新型装配式护岸在中小河流中的应用研究

温文杰

(茂名市鉴江流域水利水电建筑安装工程有限公司，广东 茂名 511500)

中小河流的水利工程治理工作一直未得到足够的重视，生态破坏、水污染问题仍然广泛存在，在一些中小河流的治理工程中，往往过度重视防洪安全稳定性能而忽视了对两岸生态环境的保护，特别是采取简单的硬化处理极大地破坏了生态环境，这与绿色可持续发展道路相违背[1-2]。

传统的护坡方式如密实型护坡、孔洞型护坡、天然植被护坡存在各自的优缺点，密实型护坡强度高，密实性好，但封闭不透水，不利于两岸植被生长；孔洞型护坡在抗水流冲刷和利于植被生长方面不能很好地兼顾，往往效果不是很明显；天然植被护坡虽然绿化效果好，但抗冲性耐磨性能较差。鉴于传统护坡存在的弊端，逐渐发展出几类新型的生态护坡，如三维土工网垫护坡、生态混凝土结构护坡、骨架植草护坡、土工格室护坡，但是仍然存在各种各样的问题，如施工质量难以控制、使用寿命短，护坡效果一般等[3-5]。装配式植草混凝土护坡是一种结合传统护坡和新型生态护坡技术的新型护坡结构型式，相比其他护坡型式，具有整体稳定性能好、施工方便，节约成本、环境美观，生态环境效果好、消能效果好、安全性能好等诸多优点，在中小流域治理中逐渐普及，但目前该技术尚未成熟，尤其是在结构选型方面，很多都是依靠施工经验进行确定，缺乏理论支撑[6-10]。

鉴于当前中小型河道护岸治理工作存在的问题，文章设计了五种结构型式的装配式植草混凝土护岸，并对其绿化效果和保土抗冲性能进行了对比研究，以期为新型装配式植草混凝土生态护坡设计与施工提供参考。

1 试验概况

1.1 材料选择

装配式植草混凝土主要由水泥、粗骨料、细骨料、矿物掺合料、化学添加剂以及水等组成。水泥选用P.O42.5普通硅酸盐水泥，密度为3.09g/cm3，细度为2.1%，初凝和终凝时间分别为195min和235min，28d抗压强度和抗折强度分别为49.9MPa和8.7MPa；粗骨料为粒径15～30mm的连续级配碎石骨料，表观密度为2760kg/m3，堆积密度为1500kg/m3，含沙量为0.8%，针片状含量为10.4%，吸水率为11.2%，压碎值为6.3%；细骨料为天然河砂，表观密度为2650kg/m3，堆积密度为1525kg/m3，细度模数为2.15，含泥量为2.8%；为了抑制植草混凝土内部碱反应导致pH值过大的现象，使用部分硅粉替代水泥，同时在混凝土中掺入SR-4添加剂(主要成分为CaCO3、SiO2)来降低混凝土的pH值，从而让植物可以更好生长；拌合水为试验室自来水，pH值为6.8～7.2。

1.2 配合比设计

根据相关文献，生态植草混凝土的最佳配合比为：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，虽然此配合比满足中小河流工程治理的各种性能(强度、孔隙率、抗冲刷强度、pH值等)要求，但是这种配合比所使用的骨料粒径(20～40mm)较大，对于文章提出的装配式结构不太适合，因为装配式结构存在许多边角，会导致接触点和接触面过少而影响预制块的整体强度，进而导致装配式预制块容易出现断裂，因此经过多次试配，提出适用于装配式植草混凝土的配合比，详见表1。在此配合比下，装配式混凝土的28d抗压强度为8.8MPa，pH值为8.2，有效孔隙率在25%以上，抗冲刷强度为0.17MPa，均满足相关性能要求。

表1 装配式植草混凝土配合比设计情况

1.3 结构设计

基于文章提出的装配式植草混凝土配合比，设计了5种结构型式的预制块，如图1所示。结构1：嵌固式通孔正六边形，边长为16cm，厚度分别为10cm和8cm，厚度为10cm的预制块预留边长为7.5cm的正四边形通孔(主要作用是种植香根草)，厚度为8cm的预制块不预留通孔，两种不同厚度的预制块间隔拼接，从而形成一个高差为2cm的消浪坎，可以起到消能减速的作用；结构2：嵌固式凹槽正六边形，边长为16cm，厚度也是10cm和8cm两种，厚度为8cm的预制块中间预留边长为8cm的正方形通孔，厚度为10cm的预制块中间预留边长为8cm、高度为3cm的正四棱体凹槽，两种厚度的预制块间隔拼接；结构3：嵌固式十字形，长度为45cm，宽度为15cm，厚度为8cm，在预制块中间预留厚度为13cm、边长为15cm的正四棱柱体，每条边上均预留一个边长为5cm的等腰三角形倾角，以便在拼装之后种植香根草；结构4：嵌固式通孔正四边形，边长为30cm，厚度分别为8cm和10cm，在厚度为10cm正方形预制块中间预留边长为7.5cm的正方形通孔，两种厚度预制块间隔拼接；结构5：嵌固式斜角工字形，长度为46cm，宽度为20～30cm，厚度为10cm和8cm两种，两种厚度的预制块间隔拼接。

图1 装配式植草混凝土结构设计示意图(单位：cm)

1.4 试验方案

为了选择最佳的装配式植草混凝土结构型式，在示范河流开展了保土抗冲性能试验，主要包括近岸水流流速影响试验、天然降雨保土抗冲性能试验以及河流冲刷保土性能试验。近岸水流流速影响试验主要测定五种结构型式的装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)。天然降雨保土抗冲性能试验主要测试五种结构型式的装配式植草混凝土(坡比为1∶2)在40、80、100mm/h 3种雨强下的冲刷量。河流冲刷保土性能试验主要测试五种结构型式的装配式植草混凝土在流速为1.2m/s、水位为0.5m、坡度为1∶2条件下的累计冲刷量变化规律。

2 试验结果分析

2.1 对河道流速的影响

不同装配式植草混凝土结构型式在不同水位和流速工况下的流速差试验结果如图2所示。从图2中可知：不同结构型式下，河道流速均存在一定的差值，这主要是因为装配式植草混凝土设计结构型式为凹凸不平的形式，增加了水流流程，同时对水流形成一定的阻力作用，可以造成更多的水力沿程损失和局部损失，因而可以明显降低近岸水流的流速；相同水位下，流速越大，流速差越大，表明高速水流在装配式植草混凝土结构中所消耗的能量越多，即流速越大，混凝土预制块的抗冲性能越弱；相同流速下，水位越高，流速差越大，说明在水位较高情况下，装配式植草混凝土结构对河道水流具有更好的消能效果；在相同水位和流速下，结构1(嵌固式通孔正六边形)的流速差最大，表明该结构型式具有最好的消能效果，在五种结构型式中，结构5(嵌固式斜角工字形)的消能效果最弱。

图2 不同结构型式流速差对比

2.2 降雨强度对冲刷量的影响

不同装配式植草混凝土结构型式在不同降雨强度下的冲刷量对比情况如图3所示。从图3中可知：随着降雨强度的增大，相同结构型式下的冲刷量均呈逐渐增大的变化特征，当降雨强度≤80mm/h时，冲刷量随降雨强度的增长幅度不大，这是因为在降雨影响下，冲刷量与土的固结度有关，当降雨未对土体固结度产生实质影响时，其冲刷量是基本不会变化的，当降雨强度达到100mm/h后，降雨对土体的固结度产生了实质性影响，从而造成大量土体被雨水冲刷掉，在降雨强度为100mm/h下，冲刷量可以达到降雨强度为80mm/h时冲刷量的3～6倍。在40、80、100mm/h 3种降雨强度下，结构1(嵌固式通孔正六边形)的冲刷量最小，表明其具有最好的保土抗冲刷能力，结构3(嵌固式十字形)的保土抗冲刷能力最差。

图3 不同结构型式在降雨作用下冲刷量对比

2.3 不同结构型式抗河流冲刷

不同装配式植草混凝土结构型式预制块的河流累计冲刷量变化规律如图4所示。从图4中可知：随着河流冲刷的持续进行，累计冲刷量呈逐渐增大的变化特征，且在0～20min的增长幅度要大于20～40min的增长幅度；在裸土边坡条件下，经过40min的河流冲刷后，累计冲刷量达到了33kg，而采用装配式植草混凝土预制块进行铺填后，累计冲刷量有较大的幅度降低，结构1、2、3、4、5历经40min河流冲刷后的累计冲刷量分别为18.5、22.5、19.5、21.5和22.5kg，相比裸土边坡，累计冲刷量分别降低了43.9%、31.8%、40.9%、34.8%和31.8%，就河流抗冲刷性能而言，仍然是结构1(嵌固式通孔正六边形)的效果最好，结构3(嵌固式十字形)的河流抗冲刷性能次之，结构2(嵌固式凹槽正六边形)和结构5(嵌固式斜角工字形)的河流抗冲刷性能最差。

图4 不同结构型式累计冲刷量变化特征

3 讨论

通过对不同结构型式装配式植草混凝土保土抗冲性能试验可以得出：嵌固式通孔正六边形的消能防冲效果最好，具有更好的抗雨水冲刷和河流冲刷的效果，在保土抗冲性能方面表现优异，同时该结构型式装配式植草混凝土结构较为简单，便于施工拼装，能够适应复杂多变的岸坡地形，在施工过程中破损现象较少。而嵌固式凹槽正六边形结构、嵌固式十字形结构以及嵌固式斜角工字形结构较为复杂，不利于现场施工拼装，施工作业效率有所降低，且嵌固式十字形结构型式在施工过程中破损率较高(运输不便造成)，因而并不适用，嵌固式通孔正四边形虽然结构简单，易于拼装施工，但保土抗冲性能一般，且嵌固性一般，稳定性不好。终上所述，采用嵌固式通孔正六边形装配式植草混凝土作为中小河流的护岸结构型式效果最好。

4 结语

装配式植草混凝土护岸相比传统护岸具有整体稳定性能好、施工方便、节约成本、环境美观、生态环境效果好、消能效果好、安全性能好等诸多优点，通过设计五种不同结构型式装配式植草混凝土护岸的保土抗冲性能试验，得出嵌固式通孔正六边形不仅在保土抗冲性能方面表现更加优异，而且结构简单，易于拼装施工，施工过程中的破损率也较低，因而推荐嵌固式通孔正六边形作为装配式植草混凝土的最佳结构型式。由于试验均在示范河流进行，很多试验条件和参数并不能精准控制，可能导致试验数据存在一定的误差，这将在今后做进一步的完善。