陳正中
(江西省水利投資集團有限公司,江西 南昌 330029)
近年來,我國大力倡導綠色發(fā)展、生態(tài)發(fā)展,格賓石籠技術作為一種綠色無污染新技術,被逐漸推廣到河道治理中,并表現(xiàn)出了卓越的經(jīng)濟效益與生態(tài)效益[1-2]。由于不同地區(qū)的氣候、地理、水文環(huán)境有著很大的區(qū)別,不同的格賓結構形式會產(chǎn)生不同的社會生態(tài)效益,如若形式和材料等選擇不善,反而會降低河道水質和工程效益。因此,需要針對不同地區(qū)的格賓生態(tài)治理護岸進行研究。
格賓石籠不僅可以有效治理河道,提高堤壩穩(wěn)定性,還可以凈化水質、防止水土流失,保護周圍生態(tài)環(huán)境。李建杰,王國強,楊發(fā)業(yè),袁朝中,吳曉明等分別對不同地區(qū)河道治理過程中的格賓石籠設計施工技術進行了研究,取得了一些有用的成果和結論[3-7]。北方地區(qū)由于冬季氣候寒冷,一年里有很長時間的冰雪天氣,對河道水質、護岸邊坡穩(wěn)定等均會產(chǎn)生不同程度的影響[8]。我國大部分地區(qū),其夏季和冬季氣溫、干濕度等相差較大,如何選擇格賓石籠結構形式,對河道治理的整體效益起著關鍵性作用[9],同時,由于格賓石籠本身也具有一定的劣勢,如何避免和減小氣候環(huán)境等帶來的影響,合理的施工措施變成為主要控制手段之一,需引起各方注意[10-11]。
本文在總結前人研究理論和技術的前提下,對格賓石籠填料、結構形式的選擇進行了理論分析,同時針對江西獨特的地理氣候,進行了冬季寒冷環(huán)境下凍脹融沉分析,并提出了相應的施工質量控制措施,可為類似地區(qū)河道生態(tài)治理提供借鑒。
贛江作為江西省境內最大河流、是長江的主要支流之一,流域面積83500km2。贛江流域夏季氣候溫和濕潤,冬季氣溫干燥寒冷,流域年平均氣溫為17.8℃,極端最低溫-12.5℃,年平均降雨量1660.9mm。
由于近年來開發(fā)管理中經(jīng)常出現(xiàn)冬季蓄水不足,夏季容易害水澇的災害問題,最重要的是河岸邊坡水土不斷流失,影響周圍生態(tài)環(huán)境的有效維持與河道水資源的清潔,因此對該流域進行河道整治成為當前最主要的工作之一。贛江流域某支流整治工程,按100a一遇防洪標準治理,設計洪峰流量為186m/s,治理工程主要包括河道邊坡保護、河岸綠化、淤泥清理等工程,該區(qū)段河道平均寬度為9.7m,兩岸全長約4.7km,邊坡坡度較大,約1∶2.4,邊坡斜長3~7m。經(jīng)過初步造價估算與設計,整個區(qū)段河道治理格賓石籠網(wǎng)護坡工程總量預計達到12315.17m3。
填料主要考慮當?shù)夭牧锨闆r,充分利用建筑廢料原理,選擇粒徑在40~60 mm的花崗巖塊石、卵石以及廢建筑砌塊3種材料作為填料,其具體的物理力學參數(shù)見表1。同時設置U型河道模型,長×寬×高=6.08m×0.45m×0.15m,格賓網(wǎng)線直徑為1mm,網(wǎng)孔為3cm×3cm,模型裝置示意圖如圖1所示。采用連續(xù)動態(tài)運行為試驗方法,連續(xù)進行30d,分別在規(guī)定時間點采集模型中的水樣,然后進行水質檢測,包括N、P、TP以及微生物等分析;然后選取最佳填料,進行直立式、階梯式以及魚巢式3種結構形式下的水質影響分析,得出該河道格賓護岸的最佳填料結構形式。
表1 填料物理力學參數(shù)
圖1 試驗模型示意圖(單位:mm)
在連續(xù)30d運行試驗內,取水樣進行水質分析,結果如圖2所示。從圖2中可以看到:NO3-N的濃度隨時間呈“S”型曲線增長,當試驗時間進行至10~15d左右時,水中的NO3-N濃度大幅度增長,在試驗前期,卵石碎塊填料的NO3-N濃度與另外兩組填料濃度基本相等,但當試驗進行至25d后,NO3-N濃度明顯大于其它試驗組,表明在卵石填料作用下,微生物的硝化作用更強,反硝化生物難以大量繁殖,因此NO3-N濃度大大增加;對比TP去除率可以發(fā)現(xiàn),3種填料下的去除率呈冪函數(shù)型增長,增長率在逐漸減小,且3種填料的去除率大致相當,由于格賓結構具有一定的孔隙,有利于水體流動,可為水生物生長創(chuàng)造條件,選擇對磷吸收能力強的植物可以在很大程度上保持對磷的高效去除;在TOC去除率上,3種填料基本呈線性關系增長,在前期,卵石的去除率略小于其他2組,當試驗進行至10d以后,卵石的去除率逐漸大于其他2組,這是因為卵石多微孔,具有較大的比表面積以及事宜的水分,可以為微生物的附著提供大量場所,從而使得TOC去除率更高。
綜合以上分析,認為選擇卵石作為格賓石籠網(wǎng)的填料,對于河道水質的凈化作用更好,更能發(fā)揮生態(tài)治理效益,故而卵石相比較而言為首選填料。
圖2 格賓填料對水質凈化效果影響
基于上文分析結果,對直立式、臺階式和緩坡式卵石填料格賓護岸進行了水質的取樣分析,結果如圖3所示。從圖3中可以看到:在試驗進行30d后,NH3-N、TP、TOC 3種指標的去除率從大到小的排序為:魚巢式>階梯式>直立式,可見魚巢式結構在水質凈化方面的作用強于直立式和階梯式,這是因為直立式、階梯式和魚巢式的表面積分別為802、833、995cm2,相應的比表面積為0.8、0.83、0.99cm-1,由于魚巢式的比表面積最大,與水體的接觸面積也就越大,對水體中的N、P及微生物的清除效果也就越佳,故而魚巢式為最佳的格賓結構形式。
圖3 格賓結構形式對水質凈化影響
圖4為現(xiàn)場試驗段的凍融深度的變化曲線,該試驗段的最大凍深為1.405m。同時對魚巢式卵石格賓進行了為期10個月的現(xiàn)場觀測(當年10月—次年8月),觀測點設置在壩肩、渠坡上1/4處、渠坡1/2處以及渠坡下1/4處。從圖4中可知:凍脹量曲線隨時間呈先增后減的趨勢,最大凍脹量在次年1—2月,這時的溫度最低,因此凍脹量最大;對比不同位置處的凍脹量可以發(fā)現(xiàn),格賓網(wǎng)墊護坡(格賓網(wǎng)墊護腳)的最大凍脹量在渠坡1/2處,為327mm,凍脹量為22.8%,格賓網(wǎng)墊護坡(格賓網(wǎng)箱固腳)的最大凍脹量也在渠坡1/2處,為314mm,凍脹量為22.1%;格賓網(wǎng)結構的最大殘余變形在渠坡1/2處,在渠坡上部會發(fā)生一定的融沉變形,表明格賓網(wǎng)具有很好的治愈功能,在凍融過程中,會自動調整自身的結構,尋找下一次的平衡點來適應凍融沉變形,能夠較好地適應凍脹損傷。
圖4 現(xiàn)場試驗段凍融深度的變化曲線
在格賓網(wǎng)實際施工和運行過程中,對該河段格賓網(wǎng)缺陷進行了檢查和統(tǒng)計,總體而言存在通縫、厚度不夠、表面平整度不標準等,見表2。出現(xiàn)上述情況的主要原因在于:①由于格賓石籠網(wǎng)護坡技術是一項新技術,很多工人在工藝流程和質量上把控不嚴,導致人為的缺陷;②采集使用的石料沒有大致的平行面;③石塊粒徑過小,底部鋪砌不足;④施工環(huán)境影響,如雨天造成的嵌固松動、粘結度不夠等問題。這些問題或多或少影響了格賓網(wǎng)在河道治理過程中的生態(tài)治理效益。
表2 缺陷調查結果統(tǒng)計表
為了全面提高工程的生態(tài)治理效益,作者總結分析了工程中的一些實際經(jīng)驗,同時在前人研究基礎上得出以下幾點格賓網(wǎng)質量控制措施[12-15]:
(1)現(xiàn)場管理。在實施工程前應積極組織單位進行研討會議,確定本次工程的現(xiàn)場管理人員,同時必須派遣2~3名工程管理經(jīng)驗豐富、專業(yè)知識能力過關的專業(yè)人士前往管理。此外,通過不斷討論研究,制定嚴格有效的現(xiàn)場管理規(guī)章制度,以求現(xiàn)場管理工作等夠得到高效有序的執(zhí)行。
(2)工藝措施。要對施工人員進行一定時間的崗前培訓,同時在施工前有必要參照其他區(qū)域格賓石籠技術施工經(jīng)驗,制定合格有效的現(xiàn)場操作標準與技術交底書,施工前對現(xiàn)場工作人員集中進行書面技術交底,明確格賓石籠網(wǎng)技術護坡關鍵工序及施工工藝,并要求嚴格按技術交底書標準進行施工。
(3)材料進購管理。向材料供貨商明確質量標準,并派出專業(yè)的管理人員進行全程跟蹤,經(jīng)試驗檢驗合格后方可使用。
(4)監(jiān)督措施。強化監(jiān)理監(jiān)督機制,對現(xiàn)場施工不規(guī)范,如未掛線施工等問題應進行全面的管控和整治,建設管理方應加強現(xiàn)場的巡視工作。
經(jīng)試驗分析認為:采用卵石填料、魚巢式結構的格賓網(wǎng)護岸結構形式能夠發(fā)揮河道最大的生態(tài)治理效益,且能很好適應凍融沉變形,減小凍脹損傷破壞;綜合前人研究成果,結合現(xiàn)場工程經(jīng)驗,認為應從現(xiàn)場管理、工藝措施、材料進購管理以及監(jiān)督措施等途徑提升格賓網(wǎng)的質量和效益,研究成果可為類似地區(qū)的河道治理工作提供借鑒。