后，将适生材料配置成具有一定流动度的浆液，采用泵送或者自流的方式填充满多孔混凝土内部的连通孔隙，将植物种子与适生材料进行充分拌和，采用喷播的方式覆盖在多孔混凝土的表面，植物种子在表层的适生材料中发芽生长后，其根系在多孔混凝土孔隙内的适生材料中继续生长并最终穿过多孔混凝土护坡层到达边坡土体，从而形成具有一定强度和植被覆盖率的生态型护坡结构[6～7]。

图1 植生型多孔混凝土构造示意图

2 工程实例应用

2.1 工程概况及设计方案

本次植生型多孔混凝土应用试点工程位于长沙县太阳滩水闸闸址处，主要涉及水闸下游捞刀河右岸150 m 长堤防临水坡的生态整治。试点工程所在河道断面的控制集雨面积为1 161 km2，上游干流长83 km，多年平均径流量23.89 m3/s，10 年一遇设计洪峰流量为1 652 m3/s，对应闸下河道水位为43.50 m。现状闸下右岸堤防堤顶高程45.00 m，临水坡分二级，坡比均为1∶2，其中，一级堤坡已采用草皮护坡，但坡面杂草丛生、浪蚀冲刷严重，二级堤坡已采用干砌块石护坡，坡脚设有抛石护脚。

本次设计将水闸下游右岸堤防临水坡一级堤坡的现有草皮护坡改为12 cm 厚植生型多孔混凝土护坡，护坡范围为一级平台顶（高程42.50 m）至堤顶（高程45.00 m），设计坡比1∶2，护坡顶部新建C20 混凝土压顶，具体布置详见图2。

图2 植生型多孔混凝土护坡横断面图

2.2 原材料选用

1）水泥。湖南南方水泥厂生产的P.O 42.5 水泥。

2）粗集料。浏阳市洞阳镇采石场产的粒径为20～30mm 的单级配石灰岩碎石，紧密堆积孔隙率为46.8%。

3）矿物掺合料。湖北粒固微硅粉有限公司生产的硅灰，二氧化硅含量为99.999%，颗粒粒径0.1～0.2 μm，比表面积约为15 000 m2/kg。

4）化学添加剂。湖南同远混凝土外加剂公司生产的萘系高效减水剂（粉剂），主要成分为β-萘磺酸亚甲基高聚物，减水率可达20%以上。

5）拌合水。普通自来水。

6）植物。多年生狗牙根和黑麦草，草籽播种密度为20～25 g/m2。

7）适生材料。种植基材采用耕植土，缓释肥料采用泥炭，保水材料采用蛭石。

2.3 配合比设计

1）多孔混凝土最佳水灰比。本文通过大量的拌和试验发现，当胶结材料的净浆流动度控制在180～200 mm 范围内，对应的水灰比控制在0.28～0.32 范围内时，混凝土拌合物粘结性好，表面有金属光泽，属于最佳状态。

2）多孔混凝土配合比设计。本文参考众多文献，确定采用“体积法”设计多孔混凝土的配合比[8～10]。“体积法”的基本原理可概括为：胶结材料将紧密堆积的粗集料均匀地包裹粘结在一起，凝固硬化后形成了多孔堆聚的结构，其剩余的空隙构成了混凝土内部的连通孔隙，即多孔混凝土体积=粗集料体积+胶结材料体积+目标孔隙体积。按照上述方法计算得出多孔混凝土的初步配合比，在此基础上，通过大量的实配、检测试验，对配合比进行修正，得出目标孔隙率为25%、设计抗压强度≥8 MPa、孔隙碱环境pH 值＜9 的多孔混凝土基准配合比，结果见表1。

表1 多孔混凝土基准配合比（目标孔隙率25%） kg/m3

3）适生材料配合比设计。本文将适生材料拌和后加水配置成具有不同流动度的浆体，使其在自重作用下自流充填多孔混凝土的孔隙，通过观察孔隙内浆体的填充程度发现：当适生材料浆体的流动度控制在200～220 mm 范围以内时，浆体能充分地充填多孔混凝土的孔隙。进而得到适生材料的配合比，结果见表2。

表2 适生材料配合比 kg/m3

2.4 制备工艺

由于多孔混凝土的组成材料和构造形式与普通混凝土区别较大，若采用传统的一次投料法，胶结材料将无法均匀地包裹住粗集料，浆液充斥在孔隙中，堵塞了孔道, 不仅影响孔隙的连通性，也不利于强度的提高。

如图3 所示，本文采用多次投料的“裹浆法”[11～13]制备多孔混凝土。采用这种特殊的搅拌工序搅拌的混凝土拌合物粘结性好，表面有金属光泽，胶结材料能均匀地包裹住粗集料，并在集料表面形成一定厚度的包裹层，有利于提高多孔混凝土的连通孔隙率和强度。

图3 “裹浆法”搅拌工序

2.5 护坡工程施工工艺

植生型多孔混凝土作为一种新型护坡材料应用于河道岸坡整治工程时，应综合考虑自然环境、地形地质、河道水流条件等情况来制定工程施工工艺[14]，本次应用试点工程主要施工工艺及施工技术要求如下所述：

1）按设计要求平整、清理边坡以达到初始施工条件。严格控制高程、边线、坡度放样的准确度。护坡的清基处理要满足坡面平整，无碎石、杂草、树根等杂物，应尽量避免大面积翻动坡面土壤，以减少坡面水土流失。

2）铺设反滤土工布。由于植生型多孔混凝土护坡的孔隙率及孔隙的孔径较大，为防止坡面土体的流失，需要在坡面土体与多孔混凝土护坡结构之间铺设一层土工布进行反滤。铺设土工布时应保证其平整且无破损，需按照设计要求预留搭接宽度，为了防止土工布滑动和错位，可采用“U”形钉对土工布进行固定。

3）严格按照基准配合比配料，采用“裹浆法”搅拌工序制备多孔混凝土，拌和后出料运至坡面浇筑，出料到浇筑的整个流程时间应控制在10 min 之内。

4）拌合料浇筑完成后，应插捣密实并整平表面。3 d 内禁止加载负荷、行车及人员行走。护坡初步起强后，7 d 内应每天选择早晚洒水养护。7 d 内如遇阴雨天气则不需养护。

5）护坡浇筑完成7 d 后便可进行适生材料充填和表层覆土作业，具体做法：①适生材料充填：将按配比拌合均匀的适生材料制成具有一定流动度的浆体，采用泥浆泵泵送或者自流的方式将浆体灌入护坡的孔隙内；②表层覆土：将按配比拌合均匀的适生材料和植物种子均匀地撒播到护坡表面，厚度控制在2～4 cm；③养护：覆盖18 g/m2的无纺布用于初期保墒，无纺布采用U 形钉固定在坡面上。

6）覆盖无纺布后，28 d 内视天气情况浇水养护：晴热天气蒸发量大时应在早上6—7 时浇透水一遍。

7）进行简单园林养护，至植被长出并覆盖良好。护坡工程施工工艺见图4。

2.6 工程应用效果

该应用试点工程于2019 年6 月底基本完工，经过1 年多的运行和检查观测，堤防边坡采用植生型多孔混凝土护坡后达到以下效果：

1）根据现场检测结果表明：植生型多孔混凝土护坡28 d 的抗压强度达到9.8 MPa，有效孔隙率达到24.3%，基本满足了护坡强度和植生的设计要求。

图4 护坡工程施工工艺

2）植生型多孔混凝土护坡施工完成后，经过15 d的养护，大部分植物种子均能正常的发芽，幼苗发育良好（图5a）；1 个月时，植被生长茂盛，植株高度达到10～15 cm，基本覆盖了植生型多孔混凝土护坡的表面（图5b）；两个月时，植物根系穿过多孔混凝土护坡扎根于边坡表层土壤中，并在边坡土体中继续发展（图5c 和图5d），这对边坡坡面的水土保持和强度的提高非常有利。

3）工程完工后1 年多，经历了几次洪水和持续2个月的高温干旱天气，植生型多孔混凝土护坡表面的植物生长情况依然良好，堤防边坡未发生冲刷和垮塌等稳定性破坏现象，基本达到了预期的固坡和绿化效果，使坡面景观与周边环境融为一体，图5e 和图5f 是应用试点工程实施前后的实物图，从图中可以直观地看到植生型多孔混凝土在河道岸坡整治工程中的应用效果很好。

3 结 语

植生型多孔混凝土是一种在工程应用中能够兼顾工程规范与生态修复要求，并将工程防护和植物防护有机结合起来的新型护坡材料。植生型多孔混凝土在生态护坡工程尤其是河道岸坡生态治理工程中具有广阔的应用前景。

图5 工程应用效果

本文以长沙县太阳滩水闸下游河道岸坡整治工程为例，对植生型多孔混凝土原材料选用、配合比设计、制备工艺及护坡工程施工工艺进行了探讨，并分析了工程应用效果，认为植生型多孔混凝土护坡技术不仅能充分保证护坡工程的安全性，还可以保护和恢复河道生态环境、改善河道生态条件。所以，研究植生型多孔混凝土在水利工程中的应用及推广对推动生态水利的发展具有积极的意义。