植被型混凝土护坡技术研究与展望

甄自强，宋为威

（扬州大学 水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009）

为了实现河道正常的防洪、排涝、容蓄功能，保证水土保持和生态平衡，应该对河道进行有效的边坡防护。传统的护坡方法主要有砌石型护坡、框格型护坡、浅层保护型护坡、喷混型护坡和护面墙型护坡。其建筑材料主要是水泥、石料等硬性材料，传统的护坡主要特点是护坡强度高、时效长，但存在投资大、破坏生态环境等问题。随着时代发展及环境的要求，植被型混凝土护坡应运而生。

植被型混凝土护坡以保护、创造良好生态环境和景观为前提，同时保证护坡的安全和耐用，达到土体和生物的相互涵养，仿造适合动植物生长的自然状态。

德国、瑞士等国家在20世纪80年代末提出“自然型护岸”技术，日本在20世纪90年代初开始研究改变水质状况的混凝土并提出“亲水”概念。美国、欧洲等国家提出土壤生物工程护岸技术。

1 物理性能分析

1.1 植被根系对混凝土基材抗剪强度影响

植被根系在土体中可以视为天然加筋材料，通过限制土体的变形，提高土体抗剪强度，从而起到护坡作用。护坡基材自重或外荷载与植物根系之间存在相互错动，这种错动被他们之间的摩擦阻力抵消，根系受到拉力很大，根系与土体的侧向约束力提高了整体的强度。根系的数量、直径、种类等都会对基材的抗剪强度有一定影响。在一定范围内，根系数量越多，根系抗拉能力越强，接触面积越大，摩擦力越大［1］。在不同时期植被与基材粘聚力随土层深度变化明显，可认为是与不同土层根系生长特征有关，在不同土层植被根系分维系数较大。不同期限的根土复合体各土层剪应力随垂直压力增大而增大，植被根系对土壤内摩擦角影响较小，植被根系对土壤黏聚力有一定的增强作用［2］。

1.2 主体结构强度分析

主体结构由粗骨料和胶凝材料构成，主要依靠粗骨料之间的摩擦力和胶凝材料形成的黏聚力构成强度。

粗骨料是植被型混凝土骨架，主要有碎石、废弃砖块、再生混凝土等。不同的粗骨料、相同粗骨料不同级配或粒径配置的混凝土性能差异较大。制作时应选用强度高的石料，同时选择粒径较大的颗粒，这样形成的孔隙满足植物生长的需要。

胶凝材料以水泥为主，当骨料定量时，增加水泥用量，浆体层增厚，骨料连接点增多，强度随之升高，但是孔隙率降低，且pH值升高［3］，不利于植被生长。

植被型混凝土添加了有机质，较水泥土强度低，其抗压全应力应变曲线类似于普通混凝土，具有脆性材料性质。植被型混凝土模量大致随水泥掺入比和龄期的增加而增加，峰值应变大致随水泥掺入比和龄期增加而减小［4］。

1.3 混凝土基材冻融效应

当温度下降到零度时，植被型混凝土内水体结晶，形成较多冰夹层、冰棱体的膨胀，引起基材颗粒发生位移，容易产生边坡失稳，水土流失。对基材冻融效应影响强弱顺序为种植土类型、含水率、冷端温度、融化温度。植被型混凝土的冻胀率随冷端温度或含水率的升高而增加，砂土配置的植生型混凝土融沉系数和冻胀率比黏土配置要小，融化温度对融沉系数影响不显著且无规律可循。融沉与冻胀过程对其耐久性的破坏主要体现在内部微观结构上，冻融对总的体积变化作用微弱［5］。经历过冻胀和融沉之后，植被型混凝土黏聚力下降，内摩擦角多表现为增大，抗剪强度降低，且黏聚力随着冷端温度的下降而下降。含水率对植被型混凝土的黏聚力和内摩擦角具有双重影响，内摩擦角随着含水率增加而减小，黏聚力先快速减小后缓慢减小最后至稳定［6］。

2 绿化技术

2.1 特点

水泥用量大于5%，喷射层具有护坡所需的强度，抗冲刷能力强且不易产生龟裂，采用国产机械设备干式分两层喷播，喷射距离远，喷射厚度不超过10cm，在面层含植物种子，采用高技术专利绿色添加剂，有效控制植物生长pH值环境。

2.2 植被型混凝土配方

（1）壤土：80%～90%，含砂量小于10%，粒径小于1cm，创造植物生长条件。

（2）P.O 425号水泥：5%～12%， 要求少含游离的CaO和MgO，提高混凝土强度和抗冲刷能力。

（3）有机质：10%～20%，酒槽、稻壳、锯末，增加养分，改善土壤结构。

（4）肥料：0.6%～1.0%，一般复合肥，提高土壤营养。

（5）保水剂：0.08%～0.1%，一般吸水树脂，提高抗旱能力。

（6）草种：30g/m2，冷暖季混合草种，播种。

（7）绿色添加剂：2%～5%，专利产品，主要调节pH值。

2.3 草种搭配

目前工程中多使用外国进口草种，速度快、成活率高、整齐一致，工程经验证明以下3种搭配适合我国华南、华中、华北地区。

（1）高羊茅、百喜草、羊胡子草、狗芽根、银合欢组合适用于华南地区。

（2）高羊茅、黑麦草、羊胡子草、狗芽根、胡枝子组合适用于华中地区。

（3）狼尾草、黑麦草、紫花苜宿、狗芽根组合适用于华北地区。

2.4 施工工艺

植被型混凝土护坡施工工艺主要有：施工准备、清理整平坡面、测量放样、安放铁丝网、锚钉锚固、喷射植被混凝土、覆盖养护［7］。

3 主要功能分析

3.1 水土保持功能

植被型混凝土基材以壤土为介质，掺入一定比例的水泥、有机质、保水剂及三峡大学专利绿色添加剂与水混合而成。自身满足植被生长所需的营养，同时也要足够强度。植被护坡常使用三围植被固土网，留有较大空间充填砂砾及土壤，延伸率低、强度高，防止坡体下滑。植被根系均匀穿过挂网，形成牢固的复合力学体系。挂网加筋能够改善基材接触环境和约束整体变形，增加网丝粗糙度和直径从而加大接触面和摩擦，利用网面凹凸处理增大与基材的咬合力。铆钉的锚固作用将基材固定在坡面上，连同水泥黏结力和植物根系作用，一同保证坡面的抗滑稳定。坡面植被成型后植被根系穿插网孔，挂网、根系、基材相互结合。植被根系通过与土体缠绕将土体锚固与挂网上。植物根系通过加筋作用，增加挂网和基材的接触面积，增大基材稳定性［8］。

3.2 生态功能

植被型混凝土孔隙率高，平均孔隙直径为4～5mm，缓释性材料不断溶出增加内部孔结构，拥有较大的比表面积，从而具有较好的过滤和吸附功能，使水资源得到净化。混凝土中溶出的Ca（OH）2是絮凝剂，能够使水中的胶体物质絮凝沉淀下来，缓慢溶出的Mg2+可以与水中的NH4+发生交换，也可以与水中的磷酸根离子生成磷酸氢镁沉淀。溶出的Al3+形成氢氧化铝后成为无机混凝剂，去除水中部分胶体物质。同时多孔结构的植被混凝土提供了适合微生物生长的生存环境，如硝化菌、脱氮菌、甲烷菌等厌氧和好氧性细菌在孔隙内大量繁衍栖息。有研究认为采用孔隙率20%～30%的植被型混凝土护坡净化河水，BOD、COD的去除率达50%，T-N、T-P的去除率可达30%以上。其净水功能使得水资源得到净化，保证源头水质，保障了引水安全。

植被型混凝土具有良好的透水性和透气性，在能够抵抗堤岸受到侵蚀的同时，又可以保证植被正常地生长，从而建成具有自然生态性的护坡，并且形成一道绿色的自然景观，进而使生态得到修复［9］。

4 其他种类生态护坡方法

按照各个地区的时间和空间分布特点及流域分布和河道自身特征，应选取合适护坡方式。除传统的混凝土护坡及植被型混凝土护坡之外，还有植物护坡、三维土工植被网护坡、土工材料复合种植基护坡。

4.1 植物护坡

利用植物地上部分形成堤防迎水坡面，改善土壤结构，增加表层土壤团数目，提高表层土壤的抗剪强度，能够减少迎坡面的侵蚀作用及坡面的水土流失。

水生植物芦苇、宫蒲对水体中的N、P具有良好的吸收效果［10］。植物根系给水土微生物提供良好的栖息环境，由此形成的生物膜有利于水体自然净化。植物护坡形成的自然河道在长期的紊乱流动，有利于水体的增氧。根系发达、适应性强、抵抗力强的植物主要有：羊毛草、紫花苜宿、黑麦草、芦苇、野茭白等。

4.2 三维土工植被网护坡

三维土工植被网主要利用活性植物与土工材料相结合，类似于丝瓜瓢状植草土工网，加入炭黑尼龙丝加工而成。丝与丝的相互交叉缠绕熔合黏结，孔隙率89%以上，孔隙之中填充草种与土。植物生长后，穿过土工网，根系深入土壤连同土工网合为一体，牢固地贴于坡面，能够有效防止坡面径流冲刷破坏。实践表明：草皮形成之前，坡度为45°时，土工网固土阻滞效率接近98%，坡度为60°时，效率接近85%。边坡植被覆盖率超过30%以上，能够承受小雨冲刷，当覆盖率达到80%时能够承受暴雨冲刷。在水较深情况下，能够抵御6m/s流速的水流，对于2d的水流，也能承受4m/s流速，且能够使流速显著下降。植被应具有根系发达、耐旱涝等特点，如蟛蜞菊、百喜草等适合做此类型护坡植被［11-12］。

4.3 土工材料复合种植基护坡

主要由喷塑铁丝网笼装碎石、种植土和肥料组成复合种植基，适用于流速大的河流，整体性好、抗冲刷能力强、适应地基沉降能力强，有效避免了预制混凝土护坡整体性差和现浇混凝土、模袋混凝土较差适应地基沉降，同时满足生物与微生物共存的生态型护坡。另外，还有土工网垫、土工格栅、土工单元固土种植基。由聚乙烯、聚丙烯等制成的网垫与草种、种植土组成土工网垫，具有疏松、柔韧特点，随着植被生长能够有效地使网垫、草皮、泥土牢固连为一体，一般由人工铺设网垫，利用草籽加水力喷草技术完成植物种植［13］。

5 结语

从水利发展、农业发展、环保要求及生态平衡等看，植被型混凝土护坡技术将会从部分地区实施到全面覆盖，护坡技术也将会越来越成熟，成本也会越来越低。未来的植被型混凝土护坡技术可以着重考虑河流自净功能，并且考虑保护生物多样性，与计算机建立联系，能够通过互联网实时监控分析河流及周边土壤、植被、大气的污染状况，并能够及时控制环境污染。

［1］Endo Tsuruta T.The effect of tree roots upon the shearing strength of soil［J］.Annual report of the Hokkaido Branch，Tokyo，Japan： Tokyo Forest Experiment Station，1969（18）：168-179.

［2］黄晓乐.草本植物根系对植被混凝土基材浅层抗剪强度的影响［D］.宜昌：三峡大学，2011：16-32.

［3］曾三海，沈炫.多孔植被混凝土护坡结构工作性能研究［J］.土工基础，2009，23（6）：49-50.

［4］许文年，夏振尧，周宜红，等.植被混凝土无侧限抗压强度试验研究［J］.水利水电技术，2007，38（4）：53-54.

［5］周明涛，杨平，胡欢，等.植被混凝土生态基材冻融效应试验研究［J］.水土保持研究，2013，20（2）：286-287.

［6］周明涛，胡欢.冻融作用对植被混凝土抗剪强度的影响［J］.中国水土保持科学，2014，12（2）：87-88.

［7］许文年，叶建军，周明涛，等.植被混凝土护坡绿化技术若干问题探讨［J］.水利水电技术，2004，35（10）：50-51.

［8］周正军，许文年，刘大翔，等.岩质边坡植被混凝土护坡基材力学稳定性探讨 ［J］.三峡大学学报 （自然科学版），2010，32（3）：57-60.

［9］蒋彬，吕锡武，吴今明，等.生态混凝土护坡在水源保护区生态修复工程中的应用［J］.净水技术，2005，24（4）：48-49.

［10］王超，王沛芳，唐劲松，等.河道沿岸芦苇带对氨氮的削减特性研究［J］.水科学进展，2003，14（3）：311-317.

［11］张宝森，荆学礼，何丽.三维植被网技术的护坡机理及应用［J］.中国水土保持，2001（3）：32-33.

［12］周海波，梁庆东.三维植被网草护坡效果研究［J］.广西交通科技，2003，28（3）：72-75.

［13］李海东，林杰，张金池，等.生态护坡技术在河道边坡水土保持中的应用［J］.南京林业大学学报（自然科学版），2008，32（1）：121-122.