再生节能型护坡在城市生态河道治理中的应用

王 鹏 张高旗 陈丽刚

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

1 概述

随着我国城市化进程的不断深入，建筑垃圾以及废弃混凝土已经成为威胁生态环境的重要因素。废弃混凝土中70%左右是天然砂石，天然砂石是一种短时间内不可再生的资源，弃置不用将极大的浪费自然资源，是有悖于可持续发展要求的行为[1]。但我国对废旧建筑材料资源的利用和处理相对滞后，致使废旧建筑材料利用水平较低，处理方式主要以露天搁置和填埋为主。这样的处理方式不仅为废弃物的运输、填埋增加了成本，而且由于占用大量土地，还会造成环境的污染和资源的浪费[2]。据资料显示，每使用100 t建筑垃圾再生产品，可以节约天然砂石150万 t，标准煤8.7万 t，减少二氧化碳排放6.6万 t，减少二氧化硫排放0.12万 t，减少建筑垃圾占地200余亩。因此对于再生骨料的利用成为解决这一环境危机的有效途径。建筑垃圾或者废弃混凝土经过清洗、破碎、分级和按一定比例相互配合后得到的骨料称为再生骨料或再生混凝土骨料(Recycled Aggregate/Recycled Concrete Aggregate，简称RCA)[3]。通过一定的加工制作工艺，使再生骨料在一定程度上恢复原有的性能，形成新的建材产品，从而使有限的资源得以再利用。

目前我国对建筑垃圾及废弃混凝土再生化的研究及应用也有了一定程度的发展，尤其将再生骨料制品应用于建筑工程取得了一定进步。但是，再生骨料在河道治理中的应用研究较少，国内很多城市成为了“水生态文明城市”试点，在我国节能、低碳、减量化的工程治理思路的指引下，在生态河道的治理中，更加应当从建筑垃圾回收利用的角度去思考工程设计，根据工程的具体特点，更多的应用再生节能型的材料，而不是传统意义上钢筋混凝土治理思路。这就对城市河道生态治理工程提出了更高的要求和标准。在满足防洪安全的前提下，实现节能型，生态型的治理愿景。本次研究以许昌市清潩河综合治理工程为背景，进行再生节能型护坡材料的应用研究，以期对今后的城市河道生态治理工程提供一定的借鉴。

2 再生节能型护坡在水利工程中首次应用

经过调研国内已经实施的生态河流治理工程和相关的文献资料，对目前我国城市河流治理中常用的生态防护材料进行了整理和归类，并且结合许昌市清潩河综合治理工程的实际情况，采用了多种形式的生态护岸，比如：格宾石笼、自然石、木桩、草坡、再生砌块、再生护坡砖等，其中再生砌块挡土墙和再生护坡砖属于首次在水利工程中的大胆尝试应用，旨在践行“会呼吸的河道”的设计理念，保护与修复水生态系统，维持城市河流的健康生命，提升城市品位，将许昌打造成一条城市生态文化廊道。

2.1 再生护坡砖

再生护坡砖以再生骨料、水泥为主要原料，并加入适量的外加剂或掺合料，加水搅拌后成型的再生砖。其结构采用四边穿插式组合，网边支撑相当于铰接，刚性的结构柔性化的处理，变形能力强。再者，由于再生护坡砖的大孔及相邻两块砖形成的连接孔，可以作为植生孔使用，也可以加入级配碎石起到消能防冲的作用。由于孔内植物的生长，根系扎入土层中，也起到一定的固坡作用，而且植物作为过滤屏障，也起到净化水质的作用，且施工中无需砂浆，无需大型机械，施工快，造价低，节能环保，见图1。

2.2 再生砌块挡墙

再生砌块挡土墙是以再生骨料、水泥为主要原料，并加入适量的外加剂或掺合料，加水搅拌后成型的再生砌块与土工加筋技术集成的一种柔性挡土墙。它是由填土、格栅、再生砌块、再生骨料滤层四者的结合体，见图2。

以上两种再生骨料型防护材料，均是再生骨料的制成品。具有相同的特点及优势，本次主要以再生砌块为例，进行深入的研究。

1)再生砌块的性能指标。

随着我国建筑行业的不断发展，再生砌块多用于建筑中的填充墙及其他非承重结构。因此对其的力学性能等指标的要求不高。而应用在水利工程中，对其的力学性能，抗冻融指标，渗透性能，抗冲刷性能等均有一定的要求。

a．再生骨料在生产破碎及原建筑承载使用期间产生了一定的损伤，使得再生骨料强度低于天然骨料。此外，再生骨料包含一定的水泥砂浆，弱化了骨料与水泥基体之间的粘结力，这也不利于再生混凝土砌块抗压力学性能[3]。因此通过调整砌块各种骨料之间的配置比例即可获得适合工程使用的砌块强度。本工程所使用的再生砌块根据设计要求，具有较高的抗压强度和抗冲击能力(特别体现在水下使用情况)，不会分裂或腐朽。采用的砌块强度等级不小于MU20。

b．再生骨料的吸水率较高，主要是由于再生骨料中水泥砂浆含量较高，再加上机械破碎中造成损伤积累，使再生骨料内部存在大量微裂纹，使再生骨料孔隙率高[4]。正是由于再生砌块的大孔隙的微观结构造就了其优越的透水性，当应用在生态河道治理时，挡水而不阻断水，因此使得用再生骨料所生产的再生砌块应用在生态河道治理工程中，不仅使得砌块的抗冻融能力有了很大的改善，而且有利于河水与地下水的联通和物质交换。

c．再生砌块及再生护坡砖均具有一定的抗冲刷能力，根据计算清潩河的水流流速从清潩河关庄闸至瑞贝卡大道河段，20年一遇断面平均流速1.13 m/s～3.40 m/s，50年一遇断面平均流速1.27 m/s～3.73 m/s，而这两种护坡材料的抗冲刷流速为5 m/s，均能满足抗冲刷的要求，抗冲刷能力较强。

2)结构稳定性。

a．再生砌块挡土墙属于柔性结构，再生砌块之间采取直接干垒无砂浆砌筑，对变形的适应能力较强，可以承受较大的位移而不至于失稳破坏，对小规模基础沉陷或短暂的非常荷载组合具有较强适应能力，特别是在松软基础上应用。

b．墙后填土和格栅之间的摩擦力改善了土的物理性质，使得填土与格栅结合成为一个整体，共同抵抗墙后土体的侧压力，依靠带有后缘的块与块之间的嵌锁作用以及加筋体来防止滑动倾覆。

c．再生级配骨料滤层与以往工程中所应用的级配碎石滤层具有同样的功能，由级配再生骨料进行替代，同样可以达到良好的排水效果，水体的顺利排出即可加大土工格栅的摩擦力，加筋土体采用土工布包裹，墙后部的水不仅可以及时的排出，而且又不会使得土中的细颗粒被带走，有效降低墙后水位，迅速减少挡墙后的水压力，增强了挡墙的抗滑稳定。

3)水体交换。

再生砌块挡土墙沿用自嵌式设计的同时做了进一步改进，利用建筑垃圾所生产的再生骨料代替天然骨料配制再生砌块，由于再生骨料的棱角较多，而且骨料表面较为粗糙，其组分中含有大量的已经硬化的水泥浆体，由于水泥石本身的空隙就比较大，在加工成型的过程中，会产生更多的微裂缝，这就使得再生骨料的透水性和透水速率要比天然骨料大得多，可以更多的进行水体的交换。应用于河道护岸时，挡而不隔的渗透性可保证河岸与河流之间的物质交换，实现生态护岸功能。

4)节能环保。

再生砌块采用了低碱水泥，可以有效的避免产品本身对水体中的各种生物的有害辐射；大体量的利用建筑垃圾或者回收的废弃混凝土作为基础材料来制作砌块，再生砌块在城市河道生态化治理中，一方面可大量利用废弃的混凝土及各种建筑垃圾，经特殊的工艺进行处理，用作天然骨料的直接替代品，可以减少河道治理工程对天然砂石骨料的开采利用和无节制的消耗；另一方面再生砌块的应用还从根本上解决了天然骨料日益匮乏及大量混凝土废弃物造成生态环境日益恶化等问题，也符合我国当前所提出的低碳、节能、环保的设计理念，保证了人类社会的可持续发展[5]。

5)景观效果好。

通过颜色、面层质感和块形的完美搭配，可实现各种装饰效果和风格。块体独具匠心的劈裂面产生的质感，块体之间上下错缝并前后退步偏移产生的美感，形成了独一无二的墙面，与单调的钢筋混凝土墙面或浆砌块石墙面相比更具生命力和新鲜感，能自然地融于周围建筑从而营造出和谐舒适的人居环境，如图3所示。

3 再生节能型护坡应用效益分析

3.1 生态效益

我国目前正处于建设发展的高速时期，大量建筑的改、扩建活动也迅猛发展，这样势必会应用到大量的天然矿石储备，不仅切断了可持续发展的道路，而且对于环境的污染、生态的破坏、资源的浪费是不可避免的。应当将建筑垃圾视为绿色生态的原材料，实现资源的循环利用，将废旧建筑材料通过科学的加工和改造，形成新的产品。尤其是在“水生态文明城市”的背景下，我国对“绿水青山”的需求愈加迫切，河道生态治理中大量的应用再生节能型材料可有效减少直接污染，改善城市河流生态环境。与堆放建筑垃圾的方式相比，可减少50%的一氧化二氮、99.3%的氮化物和28%的一氧化碳排放，生态效益显著。再生护坡材料的应用可以缓解资源与环境压力，符合绿色环保节能的要求，是未来水生态治理中材料应用的必然趋势，具有重大研究意义。

3.2 经济效益

再生砌块挡土墙及再生护坡砖除了具有良好的生态效果、优美的景观效果、优良的结构性能等优势之外，还可以在现场设计挡土墙位置、层位、高度与施工方法。可以改变砌块形状、大小，可不用机械施工。而无浆砌的施工方法可以大大提高施工速度，缩短建设工期。可以节省大量的人工费用，比传统的混凝土挡墙、浆砌石挡墙综合费用低，再生砌块挡土墙的经济效益较强。

3.3 社会效益

再生砌块及再生护坡砖在许昌市清潩河综合治理工程中的应用，不仅将建筑垃圾变废为宝，节约了城市资源，而且还带动了周边的建筑垃圾处理行业的发展，创造了更多的就业岗位，激活了建筑垃圾处理的市场环境。有效的解决了城市建筑垃圾，带来了巨大的社会效益。

4 结语

再生节能型护坡材料在许昌水生态文明城市的建设中，发挥了极大的优势和作用。大量的建筑垃圾得以有效的回收，并且在河道的治理中得到了广泛的推广和应用，极大的改善了河流的生态环境，形成了完整的水生态系统，打造出了“北国水乡”的盛世，经济效益，生态效益，社会效益显著。通过本次生态河流治理的初步探索，以期能给今后的河流生态化治理提供一定的理论依据和工程借鉴。

[1] 刘 宇.再生骨料在净水生态混凝土中的应用研究[J].混凝土,2007(9):63-65.

[2] 丁衎然.废旧建筑材料再利用与建筑拆解[J].建筑结构,2016(9):14-15.

[3] 孙跃东.再生混凝土骨料[J].混凝土,2004(6):33-36.

[4] 许 丽.再生混凝土砌块抗压强度及热工性能研究[J].新型建筑材料,2017(1):60-63.

[5] 吕智英.混凝土再生骨料的研究动态与发展趋势[J].混凝土，2010(6):33-36.

[6] 王新军.城市河道综合整治中生态护岸建设初探[J].复旦学报,2006(1):24.

[7] 王玉军.再生砖骨料多孔混凝土强度和透水性能研究[J].混凝土,2016(2):90-95.

[8] 梁开明.河流生态护岸研究进展综述[J].混凝土，2014,34(1):116-122.

[9] 马刚平.建筑垃圾再生骨料生产工艺及应用研究[J].环境工程，2013,31(3):116-118.

[10] 冯 婷.生态护坡技术在城市河道整治中的应用[J].中国给水排水,2008(20):58-60.