河道生态护岸设计中的底泥固化技术中试

顾向阳，顾竹珺，李飞鹏，朱元中，陶　红

(1.上海市崇明区农村水利管理所，上海　212150；2.上海理工大学环境与建筑学院，上海　200093)

崇明岛以建设和发展世界级生态岛为主要目标。然而由于部分城乡中小河道水动力不足，河道底泥长期不能得到有效疏浚，大量污染物、营养盐累积在底泥中，在水力扰动下释放到上覆水，导致河道水质恶化；再加上地表径流、农村分散式生活废水和畜禽养殖污水的排放，进一步加剧了河道污染，引起河道黑臭[1-2]。崇明河道坍塌的主要表现形式为坡蚀、沟蚀以及重力侵蚀[3]，主要是由于崇明的土壤为沙洲冲积土，下层的砂性土土质颗粒浑圆光滑不具棱角，疏松状态下颗粒间摩擦小，在地下水渗透水流的作用下，很容易发生坍塌；船体航行的船行波、降雨冲刷以及植被破坏等也是造成河坡坍塌、河床淤浅的重要原因[4]。生态型护岸成为了当前城乡中小河道治理的发展趋势[5]。生态护岸改变了传统护岸只注重安全性和耐久性，隔断水生和陆生生态系统之间联系的不足[6-7]，是利用植物或植物与土木工程相结合的一种“可渗透”的新护岸形式，这种护岸可以充分保证河岸与水体之间的水分交换和调节功能[8-9]，增强河道的自净能力，改善水环境。目前崇明常用的护岸型式主要有桩板式护岸、浆砌块石挡墙、绿化混凝土、生态石笼、连锁块、生态袋等[4,10]，河道各功能发挥的基础依赖于护岸材料的生态健全和结构稳定。已有研究提出将疏浚底泥固化材料用于河道生态设计的理念[11]，即以河道底泥为原料，基于固化稳定化技术，既可以稳定重金属不迁移入环境中，又可以使其具备一定强度制备成砌块和吸附材料等。尽管从理论上来讲该技术已颇为成熟，但鲜有应用于河道生态恢复的中试研究或者工程实践。

本研究以上海市崇明区港沿镇某独立河段为研究对象，采用固化稳定化技术将河道疏浚底泥制备成砌体和吸附材料，原位应用于崇明河道护岸生态设计实践，考察了实际工程的生态安全性，旨在验证底泥制备材料在河道护岸工程中的应用效果，为河道实际工程的生态设计应用提供参考，进而实现河道的综合治理和生态恢复。

1　河道概况

该河道位于崇明港沿镇马桥中学旁(E121°38'49.0992"，N31°35'33.6372")，河道周边环境以农田为主，一面靠近学校。河道在修复前，水流侵蚀边坡导致土壤基质流失严重，边坡周边普遍存在农民私自耕种轮作的现象，土壤性质被农药肥料及腐烂的农作物根系改变；同时，由于坡面流和纵向水流的协同作用，水位变动区域水土严重流失，致使河岸带基础部分不稳定，河道周围植株稀疏，杂草丛生，还产生了一定程度的边坡向河中央滑移、河床抬高和近水河床裸露等问题。

2　河道生态护岸设计方案

2.1　底泥固化稳定化技术

底泥固化和稳定化是通过添加水泥、其他添加剂等，利用水泥的水化反应将底泥封装包裹，使底泥胶结行成具有一定强度的安全耐久性工程材料。该方法在改善底泥物理性质的同时稳定底泥中的污染物，使其不易迁移进环境中，是实现河道底泥资源化利用的有效处理方式。

河道护岸和护坡的砌筑砌块以及多孔材料均采用工程河道内的疏浚底泥作为原料。砌筑砌块材料(图1)中基础部分的配比为固化剂D，容重为0.4，水泥与底泥比为0.06，7 d抗压强度可达到750 kPa；护岸砌筑部分(图2)的配比为固化剂GH，容重为0.4，固化剂与底泥比为0.30，7 d抗压强度为1 890 kPa。砌筑砌块材料的抗压强度等级、抗剪强度等级、容重比等均满足《土壤固化剂应用技术导则》(RISN-TG003-2007)。

图1　河道基础砌筑建材生态砖

图2　河道护岸砌筑轻质生态砖

砌筑建设所需多孔材料(图3)的配比为发泡剂GH，容重为0.7，水泥与底泥比为0.4，抗压强度为380 kPa，透水率为0.7×10-2cm/s，平均孔隙率为27%。砌筑建设所需多孔材料的密度等级、抗压强度等级、抗剪强度等级、透水率、透水饱和率均满足《土壤固化剂应用技术导则》(RISN-TG003-2007)和《轻集料及其试验方法-第1部分：轻集料》(GB/T 17431.1—2010)中的要求。

图3　河道护坡砌筑多孔材料

2.2　河道护岸生态设计

河道护岸生态设计工程总长度为60 m，水面总面积为180 m2。河道护岸和护坡的生态设计应能实现边坡的抗冲蚀和抗滑动能力，减少水土流失，维持坡面坡型，采用的砌筑材料应具有良好的透水性，不仅能够保障植物生长，而且能提高植物和微生物的栖息质量，以达到恢复河道自然生态的目标[6,12]。河道边坡护岸按照结构性质分类，一般可分为非结构性和结构性，非结构性边坡适合坡度较缓且水流平缓的河段，结构性边坡则适于坡度水流中等或较强的河段[13]。根据河岸的原始情况和景观需求，本研究设计了图4的结构型护岸。在修复边坡生态系统的过程中，恢复植物带是一种重要的河流生态系统恢复措施，河道水生植物可以有效吸收河水中的营养盐，改善河水水质，提高河水自净能力[14]；同时，水生植物对水流具有消能和防冲作用，可形成保护性的岸边带，减少水中的夹砂含量；较大面积的绿植可以削减地面径流污染，涵养水分，起到调节小气候，改善周围生境的重要作用[15]。因此，在本设计中，护岸护坡和近岸河道分别移植和栽种了草皮、挺水植物和沉水植物。

原始河岸土壤基质不稳定，必须经过底部基础处理后，才可以保证河岸和边坡的工程质量和使用寿命。在设计中，近岸处的河床底部采用置石或建筑废料、废木材等进行加固。各部分的设计参数如表1所示。

以《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)中的堤防工程标准进行砌筑。基础砌筑部分长60 m，断面宽度为0.8 m，断面深度为0.5 m。由于原始河岸土质疏松，为加强河岸的抗冲刷能力，护岸基础砌筑部分使用生态砖，挺水植物和沉水植物种植在空隙及延伸处；上层护岸砌筑长60 m，断面宽度为0.4 m，断面深度为0.5 m，采用轻质生态砖，挺水植物种植在空隙及延伸处；护坡整治长60 m，断面宽度为1 m，断面深度为0.1 m，在护坡土层平整好后，采用河道底泥搅拌固化剂后直接平铺浇筑于土层之上，浇筑高度为0.1 m，再以绿化草皮覆盖，搅拌时加入发泡剂使材料多孔，通过对草皮的养护，不影响植物的自然生长，逐步接近自然状态。

表1　整体护岸护坡设计参数

以护岸近水和护坡为区域划分，近水种植美人蕉(Cannageneralis)、花叶芦苇(Mosaicreed)，每株种植距离为20 cm，护坡铺设草皮，保证河岸自然生境和生态系统的恢复和发展。

3　工程分析方法

现场选取地基水下部分、护岸水下部分、护岸平台以及护坡砌筑材料制备直径61.8 mm、高20 mm的试块各12块，共48块，采用电动等应变直剪仪测点试块抗剪切力。砌块安全性检测采用《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》(HJ/T 300—2007)，由NexION 300X ICP—MS(PE公司)测定分析重金属含量。分别于2016年8月～10月，在中心河道使用便携式水质测定仪(WTW Muti 350i)进行测试，分析pH、溶解氧、电导率等水质指标。

4　工程效果分析

该河道护岸生态设计的施工工程于2016年8月结束。在8月～10月期间，对工程砌筑的剪切强度及内摩擦角进行检测，同时，对工程范围内的河道pH等水质参数进行了连续7次检测。

由图5可知，地基部分底泥材料的平均抗剪强度为252.74 kPa，护岸水下部分的平均抗剪强度为308.76 kPa，护岸平台部分的平均抗剪强度为371.495 kPa。随着时间变化，生态砖的总体抗剪强度稍有下降，主要原因可能是工程在14～8 d遇到了连续强降雨，雨水的冲刷和长时间浸泡使材料的固化过程受到影响，导致其抗剪强度下降；生态砖的抗剪强度在28～90 d逐渐趋于稳定，表明降雨结束后水位下降，未受到浸泡影响的生态砖的固化过程逐渐完成。图6表明底泥砖在90 d的内摩擦角没有发生太大的变化，说明底泥砖本身结构稳定，未受到破坏，这也说明剪切力的下降和砌块本身关系不大，可能是受到外部环境变化造成的。

图5　护岸砌筑部分剪切力变化

图6　护岸砌筑部分内摩擦角变化

图7　护坡部分剪切力和内摩擦角变化

由图7可知，护坡的平均剪切强度为7.84 kPa。28 d时，护坡的剪切力和内摩擦角出现明显的下降，原因其一可能是14～28 d期的连续强降雨使护坡的固化受到了影响；其二是由于河道位于学校后面，28 d时学校已经开学，学生在岸坡上的活动一定程度上干扰了工程的养护以及植被的生长恢复。28～90 d，经过工程养护和修补以及减少学生活动，植被根系逐渐发育，抗剪强度也随之增大，但总体增强程度不高，原因可能是临近秋季，植被生长能力下降[16]。

护岸护坡整体工程采用砌筑材料的7～90 d浸出毒性如表2所示，均满足《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB 5085.3—2007)，说明污染物稳定性良好，各污染物浸出毒性也远低于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的III类水标准，说明砌筑材料均具备环境安全性。

表2　护岸护坡工程采用砌块材料的7～90 d浸出毒性

固化过程中使用了水泥，水泥为强碱性物质，若释放到水体中，会对水体微生物生态造成危害。但该生态护坡工程河道水质的pH值总体保持在8左右，呈弱碱性状态，说明固化后的底泥材料不会对河道的微生物系统造成破坏。种植于水中的美人蕉、芦苇等植物生长状态良好，在种植3周后有30%的植株开花，护坡铺设草皮生长迅速，全面覆盖护坡区域。生态恢复效果情况与上海市嘉定区北潮塘河段的河道工程类似[12]。

该中试工程将疏浚底泥固化后的材料用于河道生态设计中，与多数利用混凝土预制的仿自然型生态护坡、土质类护岸设计不同，既保证了边坡的稳定，减少了水土流失，又促进了河道水体自净能力的恢复，从而达到河道与周边环境自然修复的良性循环。同时，将底泥制材用于建设生态河道，不仅使得河道内源污染削减[17-18]，也实现了闭环循环的河道生态系统目标，弥补了现代河道生态设计的不足。本河道护岸中试工程的实景如图8(a)和图8(b)所示。在后续的研究中，还需要探索疏浚底泥固化材料的不同应用维度，以及针对崇明中小河道的河道治理、工程设计及景观设计过程中的多目标利用和效果。

图8　河道护岸中试工程前后对比 (a)施工前；(b)施工后

5　结论

以上海市崇明区港沿镇马桥中学旁的60 m小河道作为研究对象，基于生态设计理念，应用固化稳定化技术，进行河道护岸生态设计的中试工程试验。

(1)工程主要建材为固化后的河道底泥和边坡土壤，以《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)中的堤防工程标准进行砌筑，在近岸河床底部采用置石或建筑废料堆砌加固，护岸砌筑使用建材式生态砖和轻质生态砖，护坡土层原位固化后栽种植物，最终达到了稳定边坡土壤、美化河道环境和恢复河道生态的目标。

(2)该中试工程的护岸在90 d内平均抗剪切强度为310.9 kPa；护坡的平均抗剪切强度为7.84 kPa，材料结构稳定安全。浸出毒性符合《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB 5085.3—2007)以及《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的III类水标准。

(3)河道水pH保持为弱碱性，没有发生明显变化。河岸周围植株生长良好，植被覆盖率上升，自然生态环境逐步恢复。

(4)将疏浚底泥应用于河道生态修复工程中，实现了底泥资源化利用，达到“取之于河，用之于河”的闭环循环利用效果，为崇明建设世界级生态岛、进行河道生态恢复的计划提供了科学依据。

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