曹祿來(lái)， 周 焱

(中國(guó)建筑第五工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引 言

巖溶地區(qū)屬于水生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)，其自然生態(tài)環(huán)境是一個(gè)整體性的開(kāi)放系統(tǒng)，常與地下溶洞、溝河及管道系統(tǒng)相聯(lián)通，地表水極易快速滲入地下水系，形成豐富的地下水資源，并以暗河和地下湖為主要賦存形式，成為沿線居民生活和農(nóng)業(yè)灌溉的主要水源。在公路運(yùn)營(yíng)期間，許多污染物如汽車尾氣排放、輪胎和路面磨損、燃油泄露、空氣中塵埃沉降等累積大量的懸浮顆粒、營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬和多環(huán)芳烴(PAHs)等呈可溶的或不可溶的懸浮固體顆粒，通過(guò)地表直接滲入地下水，對(duì)其局部的破壞和污染都將導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的下降[1，2]。因此，在巖溶地區(qū)地下暗河入口等水生態(tài)環(huán)境脆弱的特殊區(qū)域，必須對(duì)路面徑流污染水環(huán)境加強(qiáng)防治[3]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)高速公路對(duì)路面徑流采用傳統(tǒng)路肩溝，用于攔截路面徑流，避免直接沖刷路基邊坡，但現(xiàn)在常用的硬化路肩溝沒(méi)有植物過(guò)濾，污水直接流向邊溝。服務(wù)區(qū)污水處理以沉淀池為主，沉淀池普遍存在容積小、雨水徑流污染控制能力弱、污水處理效率低等不足[4，5]。為了有效地解決傳統(tǒng)沉淀池的缺點(diǎn)，在生態(tài)溝渠和人工濕地底部鋪設(shè)生態(tài)混凝土。結(jié)合人工濕地處理的生態(tài)混凝土技術(shù)具有投資少、效果好、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、生態(tài)環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)[6-8]。

1 生態(tài)混凝土特性分析

1.1 生態(tài)混凝土的技術(shù)組成

生態(tài)綠化混凝土按照使用功能分：

(1) 透水混凝土，不考慮植生，僅考慮滲水、透水、排水；

(2) 綠化混凝土，可以植生，有效地將混凝土和綠色植物結(jié)合起來(lái)

生態(tài)混凝土鋪裝層是由：集料+水泥+透水混凝土增強(qiáng)劑+水等，經(jīng)過(guò)特殊工藝拌制、澆筑、攤鋪而成的結(jié)構(gòu)層。

1.2 生態(tài)混凝土的配合比

生態(tài)混凝土的原材料如下：

瀝青：無(wú)特殊要求，滿足當(dāng)?shù)貧夂?、交通條件以及公路等級(jí)的道路石油瀝青或改性瀝青。

水泥：選用符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)質(zhì)量要求的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5級(jí)。

集料：含泥量<1.0%，壓碎值、含泥量均<15%，質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久、潔凈、密實(shí)的碎石，粒徑分別為2.4～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm，性能指標(biāo)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)中的二級(jí)要求。

增強(qiáng)劑：采用國(guó)外先進(jìn)合成工藝和核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成，參與水泥水化反應(yīng)形成高分子聚合物水泥水化體，可大幅提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和耐久性。

表1 生態(tài)混凝土配合比

1.3 生態(tài)混凝土特性分析

生態(tài)混凝土鋪裝主要有以下五大特性：

1.3.1 防洪防澇——“滲”

透水混凝土由特定級(jí)配的集料、膠結(jié)材料等經(jīng)過(guò)特殊工藝拌制而成，集料骨架間形成了大量連通孔隙，從而形成了滲透“通道”，孔隙率可達(dá)15%～30%，能有效緩解城市排水系統(tǒng)的泄洪壓力。

1.3.2 緩解熱島效應(yīng)——“滯”

透水鋪裝內(nèi)部及下墊層中滯留的水體通過(guò)太陽(yáng)輻射的蒸發(fā)作用，使地面和近地表空氣溫度降低，減輕夏季地面的烘烤感，改善夏季城市炎熱環(huán)境。

1.3.3 補(bǔ)充地下水——“蓄”

透水鋪裝可以積蓄降落在路面上的雨水，還可以收集周邊廣場(chǎng)、建筑屋頂?shù)葏R集的雨水補(bǔ)充地下水，保持土壤濕度。

1.3.4 凈化水質(zhì)——“凈”

透水鋪裝采用活性材料制成透水鋪裝的生態(tài)膜片，可作為微生物生長(zhǎng)的載體，形成大量絲狀細(xì)菌、硝化菌，能有效去除污水中有機(jī)物，同時(shí)還可以吸收SOx和NOx等有害氣體。

1.3.5 雨水再利用——“用”

透水鋪裝雨水收集技術(shù)通過(guò)透水路面與蓄水池和管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合，將降落的雨水收集起來(lái)，可用于綠地澆灌、洗車、道路噴灑等。

2 生態(tài)混凝土在高速公路中的應(yīng)用

2.1 生態(tài)混凝土在高速公路培路肩中的應(yīng)用

在以往的高速公路設(shè)計(jì)中，路堤培路肩上部多為直接填土，如圖1所示。培路肩會(huì)逐漸長(zhǎng)出淺層植被，這些植物能起到部分截留和過(guò)濾的作用。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)營(yíng)后，植被逐漸成長(zhǎng)，培路肩上也會(huì)有堆積物和雜質(zhì)殘留，最終導(dǎo)致培路肩高于路面，形成了一個(gè)天然“止水帶”，反而造成路面積水。

圖1 土路肩填土示意圖

因此，目前越來(lái)越多的高速公路培路肩已經(jīng)不再采用傳統(tǒng)的填土形式，而是用混凝土硬化，如圖2所示，這樣可以確保路面水的流出，但因?yàn)闆](méi)有植物的過(guò)濾，污水將全部流向路堤邊溝。

圖2 土路肩硬化示意圖

植生混凝土用來(lái)替代土路肩硬化的預(yù)制素混凝土，如圖3所示，因?yàn)橹采炷恋目紫遁^大，透水系數(shù)達(dá)到2 mm/s，其蓄水和孔隙大的特性，會(huì)利于草籽在其中生根，繼而慢慢生長(zhǎng)，這些植物則會(huì)對(duì)流經(jīng)土路肩的污水起到一定的攔截和過(guò)濾作用。植物根系會(huì)沿著透水混凝土的孔隙一直向下生長(zhǎng)，不會(huì)出露于土路肩的表面。透水鋪裝中的生態(tài)膜片本身也具有凈化水質(zhì)的作用。待雜質(zhì)堆積或堵塞孔隙時(shí)，只需通過(guò)高壓水洗的方式就能解決，維護(hù)起來(lái)比直接填土的培路肩方便很多，也更利于路面排水。且在維護(hù)過(guò)程中被破壞的植被，由于根系仍在透水混凝土孔隙中，過(guò)段時(shí)間仍會(huì)自動(dòng)生長(zhǎng)。

圖3 土路肩鋪裝植生混凝土示意圖

綜上可知，在土路肩上面鋪裝植生混凝土，既能起到原土質(zhì)路肩植草的生態(tài)過(guò)濾作用，又具有原硬化土路肩的排水功能，從而達(dá)到對(duì)路面徑流的污水進(jìn)行第一次攔截和過(guò)濾的目的。

11月16日，科技部組織專家對(duì)貴州省2015年承擔(dān)的“喀斯特山區(qū)中藥資源可持續(xù)利用關(guān)鍵技術(shù)”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)收。

2.2 生態(tài)混凝土在高速公路引水溝中的應(yīng)用

在以往的高速公路中引水溝一般多采用漿砌片石梯形溝的形式，路面徑流污水流經(jīng)土路肩、填方邊坡，再經(jīng)過(guò)路堤邊溝匯入引水溝中，傳統(tǒng)的漿砌片石引水溝能有效防止水流沖刷，但是對(duì)于污水沒(méi)有起到截留和過(guò)濾的作用。

因此，引水溝底部采用透水混凝土，并撒播草籽，可兼具防止水流沖刷和生物過(guò)濾的作用。采用植生混凝土來(lái)做生態(tài)引水溝的優(yōu)點(diǎn)有：

(1) 植生混凝土孔隙大，兼具透水和蓄水功能，有利于生態(tài)植物的生長(zhǎng)；

(2) 植生混凝土采用專用增強(qiáng)劑，不僅可以在保證高孔隙的前提下提高混凝土黏結(jié)強(qiáng)度，還可以有效抑堿，利于植物生長(zhǎng)；

(3) 植生混凝土易于維護(hù)，一旦堵塞或堆積雜質(zhì)，只需高壓水洗方式即可解決；

(4) 透水鋪裝的生態(tài)膜片本身可以作為微生物生長(zhǎng)的載體，能有效去除污水中的有機(jī)物、吸收有害物質(zhì)，進(jìn)一步凈化路面徑流污水。

2.3 生態(tài)混凝土在人工濕地中的應(yīng)用

人工濕地凈化污水主要是通過(guò)人工基質(zhì)、水生植物和微生物共同完成的，其中最關(guān)鍵的是保證水生植物的良好生長(zhǎng)。

傳統(tǒng)的沉淀池沒(méi)有一個(gè)好的水生植物和微生物生存的載體，而在人工濕地底部采用透水混凝土鋪裝，其生態(tài)膜片能夠充當(dāng)人工基質(zhì)為微生物的生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的依附表面。透水混凝土孔隙大，可以蓄水和泥沙，能為水生植物提供載體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這樣水生植物和微生物則能夠吸收利用污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及吸附、附集一些有毒有害物質(zhì)，并降解污水中有機(jī)污染物。

人工濕地中堆積的污染物可以通過(guò)直接鏟除或者植物收割最終從系統(tǒng)中去除。透水混凝土表面的植物收割之后，根系仍在孔隙中，日后可以繼續(xù)生長(zhǎng)，此污水處理系統(tǒng)可以長(zhǎng)期循環(huán)使用，只要選擇適合的水生植物，生態(tài)混凝土能提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，在實(shí)現(xiàn)污水處理的同時(shí)還能起到較好的環(huán)境效應(yīng)。

3 溆懷高速公路污水處理池案例分析

3.1 工程概況

湖南省溆浦至懷化高速公路地處湖南省中部向西部的過(guò)渡地帶，雪峰山脈的北東向延伸區(qū)，呈東西向縱貫懷化地區(qū)北部。路線東起溆浦縣北部，與新化至溆浦高速公路順接，西至懷化市北部鶴城區(qū)黃金坳鄉(xiāng)楓木坪，與包茂國(guó)家高速吉首至懷化段相接。溆懷高速公路是巖溶特別發(fā)育地區(qū)，地貌類型為丘陵間構(gòu)造盆地、巖溶洼地、沅水溆水地帶發(fā)育二級(jí)階地為主，也是典型的丘陵巖溶區(qū)。

選取溆懷高速K121+100處附左側(cè)作為污水處理池工程試驗(yàn)場(chǎng)地，該段主要為溶蝕剝蝕低山丘地貌，地形起伏較大，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，含中等-豐富的裂隙巖溶水，巖溶非常發(fā)育，可見(jiàn)巖溶下降泉，附近分布有大型地下暗河。

3.2 污水處理流程設(shè)計(jì)

在沉淀處理前，設(shè)置植草渠道來(lái)引入路面徑流，預(yù)先對(duì)污染物進(jìn)行截流、凈化處理；在沉淀處理后，可設(shè)置植草渠道將路面徑流排入周圍水體，或再接入滲濾系統(tǒng)或人工濕地處理后排入周圍水體，路面徑流污水處理流程如圖4所示。

圖4 路面徑流污水處理流程

3.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

整個(gè)凈化系統(tǒng)效果除受原水水質(zhì)的影響外，還與水平流速、沉淀時(shí)間、顆粒的沉降速度、進(jìn)出口布置形式及排泥效果等因素有關(guān)。

3.3.1 污水停留時(shí)間

對(duì)于給定表面積的沉淀池，停留時(shí)間取決于沉淀池的深度。延長(zhǎng)污水的停留時(shí)間，其投資增加不多，但處理效果卻大幅提高。為適應(yīng)水池沉淀、除油的功能，設(shè)計(jì)污水停留時(shí)間宜為2.5～3 h。

3.3.2 設(shè)計(jì)水平流速

為避免沖刷和淤積，平流式沉淀池水平流速宜控制在0.3 m/s左右。

3.3.3 表面水力負(fù)荷

表面水力負(fù)荷以通過(guò)沉淀池每小時(shí)、每平方米的水量來(lái)表示。設(shè)計(jì)表面水力負(fù)荷采用0.5～1.5 m3/(m2·h)。

3.3.4 沉淀有效水深

水池的總高度為沉淀有效水深與調(diào)節(jié)水深之和，沉淀有效水深選擇大值時(shí)會(huì)加大整個(gè)水池的深度，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工上的困難，導(dǎo)致投資增加；若水深過(guò)淺，會(huì)因水流引起污泥擾動(dòng)?；谏鲜鲇^點(diǎn)，沉淀有效水深采用0.8 m。

3.3.5 沉淀池幾何尺寸

沉淀池一般有長(zhǎng)方形和圓形兩種結(jié)構(gòu)形式，可充分利用公路沿線的原始低洼地塊、施工時(shí)的取土坑或濕地改建。沉淀池的幾何尺寸應(yīng)根據(jù)降雨量和匯水面積，保證初期重污染徑流的收集與儲(chǔ)存，而中后期污染較輕的溢流水可由分流系統(tǒng)導(dǎo)走。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)方形沉淀池的長(zhǎng)寬比一般不小于4，長(zhǎng)深比宜為8～12，池子的超高不宜小于0.3 m。圓形沉淀池的直徑一般在10～40 m。

3.4 沉淀池優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.4.1 引水和排水溝渠采用生態(tài)混凝土

植草皮的明溝渠兼具防止水流沖刷和生物過(guò)濾的作用，能夠?qū)β访鎻搅魑鬯M(jìn)行截留和過(guò)濾處理，同時(shí)能夠綠化美化公路環(huán)境。因此，在設(shè)置路面徑流污水處理系統(tǒng)時(shí)，引水和排水溝渠采用植草皮的生態(tài)邊溝，生態(tài)邊溝采用透水混凝土抹面，并播撒草籽。

生態(tài)邊溝的斷面形式采用梯形或三角形，邊坡坡度為1∶(1～1.5)，溝的底寬和深度不宜小于0.4 m，透水混凝土抹面+培土植被厚度不小于20 cm，如圖5所示。

圖5 生態(tài)引水溝示意圖

3.4.2 進(jìn)水口處增設(shè)石墩和格柵

路面徑流污水經(jīng)過(guò)引水溝渠(植草生態(tài)土溝)進(jìn)入沉淀池時(shí)，水流紊動(dòng)可能比較劇烈，流場(chǎng)分布不均勻，為改善入池水流條件。對(duì)傳統(tǒng)平流式沉淀池的入口進(jìn)行改進(jìn)，在進(jìn)水口加設(shè)石墩，石墩對(duì)具有較大動(dòng)能和紊動(dòng)強(qiáng)度的水流產(chǎn)生攔截作用，迫使其徑流污水向兩側(cè)橫向擴(kuò)散，減緩其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，降低其動(dòng)能和紊動(dòng)強(qiáng)度，從而對(duì)水流流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)后的流場(chǎng)分布更利于徑流中懸浮物的沉降。同時(shí)，在石墩之間增設(shè)粗格柵，用于攔截徑流污水中的漂浮物體。

石墩的尺寸和間距應(yīng)保證流經(jīng)石墩的流量不發(fā)生明顯變化，石墩的迎水面寬度在0.2 m左右，石墩間距在0.4 m左右，粗格柵的孔徑為2 cm。石墩對(duì)水流調(diào)節(jié)平面示意如圖6所示，粗格柵設(shè)置如圖7所示。

圖6 石墩對(duì)水流調(diào)節(jié)作用示意

圖7 粗格柵設(shè)置

3.4.3 出水口處增設(shè)溢流槽

在沉淀池末端設(shè)有溢流堰，初期雨水上清液經(jīng)溢流堰排入水體。傳統(tǒng)沉淀池溢流堰長(zhǎng)度有限，往往因負(fù)荷率過(guò)高而使出水挾帶較多細(xì)小絮粒。本設(shè)計(jì)采用增設(shè)溢流槽的方式，并將溢流槽延長(zhǎng)至沉淀區(qū)后部，從而進(jìn)一步增加了溢流堰的長(zhǎng)度。這一措施有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①溢流槽增加了溢流堰的長(zhǎng)度，降低了堰負(fù)荷率，從而更易取得表層清水。②由于指形槽在一定的沉淀距離后即開(kāi)始集水，此時(shí)一方面取得了池面已澄清的水，另一方面池內(nèi)水體水平流速降低，相應(yīng)延長(zhǎng)了部分水體的停留時(shí)間。加設(shè)溢流槽后溢流堰出池水流示意如圖8所示。

圖8 溢流槽設(shè)置

3.5 沉淀池結(jié)構(gòu)形式

路面徑流沉淀池由進(jìn)水段、沖洗集泥槽、沉淀室段、溢流堰、儲(chǔ)水池等組成，如圖9所示。

(1) 沉淀池進(jìn)水口處增設(shè)石墩和粗格柵，石墩截面為20 cm×20 cm，高為100 cm，間距為30 cm，距離沉淀池入口1.0～2.0 m，用于減緩進(jìn)水運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，降低進(jìn)水動(dòng)能和紊動(dòng)強(qiáng)度；同時(shí)，在石墩上安裝粗格柵，粗格柵網(wǎng)格間距為2 cm，用于攔截徑流污水中體積較大的漂浮物體。

(2) 設(shè)置集泥斗，矩形池或圓形池的池底都坡向集泥斗，矩形池的池底坡度通常取1%～2%，圓形池的池低坡度通常取4%～10%，以便于沉積的污泥向集泥斗滑動(dòng)。對(duì)于沉積在沉淀池其他部位的污染物，可經(jīng)沖洗進(jìn)入集泥斗，便于集中由清理車抽吸或人工外運(yùn)。

(3) 沉淀池出水口處增設(shè)溢流槽，溢流槽增加了溢流堰的長(zhǎng)度，降低了溢流堰的負(fù)荷率，有利于取得更多的表層清水，提高平流式沉淀池的沉淀質(zhì)量。

(4) 在集泥斗和溢流堰上設(shè)置閘門。在沉淀池正常工作時(shí)，兩個(gè)閘門均處于常閉狀態(tài)；在雨停后，當(dāng)需要對(duì)池底沖洗時(shí)，首先開(kāi)啟集泥斗上閘門，放空沉淀室內(nèi)的水，然后快速啟動(dòng)溢流堰上的閘門，使集水池內(nèi)的水迅速?zèng)_入沖洗廊道，對(duì)池底的沉淀物進(jìn)行沖洗。必要時(shí)可輔助人工清洗。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了生態(tài)混凝土在高速公路水環(huán)境治理中的應(yīng)用，改進(jìn)了生態(tài)混凝土的配合比，將其應(yīng)用于高速公路培路肩、引水溝和沉淀池中。生態(tài)混凝土在路面徑流污水處理系統(tǒng)中可以應(yīng)用在土路肩頂部(透水混凝土)、引水溝溝底和人工濕地的底部(植生混凝土)，三處同時(shí)作用，逐級(jí)凈化，能夠使得路面徑流污水處理取得更為顯著的效果。

以溆懷高速巖溶發(fā)育路段作為案例，為保護(hù)巖溶水環(huán)境，在水環(huán)境敏感區(qū)設(shè)計(jì)了徑流收集系統(tǒng)和沉淀池，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)沉淀池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，更好地實(shí)現(xiàn)了高速公路污水凈化、雨水的調(diào)蓄暫存及沉淀處理，達(dá)到預(yù)防并減少公路初期雨水對(duì)水環(huán)境污染的目的。