洞庭湖淤泥烧结轻质骨料制备驳岸砌块设计与配合比优化研究

何怀光，陈星佑，张 聪，周 双，刘 旭，谢梦珊

(1.湖南省水利水电科学研究院， 湖南 长沙 410007；2.中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

洞庭湖是我国极具特色的大型淡水湖泊，也是长江流域十分重要的调蓄湖泊，维系两湖地区蓄泄和泥沙的冲淤平衡等功能[1]。然而，洞庭湖自20世纪初以来湖泊面积急剧萎缩，据不完全统计每年约1亿m3泥沙沉积在洞庭湖内，平均每年淤积高度达3 cm[2]。大量泥沙淤积引发的社会与经济问题显著，如：直接影响长江流域的演变发展和防洪、调蓄能力[3]、降低湖区湿地功能和生态环境[4]、造成航道严重阻塞等[5]，而大量的清淤工程不仅耗费大量人力、财力，也会对周围环境产生二次污染[6]。与此同时，洞庭湖堤防长期在外河水位的高水头渗透作用下，其堤身内孔隙水压力发生改变，导致堤身土体易发生软化或部分细颗粒流失，给堤防运营带来较大安全隐患。

目前，为了满足河湖等水源处防洪、排涝以及堤防安全稳定的需求，并兼顾江(河)风貌与城市景观相协调等，河湖等水源处均建成了各种类型的河道驳岸砌块。现有驳岸砌块材料主要分为两类：(1) 传统型，比如浆砌石块、现浇混凝土，其特点是坚固、耐久，但阻隔了水陆系统能量和物质交换，原材料越发稀少[7-9]；(2)生态型，比如木桩护岸、网格石笼，特点是透水性好，但是无法兼顾耐久性、生物亲和性和抗侵蚀性[10-12]。值得关注的是，挪威、西班牙、美国、日本以及我国台湾省已成功采用湖底淤泥烧结形成轻质骨料取代不断紧缺的砂石骨料[13-14]，并将其用于道桥[15]、房建[16]、海上平台[17]等方面。受此启发，若利用洞庭湖淤泥通过一定的烧结工艺制备轻质骨料，并结合一定的浇筑、固结工艺形成绿色混凝土驳岸砌块不仅可以解决砌筑石材的紧缺、淤泥处置等问题，而且烧结砌块耐久、美观，抗侵蚀能力强，可显著提高堤防安全稳定性。

鉴于此，本文首先对洞庭湖淤泥进行性能测试，并获取淤泥烧结最佳条件；其次，根据堤防驳岸砌块的相关规范要求，设计合理的洞庭湖区驳岸砌块重度、厚度以及结构；最后，通过设计不同的正交试验得到洞庭湖淤泥烧结轻质骨料制备驳岸砌块最优的配合比。研究成果可为洞庭湖淤泥烧结轻质骨料制备驳岸砌块提供理论指导。

1 洞庭湖淤泥性能及烧结条件选取

(1) 淤泥的性能测试。淤泥取自洞庭湖区，由于样品中含有大量杂质，试验前对其进行了除杂、过滤等预处理。对淤泥进行基本性能测试表明，淤泥自然密度1.83 g/cm3，干密度1.33 g/cm3，液限42.06，塑限27.50，塑性指数15，液性指数0.69，含水率37.9%，吸水率53.11%；对淤泥进行微观组分(XRD和XRF)与热重测试结果，如图1和图2所示，淤泥SiO2含量66.9%，Al2O3含量20.04%，Fe2O3含量6.977%，Na2O含量0.415%，K2O含量2.56%，MgO含量1.04%，CaO含量0.437%。

图1 淤泥的XRD测试结果

图2 淤泥的热重测试结果

(2) 淤泥的可烧结性与烧结工艺参数。根据Riley[18]的研究可知，当淤泥成分处于Riley提出的三相图区域，该淤泥具有烧结优良骨料的可行性。经分析，本次取样淤泥组分位于Riley三相图所规定的易于膨胀区间，可用于烧结轻质骨料。为此，通过将淤泥进行除杂、过滤、沉淀、烘干等预处理，再制备成轻质骨料进行烧结。经多次烧结试验获得了本次取样淤泥烧结轻质骨料的烧结条件为预热温度410℃、预热时间为20 min、烧结温度为1 112℃、烧结时间为5 min，烧结的轻质骨料见图3，轻质骨料性能见表1。

表1 轻质骨料性能表

图3 烧结的轻质骨料

2 轻质骨料制备湖泊驳岸砌块设计

2.1 驳岸砌块重度设计

根据《堤防工程设计计算简明手册》[19]，采用人工块体或经过分选的块石作为堤坡护面时，波浪作用下单个块体、块石的重量Q可按式(1)计算:

(1)

式中：γb、γw分别为混凝土砌块、水的重度，kN/m3；h为设计波高，m；Kd为稳定系数,对选用的植生混凝土砌块，取值为10；m为堤防系数(m=cotα)。

通过文献调研和查阅相关资料可知，洞庭湖区波浪的平均波高为0.18 m，平均波周期为1.45 s[21]，坡度大多数为2∶1，将上述数据代入式(1)可知单块驳岸砌块重量不应小于2.4 kg。

2.2 驳岸砌块厚度设计

根据规范[20]，驳岸砌块的稳定厚度计算公式为：

(2)

式中：t为砌块厚度，m；K1为相关系数，一般取0.266；γb为砌块的重度，kN/m3；γw为水的重度，kN/m3；H为计算波高，m；L为波长，m；m为堤防系数(m=cotα)。

查阅资料可知，洞庭湖区平均波高0.18 m，有效波高0.27 m，平均波周期1.45 s，平均波长3.28 m[21]，将上述数据代入式(2),可知单块驳岸砌块最小厚度为7 cm。

2.3 驳岸砌块结构设计

通过大量文献与现场调研以及结合洞庭湖区特点，设计的生态驳岸砌块如图4所示。此外，根据驳岸砌块重度、厚度要求，并结合六边形构建，最终确立驳岸砌块尺寸为：边长10 cm、厚10 cm，植生区内径为10 cm。

图4 新型生态驳岸砌块

由图4可知，驳岸砌块结构由六边形砌块本体和植生区两部分组成，通过在植生区种植当地优良草种形成根系群，既能加固堤岸边坡，又能固住驳岸砌块，主要优势如下：(1) 新型砌块的六边形通过摆放可组合成蜂窝状消浪块体，中间植被区可大幅提高砌块的空隙率，以此达到消能的效果；(2) 新型砌块主要适用于小风浪的湖泊地区，通过六边形上下棱角组合摆放可以保持整体稳定；(3) 新型砌块整体结构设计上无锐角，减少了应力集中所带来的负面效果，也使砌块制备时脱模难度降低[22]；(4) 新型砌块的植被区设定，使砌块整体空隙率降低，可以在相同工况下降低砌块厚度，减少铺设的建设投资；(5) 新型砌块在满足规范要求的前提下，自重较小，利于人员施工；(6) 新型砌块的植被区可种植植物，在美化环境的同时，植物穿过砌块在土坡中扎根，植物与砌块形成一定的锚固效应，使边坡稳定性大幅增加。

3 轻质骨料制备驳岸砌块配合比优化

3.1 正交试验设计

为进一步确定轻质骨料制备驳岸砌块的最优配合比，选取水灰比(因素A)、陶粒粒径(因素B)、空隙率(因素C)开展三因素三水平的正交试验(见表2)。

表2 三种影响因素水平值

砌块的主要测试方法如下：

(1) 抗压强度：采用混凝土伺服压力机，对立方体试样进行抗压强度测试，测试方法参照《水工混凝土试验规程》[23](SL 352—2020)。

(2) 空隙率：测试方法参照《多孔陶瓷显气孔率、容重试验方法》[24](GB/T 1966—1996)。

3.2 性能测试与结果分析

(1) 抗压强度。砌块抗压强度的高低是体现砌块性能强度的重要指标，其值越高说明砌块整体结构稳定性更强。

通过对9组正交试验下获取的抗压强度进行探讨，结果如图5、表3所示。

表3 抗压强度极差分析

图5 各影响因素对抗压强度的贡献效果图

如图5、表3可知，各因素对抗压强度的影响排序为因素B>因素C>因素A，三个因素均与抗压强度呈负相关关系。其中，随着因素A和因素C的增大砌块抗压强度缓慢下降；随着因素B的增大，砌块抗压强度急剧下降。分析产生上述现象的原因为，随着陶粒粒径(因素B)的增大，陶粒比表面积降低，陶粒个体之间粘结力快速下降，使整体结构稳定性下降，导致抗压强度降低[25]。

(2) 空隙率。空隙率是植生性砌块的重要性能指标，它的大小决定植物在其中的生长状况。通过对9组正交试验下获取的空隙率进行探讨，结果如图6、表4所示。

表4 空隙率极差分析

图6 各影响因素对空隙率的贡献效果图

由图6、表4可知，各因素对空隙率的影响排序为因素C>因素A>因素B。此外，由于因素C是设置空隙率，与空隙率拥有直接相关关系，故需要综合的考虑因素C对空隙率的影响。其中，因素A和因素B与空隙率呈负相关关系，因素C与空隙率呈正向关关系;随着因素A和因素B的增大孔隙率下降；随着因素C的增加，砌块孔隙率显著上升。

3.3 最优配合比求解

(1) 确定系统优化的目标函数。采用SPSS软件构建各影响因素与生态驳岸砌块性能参数之间的回归方程，确定系统优化的目标函数，结果见表5。

表5 回归方程系数及方程拟合度

(2) 约束条件与理想点目标。通过查阅规范要求以及结合实际的测试情况，确定生态驳岸砌块最优化性能如下：孔隙率不宜大于30%、抗压强度不宜小于1 MPa。根据上述要求，确定本次计算的理想点数据为空隙率25%，抗压强度2 MPa。

(3) 优化模型的求解。基于MATLAB编制程序，利用Fgoalattain优化模型对轻质骨料制备驳岸砌块配合比进行求解，主要步骤如下：(1) 将2个目标函数设为[y1,y2]，将非线性约束逐一输入；(2) 设置优化函数的初始值X0=[1,20]、目标值Goal=[2,25]和权重系数Weight=[5,1]；(3) 设置优化变量的最大和最小值为：Lb=[0.27,15,20]、Ub=[0.33,25,30]。经计算，求解得到的轻质骨料制备驳岸砌块最优配合比为水灰比0.27、陶粒粒径15 mm、设置空隙率25%。

4 结 论

(1) 通过分析淤泥的物理化学性能及可烧结性，洞庭湖淤泥具备烧结出性质优良的轻质骨料。烧结条件为：预热温度410℃、预热时间为20 min、烧结温度为1 112℃、烧结时间为5 min。轻质骨料性能为：孔隙率23.31%、膨胀率-5.75%、体积密度1.28 g/cm3、抗压强度20.35 MPa、1 h吸水率14.33%。

(2) 采用模型实验公式对新型生态驳岸砌块进行尺寸计算，同时考虑施工便利性、成本等以及相关的安全系数，确定砌块平面尺寸为边长10 cm的六边形，中间设有内径10 cm的植被区，厚度为10 cm。该砌块组成的护岸面层可以削弱波生浮托力；植物在该砌块的植被区中生长不仅可以使砌块和土体产生一定“锚固”作用，还可以使坡岸达到绿色护岸效果。

(3) 通过对砌块的配合比试验进行多目标-理想点分析，求解得到由洞庭湖淤泥烧结轻质骨料制备驳岸砌块的最优配合比为：0.27的水灰比，15 mm的陶粒粒径，25%的设置空隙率。该方法的提出对淤泥烧结制备驳岸砌块提供了新路径。

(4) 为了探究不同配合比对砌块的性能影响规律，选取水灰比(因素A)、陶粒粒径(因素B)、设置空隙率(因素C)开展了三因素三水平的正交试验，研究表明陶粒粒径对砌块性能影响最大，其次是水灰比，最后是设置空隙率。此外，确定了水灰比、陶粒粒径、设置空隙率与砌块物理性能的关联性，为后续制备生态驳岸砌块提供了调控方法。