基于生态型护坡结构的湖泊河道修筑防护技术研究

刘敬晶

(深圳市龙岗区水务局，广东 深圳 518000)

湖泊河道是在特定水文、气候、地理条件下不断演化而形成的，是一套平衡而又完整的生态系统。然而在人类生产生活活动的不断干预下，湖泊河道产生了很多问题，例如，在对某河段进行局部治理的过程中对其他河段的环境、安全问题造成影响；人工化河道破坏湖泊中的生物多样性，降低其自我修复能力，带来湖泊生态系统的退化；人类生活不断侵占河道，使河道越来越窄，对其过流能力造成影响等[1]。这些问题也影响了河道的安全性，由此，湖泊河道修筑防护技术成为湖泊河道领域的重点研究课题。湖泊河道修筑防护是一种系统化的，集美学、园林学、城市规划学、生态学、生物科学、环境科学、水利工程学等学科为一体的水利工程，是修复湖泊生态系统的重要建设部分，受到越来越多人的重视[2]。

对于湖泊河道修筑防护技术的研究，全世界都非常重视，并取得了多样化的研究成果。其中国外对于湖泊河道修筑防护技术的研究历史较为悠久，主要侧重于对自然的护岸工程进行构建，也就是构建自然型湖泊河道。有学者提出一种基于天然材料的湖泊河道修筑防护技术。这种技术主要通过天然材料包括卵石、竹笼、木桩等对护岸工程进行构建。我国对于湖泊河道修筑防护技术的研究在近几十年来也取得了突破性的进展，并对先进建筑材料进行研发。对比以往湖泊河道修筑防护技术，在工程效能、工程成本以及施工工艺等方面都有了很大进步。有学者提出了一种基于加筋土护岸的湖泊河道修筑防护技术，这种技术主要是利用加筋土这种新型材料进行湖泊河道修筑防护。以上技术在抗冲刷性、施工难易度、材料透水性等方面存在性能较低的问题，因此在湖泊河道修筑防护技术的研究中应用生态型护坡结构，提出一种基于生态型护坡结构的湖泊河道修筑防护技术，实现湖泊河道的生态型修筑防护。

1 基于生态型护坡结构的湖泊河道修筑防护技术设计

1.1 选择工程材料

基于生态型护坡结构对湖泊河道进行修筑防护，其中混凝土材料选用随机多孔型绿化混凝土这种新型材料[3]。随机多孔型绿化混凝土在生长基部分需要的水泥和集料要求具体如表1所示。

表1 生长基部分需要的水泥和集料要求

随机多孔型绿化混凝土的制作要求具体如下：

搅拌要求具体如下：使用的搅拌机类型为强制式，具体如图1所示。水泥浆需充分、均匀的对集料进行包裹。拌和使用的加水方式为二次加水，也就是首先在集料里加入一半水，起到湿润集料的作用，然后加水泥，在搅拌过程中加入剩下的水，直至水泥浆完全包裹集料[4]。将搅拌时间整体控制在4 min左右。

图1 使用的强制式搅拌机

浇注要求具体如下：使用分隔式模具，在外框模具中注入混凝土，并将其振捣成型。此时在内框模具内进行无砂混凝土的注入，并进行拍击、插捣，接着拿出内框模具，进行振捣，粘合两种混凝土，振捣力度不能过大[5]。

养护要求具体如下：初凝之后，通过湿养护的方式对其进行养护，每天进行四次大水量水浇[6]。养护时间要求具体如表2所示。

表2 养护时间要求

起模或拆模要求具体如下：等到水泥浆具备一定硬化强度，并且外框混凝土和无砂混凝土彻底粘合时进行起模或拆模[7]。

对于随机多孔型绿化混凝土来说，其生长基处的无砂混凝土较为薄弱，需要对其抗压强度指标进行控制[8]。

其抗压强度与水泥用量、集料粒径有关，在32.5硅酸盐水泥实际用量不同、碎石粒径不同的情况下，对随机多孔型绿化混凝土植物生长基进行抗压强度实验[9]。具体实验结果如表3、表4所示。

表3 抗压强度数据表

表4 数据分析结果

根据实验数据，选择骨料粒径为261.5～31.5 mm、灰骨比为1比4的无砂混凝土配比[10]。

以该无砂混凝土配比对随机多孔型绿化混凝土进行快速冻融实验，其中一个冻融循环的时间为四小时。具体实验结果如表5所示[11]。

表5 快速冻融实验具体实验结果

实验结果证明该无砂混凝土配比具备很好的抗冻融能力。

1.2 构造混凝土板块

利用随机多孔型绿化混凝土制作混凝土板块，并对其进行湿度环境与表面温度的观测研究，获取板块的最佳植物种植情况[12]。其中利用随机多孔型绿化混凝土制作的混凝土板块具体如图2所示。

图2 利用随机多孔型绿化混凝土制作的混凝土板块

利用随机多孔型绿化混凝土制作的混凝土板块表面积较大，能够带来很大的植物可播种范围，其边长为520 mm，可以达到0.20 m2的播种面积，在总板块面积中可以达到85%的占比，其表面吸热面积在总板块面积中则仅占15%，能够降低板块的实际温度，为植物带来更好的生长环境。其凹槽具备一定厚度，能够承载较多土壤，并且能够降低土壤流失率，提高植物的发芽率[13]。在植被发芽初期，为提升其成活率，降低养护植物的工作量，可以在凹槽中对切块草坪卷进行铺设。

对于板块的外框，需要考虑三种因素：成本造价、工艺难度以及耐久性和强度[14]。综合以上三项因素，确定外框的具体配比，具体如表6所示。

表6 外框的具体配比

对混凝土板块进行表层温度的统计与观测，结果显示板块适合播种植物种子的时间比较提前，更适合对茂密型、耐热型植物进行种植，并且板块具有积蓄低温的情况[15]。

并对混凝土板块进行湿度环境的统计与观测，结果显示在板块孔隙中填充营养材料后，孔隙需要保持在60%～90%的相对湿度，才能保证植物的良好生长。

制作板块时使用的机具为绿化混凝土专用的成型构件制作机组，具体如图3所示。该机组的起降模式为气压式，模板材质为塑料，且机身自重较轻、操作简单[16]。

图3 绿化混凝土专用的成型构件制作机组

1.3 选择护坡植物

对于混凝土板块这种特殊的植物种植环境，需要保证低温、干旱、贫瘠、高温等环境下植被的可再生性，以及较小的养护工作量和易成活性。加上湖泊河道这一特殊环境，需要食物的地面锚固能力较强，增强湖泊河道防护功能[17]。因此在选择植被时，需要选择具备以下特点的植被：

(1)匍匐茎或根茎较为发达，根系具备很强的扩展性，可以达到迅速对地面进行覆盖的效果；分枝和匍匐茎韧性、弹性较强；易繁殖、生长势强、恢复及再生能力较强；具备较长的生存年限且观赏价值较高。

(2)抗逆性较强、适用性强大，能够抗病虫害、耐瘠薄、耐高温、耐寒、耐旱，更杂草相比竞争力更强。

(3)株型较为低矮，分蘖或分枝较多，具备较大的草枝密度，叶片呈现细长、直立、繁茂状态，是阳光能够照到下层的草坪，避免下层叶片枯死或黄化。

(4)深根型植物不宜选择，其根系容易对混凝土结构造成损坏，甚至可能造成决堤的恶果。

综合上述要求，重点对当地草种进行驯化，并对一些成熟的优良品种进行选择，将范围定在牛毛草、多叶老芝麦、菖蒲、冰草、野麦草、大叶樟、白绿苔草、弯囊苔草、翦股颖、草地早熟禾、紫羊茅等。

2 实例研究

2.1 方法设计

对设计的基于生态型护坡结构的湖泊河道修筑防护技术进行实例研究。在不同地区的多个湖泊河道中开展该技术的实例研究。实验地区的具体情况如表7所示。

表7 实验地区的具体情况

对于几个实验地区，基于生态型护坡结构的湖泊河道修筑防护技术进行生态型护坡的构建。对该技术的抗冲刷性、施工难易度、材料透水性进行测试与记录作为实验数据。

2.2 结果分析

基于生态型护坡结构的湖泊河道修筑防护技术构建的生态型护坡具体如图4所示。

图4 构建的生态型护坡

2.2.1 施工难易度实验结果

首先对基于生态型护坡结构的湖泊河道修筑防护技术的施工难易度进行测试。该技术的施工难易度测试结果具体如图5所示。

图5 施工难易度测试结果

根据图5的施工难易度测试结果，基于生态型护坡结构的湖泊河道修筑防护技术的施工难度整体较低。

2.2.2 抗冲刷性实验结果

接着对该技术的抗冲刷性进行测试，基于生态型护坡结构的湖泊河道修筑防护技术的抗冲刷性实验数据具体如图6所示。

根据图6的抗冲刷性实验数据可知，在各个实验地区，基于生态型护坡结构的湖泊河道修筑防护技术的抗冲刷性都很强。

图6 抗冲刷性实验数据

2.2.3 材料透水性实验结果

最后对基于生态型护坡结构的湖泊河道修筑防护技术的材料透水性进行测试。为增强测试结果的对比性，将现有的两种湖泊河道修筑防护技术作为实验中的对比技术进行测试结果的对比。这两种技术分别为基于天然材料、基于加筋土护岸的湖泊河道修筑防护技术。记录三种实验技术在实验地区的平均材料透水性实验数据，具体如图7所示。

图7 平均材料透水性实验数据

根据图7的平均材料透水性实验数据，在测试中，基于生态型护坡结构的湖泊河道修筑防护技术的平均材料透水性高于基于天然材料、基于加筋土护岸的湖泊河道修筑防护技术的平均材料透水性，具备良好的材料透水性能。

3 结语

在湖泊河道修筑防护技术的研究中应用生态型护坡结构，实现了较高的抗冲刷性、较低的施工难度以及较高的材料透水性，并在实验中取得了良好的防护效果。