植生混凝土河道护坡截表层土反滤特性研究

于鹏飞

（凌源市应急供水建设管理处，辽宁 朝阳 122500）

传统河道护坡多采用浆砌石等硬化护坡，忽略了周边环境的生态性，导致堤体周围生态退化，水体的自净能力减弱［1］。作为一种新型绿色建筑材料，植生混凝土将生态与混凝土两者有机地结合起来，破除了传统混凝土对生态环境的制约，在保持水土、提高边坡稳定、降低环境负荷、修复生态环境、保持生物多样性、协调人与自然等方面［2］都发挥积极有效的作用。因此，将植生混凝土作为护坡材料逐渐引起国内外学者的广泛关注。宋文杰［3］等研究发现植生混凝土能够有效提高N、P的去除率，混凝土的孔隙构造加强了植物的净化水质效果；林志光等［4］表明植生混凝土受水位骤降的影响较小，能够连续并有效地净化水体；郑德戈等［5］对植生混凝土防护特性进行研究，表明在堤防护砌工程中植生混凝土受水位骤降的影响较小。本文以高羊茅草籽为种植对象，选择不同边坡坡度、不同粒径粗集料，对浆砌硬化护坡、植生混凝土表层覆土植草、植生混凝土表层覆土未植草、植生混凝土表层无覆土、普通土体模式的影响进行了研究，针对植生混凝土截流表层土质、反滤和吸附除杂性能进行试验，通过控制变量和设置空白对照组的方法选择护坡方式，并对植生混凝土护坡进行了综合评价，以期为植生混凝土在实际工程中的应用提供参考，有着重要的现实意义。

1 试验设计

1.1 边坡选择

河道护坡是众多护坡类型中的一种，河道边坡坡度根据工程特点、土的工程性质及挖填高度而定，模拟河道坡度分别为1∶1和1∶3。

1.2 降雨强度计算

考虑到降雨对生态护坡坡面的冲刷作用，对应凌源市地区暴雨重现期P=5年，降雨强度如式（1）：

式中 F为汇水面积（m2）；Q为流量（L/s）。

1.3 边坡模拟装置

（1）长方体木箱设计尺寸600mm×400mm×120mm，木箱下方出口高度85mm，将木箱置于冲刷支撑架，并调节坡度1∶1至1∶3。

式中 q为暴雨强度（L/s·ha）；T为降雨历时（s）；P为重现期（a）。

降雨装置出水口雨水量计算如式（2）：

（2）选用低碱硫铝酸盐水泥作为胶凝材料，采用15～20，20～25，25～30mm的粗集料，标准养护28d。

（3）将土壤敷设在模型板框内底层，设置厚度50 mm。

（4）将保水剂、土壤、水、营养液均匀地填充到生态混凝土试件上，表面覆土栽种高羊茅植株并进行冲刷试验。

2 河道护坡截表层土反滤特性

2.1 植生混凝土截留表层土质性能分析

对植草边坡进行60min的冲刷试验，结束后烘干并计算拦截的土质量。试验装置固定放置完毕后，将对照组和试验组的护坡模型置于试验装置上，进行植生混凝土截留表层土质冲刷试验，实验结果如表1，图1。

表1 冲刷土体质量

图1 不同模拟边坡的表层土质冲刷量

由图1可以看出：

（1）强降雨作用下两种模拟边坡覆土未植草组的土质流失量分别为1.4652kg和1.1385kg，覆土植草组的土质流失量分别为0.7623kg和0.5049kg，植物根系对土壤的拦截率分别高于覆土未植草组的47.97%和55.65%。

（2）在试验过程中，边坡系数为1∶1的覆土植草组30min后出现明显的塌落、滑坡现象；边坡系数为1∶3的覆土植草组流失土质量不断增加，但未出现明显的滑坡现象。植株根系使土壤连接成板块，降雨水作用下，土壤整体分裂成多个板块，出现分层滑坡的现象。

（3）敷设植生混凝土后，边坡系数为1∶1的覆土未植草组比覆土未植草组的泥土损失减少了47.97%；覆土植草植组比覆土未植草组的泥土损失减少了89.19%；边坡系数为1∶3的覆土未植草组比覆土未植草组的泥土损失减少了55.65%；覆土植草植组比覆土未植草组的泥土损失减少了92.17%。

（4）边坡系数为1∶1时，强降雨作用下粒径为15～20，20～25，25～30mm覆土未植草组的土质冲刷量分别为0.1584，0.1881，0.2277kg，比覆土未植草组泥土损失分别减少了46.67%，44.12%，41.03%；边坡系数为1∶3时，在强降雨作用下，粒径为15～20，20～25，25～30mm覆土未植草组的土质冲刷量分别为0.0891，0.1287，0.1683kg，比覆土未植草组泥土损失分别减少了55.01%，40.91%，37.04%。表明覆土植草组能够明显减少了雨水的冲刷作用，主要由于植株的根系固结土壤的能力较强，能够有效增强表面土壤的抗冲刷能力。

2.2 植生混凝土反滤性能分析

为分析流水对植生混凝土底层土壤的影响规律，对混凝土的反滤性能进行研究，试验分组设计如表2。试验装置固定放置完毕后，将对照组和试验组的护坡模型置于试验装置上，进行植生混凝土反滤性能试验，实验结果如表2，图2。

表2 底层土质冲刷量

图2 不同坡度护坡方案冲刷土质量

由图2可知：

（1）在强降雨强度条件下，随混凝土骨料粒径的增大，底部土壤流失率不断上升；随着边坡系数的增大，混凝土底部的土壤流失量不断减小。

（2）边坡系数为1∶1的表层无覆土无植草边坡60min内的土壤流失质量1.31kg，15～20，20～25，25～30mm植生混凝土组的底部土壤流失量分别为0.0792，0.1089，0.1584kg；植生混凝土对底部土壤的反滤拦截率达86.92%。

（3）边坡系数为1∶3的表层无覆土无植草边坡 60min内 的 土 壤 流 失 质 量0.897kg，15～20，20～25，25～30mm植生混凝土组的底部土壤流失量分别为0.0198，0.0693，0.1089kg；植生混凝土对底部土壤的反滤拦截率达96.82%。

（4）主要是由于植生混凝土表面呈凹凸不平，内部为多孔构造，能够减少强降雨等恶劣天气对混凝土结构的破坏。实际工程中，流水湍急的岸侧选用粒径较小的粗集料，能够有效减少流水对土质边坡的侵蚀作用，防止土质边坡管涌等土质流失现象发生。

2.3 植生混凝土吸附除杂性能分析

将凌源市本地0.5～1mm粒径的细河砂作为固体杂质，试验组类设计如表3。装置固定放置完毕后，将对照组和试验组的护坡模型置于试验装置上，进行植生混凝土吸附除杂试验，实验结果如表3，图3。

表3 冲刷细砂质量

图3 不同坡度护坡方案冲刷泥沙质量

由图3可知，在强降雨冲刷下，普通硬化混凝土护坡对固体颗粒的拦截作用微弱，边坡系数为1∶1和1∶3时，固体颗粒的流失分别为0.9207kg和0.8712kg；边坡系数为1∶1时，无覆土植草组和覆土植草组，固体颗粒的流失最高分别为0.2376kg和0.2673kg；边坡系数为1∶3时，无覆土植草组和覆土植草组，固体颗粒的流失最高分别为0.2178kg和0.2079kg。

表明，植生混凝土护坡的模拟边坡对固体杂质的拦截率大幅提升，同时随粗集料粒径的增加，植生混凝土对固体的拦截能力不断减弱，主要是由于植生混凝土以多孔混凝土为框架，降雨过程中，固体颗粒随水流汇入到孔隙中，导致固体杂质扩散受阻。

试验发现，边坡系数对固体拦截能力影响明显高于骨料粒径的影响；覆土植草和无覆土植草均能够较好的拦截固体污染杂质，其中无覆植草组和覆土植草组对固体杂质拦截率高于普通硬化护坡。强降雨条件下植草对固体杂质的拦截作用明显提高，主要由于植株茎叶及根系对表层种植土质和固体杂质截留具有很好的拦截作用，同时植物能够吸收有害物质并将固体杂质分解为各种无机物、有机物，为微生物和植物提供了营养环境，进而减少了生物链内有害污染物的传播。

3 结语

采用模拟降雨实验，选用两种护坡形式研究了植生混凝土截留表层土、反滤特性及吸附除杂能力，主要的得出以下结论：

（1）覆土植草组能够明显减少了雨水的冲刷作用，两种模拟边坡覆土未植草组的土质流失量分别为1.4652kg和1.1385kg，覆土植草组的土质流失量分别为0.7623kg和0.5049kg，植物根系对土壤的拦截率分别高于覆土未植草组的47.97%和55.65%。

（2）实际工程中，流水湍急的岸侧选用粒径较小的粗集料，能够有效减少流水对土质边坡的侵蚀作用，防止土质边坡管涌等土质流失现象发生。

（3）覆土植草和无覆土植草均能够较好的拦截固体污染杂质，其中无覆植草组和覆土植草组对固体杂质拦截率高于普通硬化护坡，该研究能为植生混凝土在实际工程中的应用提供参考。