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        植生混凝土河道護(hù)坡截表層土反濾特性研究

        2019-01-02 05:49:00于鵬飛
        水科學(xué)與工程技術(shù) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:植生植草土質(zhì)

        于鵬飛

        (凌源市應(yīng)急供水建設(shè)管理處,遼寧 朝陽 122500)

        傳統(tǒng)河道護(hù)坡多采用漿砌石等硬化護(hù)坡,忽略了周邊環(huán)境的生態(tài)性,導(dǎo)致堤體周圍生態(tài)退化,水體的自凈能力減弱[1]。作為一種新型綠色建筑材料,植生混凝土將生態(tài)與混凝土兩者有機(jī)地結(jié)合起來,破除了傳統(tǒng)混凝土對(duì)生態(tài)環(huán)境的制約,在保持水土、提高邊坡穩(wěn)定、降低環(huán)境負(fù)荷、修復(fù)生態(tài)環(huán)境、保持生物多樣性、協(xié)調(diào)人與自然等方面[2]都發(fā)揮積極有效的作用。因此,將植生混凝土作為護(hù)坡材料逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。宋文杰[3]等研究發(fā)現(xiàn)植生混凝土能夠有效提高N、P的去除率,混凝土的孔隙構(gòu)造加強(qiáng)了植物的凈化水質(zhì)效果;林志光等[4]表明植生混凝土受水位驟降的影響較小,能夠連續(xù)并有效地凈化水體;鄭德戈等[5]對(duì)植生混凝土防護(hù)特性進(jìn)行研究,表明在堤防護(hù)砌工程中植生混凝土受水位驟降的影響較小。本文以高羊茅草籽為種植對(duì)象,選擇不同邊坡坡度、不同粒徑粗集料,對(duì)漿砌硬化護(hù)坡、植生混凝土表層覆土植草、植生混凝土表層覆土未植草、植生混凝土表層無覆土、普通土體模式的影響進(jìn)行了研究,針對(duì)植生混凝土截流表層土質(zhì)、反濾和吸附除雜性能進(jìn)行試驗(yàn),通過控制變量和設(shè)置空白對(duì)照組的方法選擇護(hù)坡方式,并對(duì)植生混凝土護(hù)坡進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),以期為植生混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考,有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        1.1 邊坡選擇

        河道護(hù)坡是眾多護(hù)坡類型中的一種,河道邊坡坡度根據(jù)工程特點(diǎn)、土的工程性質(zhì)及挖填高度而定,模擬河道坡度分別為1∶1和1∶3。

        1.2 降雨強(qiáng)度計(jì)算

        考慮到降雨對(duì)生態(tài)護(hù)坡坡面的沖刷作用,對(duì)應(yīng)凌源市地區(qū)暴雨重現(xiàn)期P=5年,降雨強(qiáng)度如式(1):

        式中 F為匯水面積(m2);Q為流量(L/s)。

        1.3 邊坡模擬裝置

        (1)長(zhǎng)方體木箱設(shè)計(jì)尺寸600mm×400mm×120mm,木箱下方出口高度85mm,將木箱置于沖刷支撐架,并調(diào)節(jié)坡度1∶1至1∶3。

        式中 q為暴雨強(qiáng)度(L/s·ha);T為降雨歷時(shí)(s);P為重現(xiàn)期(a)。

        降雨裝置出水口雨水量計(jì)算如式(2):

        (2)選用低堿硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料,采用15~20,20~25,25~30mm的粗集料,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。

        (3)將土壤敷設(shè)在模型板框內(nèi)底層,設(shè)置厚度50 mm。

        (4)將保水劑、土壤、水、營(yíng)養(yǎng)液均勻地填充到生態(tài)混凝土試件上,表面覆土栽種高羊茅植株并進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。

        2 河道護(hù)坡截表層土反濾特性

        2.1 植生混凝土截留表層土質(zhì)性能分析

        對(duì)植草邊坡進(jìn)行60min的沖刷試驗(yàn),結(jié)束后烘干并計(jì)算攔截的土質(zhì)量。試驗(yàn)裝置固定放置完畢后,將對(duì)照組和試驗(yàn)組的護(hù)坡模型置于試驗(yàn)裝置上,進(jìn)行植生混凝土截留表層土質(zhì)沖刷試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1,圖1。

        表1 沖刷土體質(zhì)量

        圖1 不同模擬邊坡的表層土質(zhì)沖刷量

        由圖1可以看出:

        (1)強(qiáng)降雨作用下兩種模擬邊坡覆土未植草組的土質(zhì)流失量分別為1.4652kg和1.1385kg,覆土植草組的土質(zhì)流失量分別為0.7623kg和0.5049kg,植物根系對(duì)土壤的攔截率分別高于覆土未植草組的47.97%和55.65%。

        (2)在試驗(yàn)過程中,邊坡系數(shù)為1∶1的覆土植草組30min后出現(xiàn)明顯的塌落、滑坡現(xiàn)象;邊坡系數(shù)為1∶3的覆土植草組流失土質(zhì)量不斷增加,但未出現(xiàn)明顯的滑坡現(xiàn)象。植株根系使土壤連接成板塊,降雨水作用下,土壤整體分裂成多個(gè)板塊,出現(xiàn)分層滑坡的現(xiàn)象。

        (3)敷設(shè)植生混凝土后,邊坡系數(shù)為1∶1的覆土未植草組比覆土未植草組的泥土損失減少了47.97%;覆土植草植組比覆土未植草組的泥土損失減少了89.19%;邊坡系數(shù)為1∶3的覆土未植草組比覆土未植草組的泥土損失減少了55.65%;覆土植草植組比覆土未植草組的泥土損失減少了92.17%。

        (4)邊坡系數(shù)為1∶1時(shí),強(qiáng)降雨作用下粒徑為15~20,20~25,25~30mm覆土未植草組的土質(zhì)沖刷量分別為0.1584,0.1881,0.2277kg,比覆土未植草組泥土損失分別減少了46.67%,44.12%,41.03%;邊坡系數(shù)為1∶3時(shí),在強(qiáng)降雨作用下,粒徑為15~20,20~25,25~30mm覆土未植草組的土質(zhì)沖刷量分別為0.0891,0.1287,0.1683kg,比覆土未植草組泥土損失分別減少了55.01%,40.91%,37.04%。表明覆土植草組能夠明顯減少了雨水的沖刷作用,主要由于植株的根系固結(jié)土壤的能力較強(qiáng),能夠有效增強(qiáng)表面土壤的抗沖刷能力。

        2.2 植生混凝土反濾性能分析

        為分析流水對(duì)植生混凝土底層土壤的影響規(guī)律,對(duì)混凝土的反濾性能進(jìn)行研究,試驗(yàn)分組設(shè)計(jì)如表2。試驗(yàn)裝置固定放置完畢后,將對(duì)照組和試驗(yàn)組的護(hù)坡模型置于試驗(yàn)裝置上,進(jìn)行植生混凝土反濾性能試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2,圖2。

        表2 底層土質(zhì)沖刷量

        圖2 不同坡度護(hù)坡方案沖刷土質(zhì)量

        由圖2可知:

        (1)在強(qiáng)降雨強(qiáng)度條件下,隨混凝土骨料粒徑的增大,底部土壤流失率不斷上升;隨著邊坡系數(shù)的增大,混凝土底部的土壤流失量不斷減小。

        (2)邊坡系數(shù)為1∶1的表層無覆土無植草邊坡60min內(nèi)的土壤流失質(zhì)量1.31kg,15~20,20~25,25~30mm植生混凝土組的底部土壤流失量分別為0.0792,0.1089,0.1584kg;植生混凝土對(duì)底部土壤的反濾攔截率達(dá)86.92%。

        (3)邊坡系數(shù)為1∶3的表層無覆土無植草邊坡 60min內(nèi) 的 土 壤 流 失 質(zhì) 量0.897kg,15~20,20~25,25~30mm植生混凝土組的底部土壤流失量分別為0.0198,0.0693,0.1089kg;植生混凝土對(duì)底部土壤的反濾攔截率達(dá)96.82%。

        (4)主要是由于植生混凝土表面呈凹凸不平,內(nèi)部為多孔構(gòu)造,能夠減少?gòu)?qiáng)降雨等惡劣天氣對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。實(shí)際工程中,流水湍急的岸側(cè)選用粒徑較小的粗集料,能夠有效減少流水對(duì)土質(zhì)邊坡的侵蝕作用,防止土質(zhì)邊坡管涌等土質(zhì)流失現(xiàn)象發(fā)生。

        2.3 植生混凝土吸附除雜性能分析

        將凌源市本地0.5~1mm粒徑的細(xì)河砂作為固體雜質(zhì),試驗(yàn)組類設(shè)計(jì)如表3。裝置固定放置完畢后,將對(duì)照組和試驗(yàn)組的護(hù)坡模型置于試驗(yàn)裝置上,進(jìn)行植生混凝土吸附除雜試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3,圖3。

        表3 沖刷細(xì)砂質(zhì)量

        圖3 不同坡度護(hù)坡方案沖刷泥沙質(zhì)量

        由圖3可知,在強(qiáng)降雨沖刷下,普通硬化混凝土護(hù)坡對(duì)固體顆粒的攔截作用微弱,邊坡系數(shù)為1∶1和1∶3時(shí),固體顆粒的流失分別為0.9207kg和0.8712kg;邊坡系數(shù)為1∶1時(shí),無覆土植草組和覆土植草組,固體顆粒的流失最高分別為0.2376kg和0.2673kg;邊坡系數(shù)為1∶3時(shí),無覆土植草組和覆土植草組,固體顆粒的流失最高分別為0.2178kg和0.2079kg。

        表明,植生混凝土護(hù)坡的模擬邊坡對(duì)固體雜質(zhì)的攔截率大幅提升,同時(shí)隨粗集料粒徑的增加,植生混凝土對(duì)固體的攔截能力不斷減弱,主要是由于植生混凝土以多孔混凝土為框架,降雨過程中,固體顆粒隨水流匯入到孔隙中,導(dǎo)致固體雜質(zhì)擴(kuò)散受阻。

        試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),邊坡系數(shù)對(duì)固體攔截能力影響明顯高于骨料粒徑的影響;覆土植草和無覆土植草均能夠較好的攔截固體污染雜質(zhì),其中無覆植草組和覆土植草組對(duì)固體雜質(zhì)攔截率高于普通硬化護(hù)坡。強(qiáng)降雨條件下植草對(duì)固體雜質(zhì)的攔截作用明顯提高,主要由于植株莖葉及根系對(duì)表層種植土質(zhì)和固體雜質(zhì)截留具有很好的攔截作用,同時(shí)植物能夠吸收有害物質(zhì)并將固體雜質(zhì)分解為各種無機(jī)物、有機(jī)物,為微生物和植物提供了營(yíng)養(yǎng)環(huán)境,進(jìn)而減少了生物鏈內(nèi)有害污染物的傳播。

        3 結(jié)語

        采用模擬降雨實(shí)驗(yàn),選用兩種護(hù)坡形式研究了植生混凝土截留表層土、反濾特性及吸附除雜能力,主要的得出以下結(jié)論:

        (1)覆土植草組能夠明顯減少了雨水的沖刷作用,兩種模擬邊坡覆土未植草組的土質(zhì)流失量分別為1.4652kg和1.1385kg,覆土植草組的土質(zhì)流失量分別為0.7623kg和0.5049kg,植物根系對(duì)土壤的攔截率分別高于覆土未植草組的47.97%和55.65%。

        (2)實(shí)際工程中,流水湍急的岸側(cè)選用粒徑較小的粗集料,能夠有效減少流水對(duì)土質(zhì)邊坡的侵蝕作用,防止土質(zhì)邊坡管涌等土質(zhì)流失現(xiàn)象發(fā)生。

        (3)覆土植草和無覆土植草均能夠較好的攔截固體污染雜質(zhì),其中無覆植草組和覆土植草組對(duì)固體雜質(zhì)攔截率高于普通硬化護(hù)坡,該研究能為植生混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。

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