植生混凝土護(hù)坡技術(shù)在黃河堤防中的應(yīng)用

劉其鑫

（山東黃河河務(wù)局，山東 濟(jì)南 250011）

濟(jì)南天橋趙莊險(xiǎn)工位于黃河左岸，上游為京滬高鐵大橋，下游為齊魯黃河大橋，趙莊險(xiǎn)工48#壩基本位于兩橋的中間位置，壩長約180 m，是一段沒有砌石防護(hù)的土壩檔。48#壩下游200 m處的在建齊魯黃河大橋是濟(jì)南市“攜河北跨”戰(zhàn)略重要通道，也是實(shí)現(xiàn)濟(jì)南城市發(fā)展總體戰(zhàn)略的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程。濟(jì)南北跨戰(zhàn)略的啟動(dòng)以及齊魯黃河大橋的建設(shè)，對(duì)黃河兩岸的工程風(fēng)貌和環(huán)境美化、綠化提出了更高的要求，根據(jù)山東省政府及濟(jì)南市政府對(duì)黃河生態(tài)景觀帶的總體思路和規(guī)劃，在確保黃河防洪安全的基礎(chǔ)上，主要節(jié)點(diǎn)工程周邊的環(huán)境需要進(jìn)一步改造和提升。

1 植生混凝土試驗(yàn)

1.1 研究方法

研究采取室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)與檢測(cè)相結(jié)合的方式進(jìn)行，通過室內(nèi)外試驗(yàn)和現(xiàn)場檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)和分析。室內(nèi)試驗(yàn)主要對(duì)護(hù)坡的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)指標(biāo)、性能參數(shù)等進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)。現(xiàn)場試驗(yàn)內(nèi)容包括試驗(yàn)區(qū)的整理、試驗(yàn)護(hù)坡的設(shè)計(jì)和施工等。試驗(yàn)段為趙莊險(xiǎn)工48#壩。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案是將48#壩180 m長的邊坡分為兩個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行實(shí)施。

方案一：土質(zhì)基層+格構(gòu)梁+植生混凝土+生物基質(zhì)植被層。該方案是在土質(zhì)基層上進(jìn)行植生混凝土護(hù)坡施工，試驗(yàn)長度180 m左右。邊坡壓實(shí)整平后，在坡面澆筑混凝土格構(gòu)梁，分格尺寸為2.5 m×2.5 m，格構(gòu)梁尺寸為0.2 m×0.2 m，然后進(jìn)行混凝土攤鋪施工，混凝土厚度為10 cm，混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，將種植基混合生物材料平鋪在混凝土表面，厚度為10 cm。草種選用狗牙根草，無紡布（或草苫子）覆蓋養(yǎng)護(hù)。

方案二：土質(zhì)基層+格構(gòu)梁+生物基質(zhì)植被層。該方案為對(duì)比方案，試驗(yàn)長度20 m，位于試驗(yàn)段的下游端是在土質(zhì)邊坡上澆筑混凝土格構(gòu)梁，但不設(shè)植生混凝土澆筑層，然后直接平鋪壤土及種植基混合層厚20 cm。

2 植生混凝土制備

2.1 配合比確定

植生混凝土是以膠凝材料包裹骨料的形式，依靠點(diǎn)與點(diǎn)的粘結(jié)成型的多孔大粒徑骨料結(jié)構(gòu)，需滿足植株的生長所需空間，植物發(fā)芽生根通過混凝上內(nèi)部連續(xù)貫通的孔隙達(dá)到底層上壤，孔隙率宜控制在21%~30%。

本項(xiàng)目采用普通硅酸鹽水泥制備植生混凝土。混凝土的水灰比控制為0.32，目標(biāo)孔隙率為28%，粉煤灰按水泥的14%添加。植生混凝土配合比見表1。

表1 植生混凝土配合比

2.2 植生混凝土成型

攪拌過程中采用二次投料方法，首先將骨料倒入攪拌機(jī)中，加入1/3的拌合水?dāng)嚢?0 s，然后加入水泥攪拌30 s，再加入外加劑和剩余拌合水?dāng)嚢? min后卸料，試件成型150 mm×150 mm×150 mm試模采用壓搗成型。

植生混凝土拌合物分兩層裝入試模中，第一層的厚度約為試模高度的2/3，第二層約高出試模30 mm。每層壓搗次數(shù)按10 000 mm2截面積內(nèi)均勻壓搗8次，其中4個(gè)角各一次，在平面內(nèi)部壓搗次數(shù)力求等距離和均勻分布。壓搗完畢后用抹刀處理，使混凝土上表面基本與試模表面齊平。

試件成型后，覆膜置于混凝土室48 h后拆模，拆模后放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。制備完成的植生混凝土放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待制備成型的混凝土固結(jié)成型后即可脫模，脫模后的混凝土迅速轉(zhuǎn)移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室里養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室控制室內(nèi)溫度20℃，相對(duì)濕度95%以上。

3 植生混凝土性能檢測(cè)

3.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)定及分析

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)定硅酸鹽水泥抗壓強(qiáng)度與骨料粒徑關(guān)系見表2和圖1。

圖1 骨料粒徑與抗壓強(qiáng)度

表2 植生混凝土28 d抗壓試驗(yàn)結(jié)果

利用骨料粒徑為16~20.5 mm的碎石制備植生混凝土，28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)5.1 MPa；25~31.5 mm級(jí)配碎石制備的混凝土抗壓強(qiáng)度大幅下降，幅度在41.3%以上；16~31.5 mm級(jí)配碎石制備的混凝土抗壓強(qiáng)度有顯著回升。

3.2 抗凍耐久性測(cè)定及分析

1）骨料級(jí)配對(duì)混凝土抗凍性的影響。用粗骨料制備16～31.5 mm、16～24 mm、24～31.5 mm和20～27 mm級(jí)配的植生混凝土，測(cè)試其抗凍性能?；炷僚浔戎蟹勖夯覔搅堪此嗟?4%來添加，孔隙率為28%，水膠比為0.32。不同骨料級(jí)配下植生混凝土凍融循環(huán)后質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失如圖2所示。

圖2 骨料級(jí)配對(duì)抗凍性能的影響

由圖2可見，植生混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)后的強(qiáng)度損失和質(zhì)量損失均比較大。經(jīng)過25次凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失達(dá)到30%以上，質(zhì)量損失較小。不同的級(jí)配混凝土經(jīng)25次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度損失沒有規(guī)律性，質(zhì)量損失16~31.5 mm級(jí)配的混凝土較高。經(jīng)過50次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度損失相比混凝土25次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度損失沒有進(jìn)一步增加，50次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失進(jìn)一步增加，甚至倍增。

2）孔隙率對(duì)混凝土抗凍性的影響。制備不同孔隙率的植生混凝土抗凍性的影響，實(shí)驗(yàn)所用配比見表3。

表3 孔隙率對(duì)植生混凝土抗凍性實(shí)驗(yàn)配比

凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失結(jié)果見圖3。

圖3 孔隙率對(duì)抗凍性的影響

由圖3可見，植生混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失率隨混凝土孔隙率增加而降低。當(dāng)植生混凝土的孔隙率由20%增加至25%時(shí)，凍融循環(huán)造成的強(qiáng)度損失大幅下降。50次凍融循環(huán)后植生混凝土的強(qiáng)度損失與25次相比變化不大。植生混凝土植生混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率隨混凝土孔隙率增加而增加?？紫堵瘦^低時(shí)，混凝土經(jīng)25次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率與50次相差不大?？紫堵蕿?0%時(shí)，經(jīng)過50次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率大幅增加。經(jīng)檢測(cè)，所有試塊25次凍融循環(huán)均滿足抗凍耐久性指標(biāo)要求。

4 植被生長性及堤坡沖刷檢測(cè)

狗牙根草具有良好的適應(yīng)性、生長性及護(hù)坡效果，生長高度適中，耐干旱耐貧瘠，植被覆蓋度較高，對(duì)堤坡的防沖保護(hù)效果較好。

4.1 狗牙根草皮生長性監(jiān)測(cè)

通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)區(qū)根系的采集與試驗(yàn)處理得出，狗牙根具有根狀莖和匍匐枝，根系致密，須根細(xì)而堅(jiān)韌。匍匐莖平鋪地面或埋入土中，光滑堅(jiān)硬，節(jié)處向下生根，匍匐莖發(fā)達(dá)，約80%根系分布。

4.2 堤坡沖刷檢測(cè)

據(jù)現(xiàn)場查看和檢測(cè)，僅在部分臨近框格梁邊緣位置出現(xiàn)細(xì)小沖溝，中間位置未見明顯沖溝，位于坡底位置的第6行土壤侵蝕相對(duì)較重。從現(xiàn)場檢測(cè)情況來看，框格梁植生混凝土結(jié)合覆土和植草的護(hù)坡結(jié)構(gòu)對(duì)保持堤坡穩(wěn)定、防止水土流失發(fā)揮了較好的作用，固土護(hù)坡效果明顯。

5 結(jié)論

從2020年5月施工至2021年9月，通過持續(xù)16個(gè)月的養(yǎng)護(hù)、現(xiàn)場觀測(cè)、樣本檢測(cè)以及相關(guān)的室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場檢測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場效果來看，植生混凝土護(hù)坡在護(hù)坡能力、防沖刷及固土效果、工程外觀、日常維護(hù)以及經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境提升效果等各方面總體表現(xiàn)良好，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康暮透纳?8#壩工程外觀的目標(biāo)。

根據(jù)堤防的功能、類型、位置，建議混凝土厚度在10~15 cm；框格的大小、形狀可以根據(jù)堤坡坡度、基層土質(zhì)和外觀要求適當(dāng)選擇，建議不小于2.5 m×2.5 m；覆土厚度建議在10 cm左右。

在黃河下河段重點(diǎn)工程、樞紐工程、重要堤段、管理段以及黃河文化廣場附近或周邊的工程邊坡，均可采用植生混凝土植草護(hù)坡進(jìn)行防護(hù)。