生态混凝土在岩溶地区高速公路水环境治理中的应用分析

曹禄来， 周 焱

(中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410000)

0 引 言

岩溶地区属于水生态环境脆弱的地区，其自然生态环境是一个整体性的开放系统，常与地下溶洞、沟河及管道系统相联通，地表水极易快速渗入地下水系，形成丰富的地下水资源，并以暗河和地下湖为主要赋存形式，成为沿线居民生活和农业灌溉的主要水源。在公路运营期间，许多污染物如汽车尾气排放、轮胎和路面磨损、燃油泄露、空气中尘埃沉降等累积大量的悬浮颗粒、营养盐、重金属和多环芳烃(PAHs)等呈可溶的或不可溶的悬浮固体颗粒，通过地表直接渗入地下水，对其局部的破坏和污染都将导致整个生态环境质量的下降[1，2]。因此，在岩溶地区地下暗河入口等水生态环境脆弱的特殊区域，必须对路面径流污染水环境加强防治[3]。

当前国内高速公路对路面径流采用传统路肩沟，用于拦截路面径流，避免直接冲刷路基边坡，但现在常用的硬化路肩沟没有植物过滤，污水直接流向边沟。服务区污水处理以沉淀池为主，沉淀池普遍存在容积小、雨水径流污染控制能力弱、污水处理效率低等不足[4，5]。为了有效地解决传统沉淀池的缺点，在生态沟渠和人工湿地底部铺设生态混凝土。结合人工湿地处理的生态混凝土技术具有投资少、效果好、运转费用低、生态环保的优点[6-8]。

1 生态混凝土特性分析

1.1 生态混凝土的技术组成

生态绿化混凝土按照使用功能分：

(1) 透水混凝土，不考虑植生，仅考虑渗水、透水、排水；

(2) 绿化混凝土，可以植生，有效地将混凝土和绿色植物结合起来

生态混凝土铺装层是由：集料+水泥+透水混凝土增强剂+水等，经过特殊工艺拌制、浇筑、摊铺而成的结构层。

1.2 生态混凝土的配合比

生态混凝土的原材料如下：

沥青：无特殊要求，满足当地气候、交通条件以及公路等级的道路石油沥青或改性沥青。

水泥：选用符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)质量要求的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5级。

集料：含泥量<1.0%，压碎值、含泥量均<15%，质地坚硬、耐久、洁净、密实的碎石，粒径分别为2.4～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm，性能指标应符合现行国家标准《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)中的二级要求。

增强剂：采用国外先进合成工艺和核壳结构设计而成，参与水泥水化反应形成高分子聚合物水泥水化体，可大幅提高混凝土的抗压强度和耐久性。

表1 生态混凝土配合比

1.3 生态混凝土特性分析

生态混凝土铺装主要有以下五大特性：

1.3.1 防洪防涝——“渗”

透水混凝土由特定级配的集料、胶结材料等经过特殊工艺拌制而成，集料骨架间形成了大量连通孔隙，从而形成了渗透“通道”，孔隙率可达15%～30%，能有效缓解城市排水系统的泄洪压力。

1.3.2 缓解热岛效应——“滞”

透水铺装内部及下垫层中滞留的水体通过太阳辐射的蒸发作用，使地面和近地表空气温度降低，减轻夏季地面的烘烤感，改善夏季城市炎热环境。

1.3.3 补充地下水——“蓄”

透水铺装可以积蓄降落在路面上的雨水，还可以收集周边广场、建筑屋顶等汇集的雨水补充地下水，保持土壤湿度。

1.3.4 净化水质——“净”

透水铺装采用活性材料制成透水铺装的生态膜片，可作为微生物生长的载体，形成大量丝状细菌、硝化菌，能有效去除污水中有机物，同时还可以吸收SOx和NOx等有害气体。

1.3.5 雨水再利用——“用”

透水铺装雨水收集技术通过透水路面与蓄水池和管网系统结合，将降落的雨水收集起来，可用于绿地浇灌、洗车、道路喷洒等。

2 生态混凝土在高速公路中的应用

2.1 生态混凝土在高速公路培路肩中的应用

在以往的高速公路设计中，路堤培路肩上部多为直接填土，如图1所示。培路肩会逐渐长出浅层植被，这些植物能起到部分截留和过滤的作用。经过一段时间运营后，植被逐渐成长，培路肩上也会有堆积物和杂质残留，最终导致培路肩高于路面，形成了一个天然“止水带”，反而造成路面积水。

图1 土路肩填土示意图

因此，目前越来越多的高速公路培路肩已经不再采用传统的填土形式，而是用混凝土硬化，如图2所示，这样可以确保路面水的流出，但因为没有植物的过滤，污水将全部流向路堤边沟。

图2 土路肩硬化示意图

植生混凝土用来替代土路肩硬化的预制素混凝土，如图3所示，因为植生混凝土的孔隙较大，透水系数达到2 mm/s，其蓄水和孔隙大的特性，会利于草籽在其中生根，继而慢慢生长，这些植物则会对流经土路肩的污水起到一定的拦截和过滤作用。植物根系会沿着透水混凝土的孔隙一直向下生长，不会出露于土路肩的表面。透水铺装中的生态膜片本身也具有净化水质的作用。待杂质堆积或堵塞孔隙时，只需通过高压水洗的方式就能解决，维护起来比直接填土的培路肩方便很多，也更利于路面排水。且在维护过程中被破坏的植被，由于根系仍在透水混凝土孔隙中，过段时间仍会自动生长。

图3 土路肩铺装植生混凝土示意图

综上可知，在土路肩上面铺装植生混凝土，既能起到原土质路肩植草的生态过滤作用，又具有原硬化土路肩的排水功能，从而达到对路面径流的污水进行第一次拦截和过滤的目的。

11月16日，科技部组织专家对贵州省2015年承担的“喀斯特山区中药资源可持续利用关键技术”国家科技支撑计划项目进行验收。

2.2 生态混凝土在高速公路引水沟中的应用

在以往的高速公路中引水沟一般多采用浆砌片石梯形沟的形式，路面径流污水流经土路肩、填方边坡，再经过路堤边沟汇入引水沟中，传统的浆砌片石引水沟能有效防止水流冲刷，但是对于污水没有起到截留和过滤的作用。

因此，引水沟底部采用透水混凝土，并撒播草籽，可兼具防止水流冲刷和生物过滤的作用。采用植生混凝土来做生态引水沟的优点有：

(1) 植生混凝土孔隙大，兼具透水和蓄水功能，有利于生态植物的生长；

(2) 植生混凝土采用专用增强剂，不仅可以在保证高孔隙的前提下提高混凝土黏结强度，还可以有效抑碱，利于植物生长；

(3) 植生混凝土易于维护，一旦堵塞或堆积杂质，只需高压水洗方式即可解决；

(4) 透水铺装的生态膜片本身可以作为微生物生长的载体，能有效去除污水中的有机物、吸收有害物质，进一步净化路面径流污水。

2.3 生态混凝土在人工湿地中的应用

人工湿地净化污水主要是通过人工基质、水生植物和微生物共同完成的，其中最关键的是保证水生植物的良好生长。

传统的沉淀池没有一个好的水生植物和微生物生存的载体，而在人工湿地底部采用透水混凝土铺装，其生态膜片能够充当人工基质为微生物的生长提供稳定的依附表面。透水混凝土孔隙大，可以蓄水和泥沙，能为水生植物提供载体和营养物质，这样水生植物和微生物则能够吸收利用污水中的营养物质以及吸附、附集一些有毒有害物质，并降解污水中有机污染物。

人工湿地中堆积的污染物可以通过直接铲除或者植物收割最终从系统中去除。透水混凝土表面的植物收割之后，根系仍在孔隙中，日后可以继续生长，此污水处理系统可以长期循环使用，只要选择适合的水生植物，生态混凝土能提供良好的生长环境，在实现污水处理的同时还能起到较好的环境效应。

3 溆怀高速公路污水处理池案例分析

3.1 工程概况

湖南省溆浦至怀化高速公路地处湖南省中部向西部的过渡地带，雪峰山脉的北东向延伸区，呈东西向纵贯怀化地区北部。路线东起溆浦县北部，与新化至溆浦高速公路顺接，西至怀化市北部鹤城区黄金坳乡枫木坪，与包茂国家高速吉首至怀化段相接。溆怀高速公路是岩溶特别发育地区，地貌类型为丘陵间构造盆地、岩溶洼地、沅水溆水地带发育二级阶地为主，也是典型的丘陵岩溶区。

选取溆怀高速K121+100处附左侧作为污水处理池工程试验场地，该段主要为溶蚀剥蚀低山丘地貌，地形起伏较大，地质构造较复杂，含中等-丰富的裂隙岩溶水，岩溶非常发育，可见岩溶下降泉，附近分布有大型地下暗河。

3.2 污水处理流程设计

在沉淀处理前，设置植草渠道来引入路面径流，预先对污染物进行截流、净化处理；在沉淀处理后，可设置植草渠道将路面径流排入周围水体，或再接入渗滤系统或人工湿地处理后排入周围水体，路面径流污水处理流程如图4所示。

图4 路面径流污水处理流程

3.3 主要设计参数

整个净化系统效果除受原水水质的影响外，还与水平流速、沉淀时间、颗粒的沉降速度、进出口布置形式及排泥效果等因素有关。

3.3.1 污水停留时间

对于给定表面积的沉淀池，停留时间取决于沉淀池的深度。延长污水的停留时间，其投资增加不多，但处理效果却大幅提高。为适应水池沉淀、除油的功能，设计污水停留时间宜为2.5～3 h。

3.3.2 设计水平流速

为避免冲刷和淤积，平流式沉淀池水平流速宜控制在0.3 m/s左右。

3.3.3 表面水力负荷

表面水力负荷以通过沉淀池每小时、每平方米的水量来表示。设计表面水力负荷采用0.5～1.5 m3/(m2·h)。

3.3.4 沉淀有效水深

水池的总高度为沉淀有效水深与调节水深之和，沉淀有效水深选择大值时会加大整个水池的深度，造成结构设计及施工上的困难，导致投资增加；若水深过浅，会因水流引起污泥扰动。基于上述观点，沉淀有效水深采用0.8 m。

3.3.5 沉淀池几何尺寸

沉淀池一般有长方形和圆形两种结构形式，可充分利用公路沿线的原始低洼地块、施工时的取土坑或湿地改建。沉淀池的几何尺寸应根据降雨量和汇水面积，保证初期重污染径流的收集与储存，而中后期污染较轻的溢流水可由分流系统导走。根据以往的工程经验，长方形沉淀池的长宽比一般不小于4，长深比宜为8～12，池子的超高不宜小于0.3 m。圆形沉淀池的直径一般在10～40 m。

3.4 沉淀池优化设计

3.4.1 引水和排水沟渠采用生态混凝土

植草皮的明沟渠兼具防止水流冲刷和生物过滤的作用，能够对路面径流污水进行截留和过滤处理，同时能够绿化美化公路环境。因此，在设置路面径流污水处理系统时，引水和排水沟渠采用植草皮的生态边沟，生态边沟采用透水混凝土抹面，并播撒草籽。

生态边沟的断面形式采用梯形或三角形，边坡坡度为1∶(1～1.5)，沟的底宽和深度不宜小于0.4 m，透水混凝土抹面+培土植被厚度不小于20 cm，如图5所示。

图5 生态引水沟示意图

3.4.2 进水口处增设石墩和格栅

路面径流污水经过引水沟渠(植草生态土沟)进入沉淀池时，水流紊动可能比较剧烈，流场分布不均匀，为改善入池水流条件。对传统平流式沉淀池的入口进行改进，在进水口加设石墩，石墩对具有较大动能和紊动强度的水流产生拦截作用，迫使其径流污水向两侧横向扩散，减缓其运动趋势，降低其动能和紊动强度，从而对水流流场进行调节，使调节后的流场分布更利于径流中悬浮物的沉降。同时，在石墩之间增设粗格栅，用于拦截径流污水中的漂浮物体。

石墩的尺寸和间距应保证流经石墩的流量不发生明显变化，石墩的迎水面宽度在0.2 m左右，石墩间距在0.4 m左右，粗格栅的孔径为2 cm。石墩对水流调节平面示意如图6所示，粗格栅设置如图7所示。

图6 石墩对水流调节作用示意

图7 粗格栅设置

3.4.3 出水口处增设溢流槽

在沉淀池末端设有溢流堰，初期雨水上清液经溢流堰排入水体。传统沉淀池溢流堰长度有限，往往因负荷率过高而使出水挟带较多细小絮粒。本设计采用增设溢流槽的方式，并将溢流槽延长至沉淀区后部，从而进一步增加了溢流堰的长度。这一措施有两个优点：①溢流槽增加了溢流堰的长度，降低了堰负荷率，从而更易取得表层清水。②由于指形槽在一定的沉淀距离后即开始集水，此时一方面取得了池面已澄清的水，另一方面池内水体水平流速降低，相应延长了部分水体的停留时间。加设溢流槽后溢流堰出池水流示意如图8所示。

图8 溢流槽设置

3.5 沉淀池结构形式

路面径流沉淀池由进水段、冲洗集泥槽、沉淀室段、溢流堰、储水池等组成，如图9所示。

(1) 沉淀池进水口处增设石墩和粗格栅，石墩截面为20 cm×20 cm，高为100 cm，间距为30 cm，距离沉淀池入口1.0～2.0 m，用于减缓进水运动趋势，降低进水动能和紊动强度；同时，在石墩上安装粗格栅，粗格栅网格间距为2 cm，用于拦截径流污水中体积较大的漂浮物体。

(2) 设置集泥斗，矩形池或圆形池的池底都坡向集泥斗，矩形池的池底坡度通常取1%～2%，圆形池的池低坡度通常取4%～10%，以便于沉积的污泥向集泥斗滑动。对于沉积在沉淀池其他部位的污染物，可经冲洗进入集泥斗，便于集中由清理车抽吸或人工外运。

(3) 沉淀池出水口处增设溢流槽，溢流槽增加了溢流堰的长度，降低了溢流堰的负荷率，有利于取得更多的表层清水，提高平流式沉淀池的沉淀质量。

(4) 在集泥斗和溢流堰上设置闸门。在沉淀池正常工作时，两个闸门均处于常闭状态；在雨停后，当需要对池底冲洗时，首先开启集泥斗上闸门，放空沉淀室内的水，然后快速启动溢流堰上的闸门，使集水池内的水迅速冲入冲洗廊道，对池底的沉淀物进行冲洗。必要时可辅助人工清洗。

4 结束语

本文探讨了生态混凝土在高速公路水环境治理中的应用，改进了生态混凝土的配合比，将其应用于高速公路培路肩、引水沟和沉淀池中。生态混凝土在路面径流污水处理系统中可以应用在土路肩顶部(透水混凝土)、引水沟沟底和人工湿地的底部(植生混凝土)，三处同时作用，逐级净化，能够使得路面径流污水处理取得更为显著的效果。

以溆怀高速岩溶发育路段作为案例，为保护岩溶水环境，在水环境敏感区设计了径流收集系统和沉淀池，通过对传统沉淀池结构的优化，更好地实现了高速公路污水净化、雨水的调蓄暂存及沉淀处理，达到预防并减少公路初期雨水对水环境污染的目的。