植生混凝土护坡技术在黄河堤防中的应用

刘其鑫

（山东黄河河务局，山东 济南 250011）

济南天桥赵庄险工位于黄河左岸，上游为京沪高铁大桥，下游为齐鲁黄河大桥，赵庄险工48#坝基本位于两桥的中间位置，坝长约180 m，是一段没有砌石防护的土坝档。48#坝下游200 m处的在建齐鲁黄河大桥是济南市“携河北跨”战略重要通道，也是实现济南城市发展总体战略的关键节点工程。济南北跨战略的启动以及齐鲁黄河大桥的建设，对黄河两岸的工程风貌和环境美化、绿化提出了更高的要求，根据山东省政府及济南市政府对黄河生态景观带的总体思路和规划，在确保黄河防洪安全的基础上，主要节点工程周边的环境需要进一步改造和提升。

1 植生混凝土试验

1.1 研究方法

研究采取室内试验、现场试验与检测相结合的方式进行，通过室内外试验和现场检测的数据进行整理、统计和分析。室内试验主要对护坡的结构形式、设计指标、性能参数等进行相关的试验。现场试验内容包括试验区的整理、试验护坡的设计和施工等。试验段为赵庄险工48#坝。

1.2 试验方案

试验方案是将48#坝180 m长的边坡分为两个试验段进行实施。

方案一：土质基层+格构梁+植生混凝土+生物基质植被层。该方案是在土质基层上进行植生混凝土护坡施工，试验长度180 m左右。边坡压实整平后，在坡面浇筑混凝土格构梁，分格尺寸为2.5 m×2.5 m，格构梁尺寸为0.2 m×0.2 m，然后进行混凝土摊铺施工，混凝土厚度为10 cm，混凝土达到一定强度后，将种植基混合生物材料平铺在混凝土表面，厚度为10 cm。草种选用狗牙根草，无纺布（或草苫子）覆盖养护。

方案二：土质基层+格构梁+生物基质植被层。该方案为对比方案，试验长度20 m，位于试验段的下游端是在土质边坡上浇筑混凝土格构梁，但不设植生混凝土浇筑层，然后直接平铺壤土及种植基混合层厚20 cm。

2 植生混凝土制备

2.1 配合比确定

植生混凝土是以胶凝材料包裹骨料的形式，依靠点与点的粘结成型的多孔大粒径骨料结构，需满足植株的生长所需空间，植物发芽生根通过混凝上内部连续贯通的孔隙达到底层上壤，孔隙率宜控制在21%~30%。

本项目采用普通硅酸盐水泥制备植生混凝土。混凝土的水灰比控制为0.32，目标孔隙率为28%，粉煤灰按水泥的14%添加。植生混凝土配合比见表1。

表1 植生混凝土配合比

2.2 植生混凝土成型

搅拌过程中采用二次投料方法，首先将骨料倒入搅拌机中，加入1/3的拌合水搅拌30 s，然后加入水泥搅拌30 s，再加入外加剂和剩余拌合水搅拌5 min后卸料，试件成型150 mm×150 mm×150 mm试模采用压捣成型。

植生混凝土拌合物分两层装入试模中，第一层的厚度约为试模高度的2/3，第二层约高出试模30 mm。每层压捣次数按10 000 mm2截面积内均匀压捣8次，其中4个角各一次，在平面内部压捣次数力求等距离和均匀分布。压捣完毕后用抹刀处理，使混凝土上表面基本与试模表面齐平。

试件成型后，覆膜置于混凝土室48 h后拆模，拆模后放入混凝土标准养护室中养护。制备完成的植生混凝土放置在标准养护室中进行养护，待制备成型的混凝土固结成型后即可脱模，脱模后的混凝土迅速转移至标准养护室里养护，养护时间为28 d，标准养护室控制室内温度20℃，相对湿度95%以上。

3 植生混凝土性能检测

3.1 抗压强度测定及分析

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行混凝土抗压强度试验，测定硅酸盐水泥抗压强度与骨料粒径关系见表2和图1。

图1 骨料粒径与抗压强度

表2 植生混凝土28 d抗压试验结果

利用骨料粒径为16~20.5 mm的碎石制备植生混凝土，28 d抗压强度可达5.1 MPa；25~31.5 mm级配碎石制备的混凝土抗压强度大幅下降，幅度在41.3%以上；16~31.5 mm级配碎石制备的混凝土抗压强度有显著回升。

3.2 抗冻耐久性测定及分析

1）骨料级配对混凝土抗冻性的影响。用粗骨料制备16～31.5 mm、16～24 mm、24～31.5 mm和20～27 mm级配的植生混凝土，测试其抗冻性能。混凝土配比中粉煤灰掺量按水泥的14%来添加，孔隙率为28%，水胶比为0.32。不同骨料级配下植生混凝土冻融循环后质量损失和强度损失如图2所示。

图2 骨料级配对抗冻性能的影响

由图2可见，植生混凝土经过冻融循环后的强度损失和质量损失均比较大。经过25次冻融循环后强度损失达到30%以上，质量损失较小。不同的级配混凝土经25次冻融循环后的强度损失没有规律性，质量损失16~31.5 mm级配的混凝土较高。经过50次冻融循环后，强度损失相比混凝土25次冻融循环后的强度损失没有进一步增加，50次冻融循环后质量损失进一步增加，甚至倍增。

2）孔隙率对混凝土抗冻性的影响。制备不同孔隙率的植生混凝土抗冻性的影响，实验所用配比见表3。

表3 孔隙率对植生混凝土抗冻性实验配比

冻融循环实验的质量损失和强度损失结果见图3。

图3 孔隙率对抗冻性的影响

由图3可见，植生混凝土经冻融循环后强度损失率随混凝土孔隙率增加而降低。当植生混凝土的孔隙率由20%增加至25%时，冻融循环造成的强度损失大幅下降。50次冻融循环后植生混凝土的强度损失与25次相比变化不大。植生混凝土植生混凝土经冻融循环后质量损失率随混凝土孔隙率增加而增加。孔隙率较低时，混凝土经25次冻融循环后的质量损失率与50次相差不大。孔隙率为30%时，经过50次冻融循环后的质量损失率大幅增加。经检测，所有试块25次冻融循环均满足抗冻耐久性指标要求。

4 植被生长性及堤坡冲刷检测

狗牙根草具有良好的适应性、生长性及护坡效果，生长高度适中，耐干旱耐贫瘠，植被覆盖度较高，对堤坡的防冲保护效果较好。

4.1 狗牙根草皮生长性监测

通过现场实验区根系的采集与试验处理得出，狗牙根具有根状茎和匍匐枝，根系致密，须根细而坚韧。匍匐茎平铺地面或埋入土中，光滑坚硬，节处向下生根，匍匐茎发达，约80%根系分布。

4.2 堤坡冲刷检测

据现场查看和检测，仅在部分临近框格梁边缘位置出现细小冲沟，中间位置未见明显冲沟，位于坡底位置的第6行土壤侵蚀相对较重。从现场检测情况来看，框格梁植生混凝土结合覆土和植草的护坡结构对保持堤坡稳定、防止水土流失发挥了较好的作用，固土护坡效果明显。

5 结论

从2020年5月施工至2021年9月，通过持续16个月的养护、现场观测、样本检测以及相关的室内试验、现场检测数据和现场效果来看，植生混凝土护坡在护坡能力、防冲刷及固土效果、工程外观、日常维护以及经济性、环境提升效果等各方面总体表现良好，达到了试验目的和改善48#坝工程外观的目标。

根据堤防的功能、类型、位置，建议混凝土厚度在10~15 cm；框格的大小、形状可以根据堤坡坡度、基层土质和外观要求适当选择，建议不小于2.5 m×2.5 m；覆土厚度建议在10 cm左右。

在黄河下河段重点工程、枢纽工程、重要堤段、管理段以及黄河文化广场附近或周边的工程边坡，均可采用植生混凝土植草护坡进行防护。