河岸带介于陆地植被区域和水域之间,是一个具有动态特征的独特而完整的生态系统,具有丰富的生物多样性和较高的生产力,其生态条件将直接影响河流环境状况
[1]。因此,河岸带的防护在满足工程防护标准的同时,还需综合考虑生态环境修复,维护河岸带的整体美观性和生物多样性等。胡德熙
[2]提出植被混凝土的概念,植被混凝土是一种能在表面栽花种草的混凝土。植被混凝土也可称为生态混凝土、无砂混凝土、植生混凝土,它既具备一定的强度,又能为植物生长提供条件。目前,植被混凝土因其强度高、植物适生性、环保性和景观效益好等特点广泛应用于河岸带的防护。
国内外学者对各种因素影响下植被混凝土的植生性能和抗冲刷性能开展了大量研究。李义强等
[3]提出了一种可以将多孔质混凝土基础层、客土层和植生层组合为一体的新型组合结构,可以满足结构稳定性和植物生长性能的要求。刘琦等
[4]设置了两种页岩陶粒颗粒级配研究植生型多孔混凝土密度、抗压强度、空隙率以及内部空隙 pH,在黄棕土壤中掺杂适量粉煤灰、复合肥、FeSO
4和醋酸乙烯乳液制成改性土壤,采用上置式和中置式两种种植构造进行植生试验。田砾等
[5]制备了不同配合比的多孔混凝土,将试块进行自然碳化以使碱度满足植物生长的需求,在此基础上种植高羊茅、狗牙根、碱茅共3种混合草种,深入研究植生型多孔混凝土性能影响因素及植生适应性。 Zhang等
[6]采用羟丙基甲基纤维素作为多孔植被混凝土的新型添加剂,以改善其孔隙结构和强度,植生试验的结果证明,混合羟丙基甲基纤维素后,多孔混凝土中会产生足够的空间,大量的孔道更适合植物生长。Ganapathy等
[7]将植物整合与多孔混凝土相结合,使根系能够穿过混凝土框架生长,以硅灰和粉煤灰为复合材料对低碱植被混凝土进行改性研究硅灰和粉煤灰对植被混凝土的碱度、孔隙率、抗压强度和种植特性的影响,并探讨植被混凝土对土壤肥力和养分的影响。Li等
[8]用膨润土部分取代水化硫铝酸盐水泥以提高水化硫铝酸盐水泥的保水保肥性能,改善多孔生态混凝土中种草的生长环境。Zhang等
[9]推荐了一种植生混凝土中添加新型渗透聚合物的改进方法,以石灰石为骨料,水泥和聚氨酯为胶凝材料制备植生混凝土,研究表明少量聚氨酯的加入可以降低植生混凝土的碱度,提高植物相容性,得到聚氨酯改性植生混凝土的最优配比。Huang等
[10]开发了一种新型的结构改性植被混凝土,当抗压强度为13.1 MPa,劈裂拉伸强度为2.1 MPa,孔隙率为31.4%时,既保证了结构强度,又保证了渗透性,且植生性能最优越,干重、蛋白质含量和叶绿素含量最高,30 d的总氮和磷的积累也最高。李波等
[11]针对一种满足绿植生长的多孔干硬性混凝土,开展了模拟降雨植生冲刷试验,研究降雨强度、边坡坡度、表孔参数和铺筑厚度对径流侵蚀量的影响。黄庆亮
[12]研究了多孔生态混凝土抗冲刷性能和植生试验的肥效供给机制,发现硫铝酸盐水泥的掺入使种植材料的抗冲刷性能下降,羟丙基甲基纤维素醚的掺入可以有效提高种植材料的抗冲刷性能,并且随着掺量的增加,种植材料的抗冲刷系数逐渐增大;肥效缓释型多孔混凝土中植物的长势明显优于普通多孔生态混凝土中的植物。Yang等
[13]开展降雨冲刷试验探讨了不同水泥含量、降雨强度和养护天数对植生型多孔混凝土抵抗雨水侵蚀的影响,发现植生型多孔混凝土的抗雨水侵蚀能力随水泥含量的增加而显著提高,且侵蚀量与水泥含量呈线性关系。陈雅飞等
[14]通过查阅长江上游宜宾—重庆段的航道图册,利用模型比拟尺设计了不同临水面坡度的边滩,并采用理论分析和水槽试验结合的方法,研究了两种不同形态的边滩作用下河道的最大冲刷深度。李瑞祥等
[15]为探究岸坡土体的水力侵蚀特性,进行单元体单面浸水湿化-崩解试验与侧向冲刷水毁室内试验,通过分析冲刷沟形态、探究侧向冲刷深度和高度变化规律,研究根系和格栅植被面层对单元体侵蚀破坏的影响,分析运用乔木根系联合格栅植被面层对岸坡进行防冲的可行性。
传统植被混凝土的孔隙结构多为被动式,存在连通孔隙率低、孔隙分布不均匀、透水-保水矛盾、根系扩展受限等问题,导致植物成活率不稳定
[16-19]。在实际工程中,植物根系扩展延伸会影响植被混凝土的植生性能和抗冲刷性能。现提出一种主动开设大孔洞、增大混凝土有效孔隙率的主动多孔护岸混凝土(active porous riparian concrete,APRC)。该混凝土是一种孔隙大、透水能力强、植生性能好的多孔混凝土,能够减少孔隙堵塞,扩展植物根系延伸路径,保证植物能平衡排水与保水。该混凝土还可以精确设计孔隙的分布和尺寸,确保孔隙能满足抗冲刷要求。主动开设孔洞为植物提供了充足的延伸空间,但主动开孔对植被混凝土的植生性能和抗冲刷性能的影响还缺乏系统研究。因此,现通过室外植生试验和水流冲刷试验模拟河岸APRC内植物生长和抵抗水流冲刷的真实环境,研究主动开孔时的开孔率和开孔数对APRC的植生性能和抗冲刷性能的影响规律,实现生态工程中 “结构稳固”与“生态活性”的统一,以期为绿色生态建设和河岸生态修复提供新的解决方案。
1 主动多孔护岸混凝土的制备
1.1 制备材料
制备多孔混凝土主要材料包括水泥、粗骨料、减水剂和水。采用P·O 42.5 普通硅酸盐水泥,粗骨料粒径为10~20 mm,堆积密度为1 560 kg/m
3,表观密度为2.654 6 g/m
3,含泥量小于1%。水泥性能指标如
表1所示。采用东方砼人公司的聚羧酸高效减水剂。APRC内部植生基材土配合比如
表2所示,椰糠和泥炭土能够改善混凝土内部孔隙结构,增大孔隙率;且泥炭土呈酸性,可以调节混凝土pH,使其更利于植物生长。羊粪是有机肥料,可以为植物生长提供养分。硫酸亚铁可以促进水泥硬化和熟化,提高水泥的早期强度和稳定性。植生基材中种植土取自湖北工业大学生态环境岩土与河湖生态修复引智创新示范基地,其基本物理性质如
表3所示。种植土取回后,经晾晒、捣碎、烘干,再过2 mm和5 mm细筛,除去植物根部残留和较大石块。
1.2 制备方案
混凝土水灰比控制为0.27,混凝土自身目标孔隙率控制在25%。多孔混凝土配合比和主动给孔设计分别如
表4、
表5所示。
根据日本混凝土土工协会生态混凝土研究委员会提供的一种多孔混凝土孔隙率测试方法——质量法
[20],对主动开孔设计后的多孔混凝土孔隙率进行测定,由于人工振捣使孔隙率测试存在误差,各多孔混凝土孔隙率测试结果如
表6所示,与目标孔隙率误差在2%以内,对植生试验和抗冲刷试验结果与规律影响不大。
1.3 制备过程
(1)制作带孔模具。在多孔混凝土制作前,先根据开孔率算出开孔面积(模具横截面面积与开孔率的乘积),采用与开孔面积相同的聚氯乙烯管固定在150 mm×150 mm×150 mm的立方体模具中。当开孔数大于1时,根据不同开孔率和开孔数换算单一聚氯乙烯管的面积。聚氯乙烯管表面刷上机油,浇筑成型后方便拔出。
(2)制备多孔混凝土。在粗骨料掺入水泥和减水剂混合搅拌30 s,以便浆体更好地包裹住骨料;随后将水缓慢倒入搅拌机中,搅拌60 s,充分混合。将混合料装入带孔模具,采用人工振捣法分层振捣,每层振动棒插入深度不少于50 mm。振动棒垂直于混凝土表面插入,快插慢拔均匀振捣。当混凝土表面不再出现气泡和水泥砂浆时,结束该层混凝土的振捣。主动开孔后的多孔混凝土如
图1所示。
(3)拆模及养护。将多孔混凝土表面覆盖薄膜
[21],24 h内拆模,养护28 d,温度精确控制在(20±2) ℃,相对湿度保持在95%以上。
(4)填充基材及种植植物。采用上植式的种植方式,将植生基材充分搅拌均匀后铺设在多孔混凝土表面,静置轻拍振捣,保证混凝土表面及孔隙内部完全被植生基材填满。狗牙根是岸坡生态修复的优势物种,可快速覆盖和蔓延岸坡,适应性强、抗逆性强、发芽率高、根系强大。在多孔混凝土内部植生基材上以30 g/m3的播种量播撒狗牙根种子,表面均匀覆盖1~2 mm厚度细土,洒水。最后采用薄膜包裹APRC,以确保狗牙根草种萌芽所需氧气、温度和湿度。
2 试验方法
2.1 植生试验
植生模型建立后,需对每个模型定时定量浇水,避免环境因子不同导致试验结果差异。为探究不同给孔情况下狗牙根生长情况,初期每天记录发芽情况和各组盆栽模型差异。待多数种子发芽后,选取具有代表性且生长高度均匀的10株狗牙根植株,利用卷尺测量株茎底到株茎顶的距离,并求平均值计算生长高度。为探究APRC内部土体pH情况,采用pH检测仪每周检测孔洞内部土壤pH变化。
2.2 抗冲刷试验
选取植物生长90 d的APRC在
图2冲刷装置下进行水流冲刷试验。水槽长宽高分别为100、25和30 cm。蓄水时水槽水面高于APRC 20 cm。流量计可记录进入水槽内的水流流量,水面流速通过水流流量与水槽横截面的比值计算。进水口和出水口安装流量计,保证进出水时流量相同。缓慢将APRC放入水槽内,将流速控制为0.2、0.4和0.6 m/s共3个档次,开展冲刷时长为30 min的冲刷试验
[22]。水槽内土和滤网内土的总质量为APRC冲刷后的土体流失量。将流失的土全部收集起来,在50 ℃的温度下持续烘干24 h,干燥后测其质量。覆土土壤的抗冲系数按照式(1)计算。
式(1)中:K为覆土抗冲系数,L·min/g ;Q为水流流量,L;m为干土质量,g;t为时间,min。
3 试验结果与分析
3.1 植生试验结果与分析
3.1.1 土体pH
3种不同开孔率下APRC内部植生基材土体pH与狗牙根生长周期关系如
图3所示。各APRC的土体pH在狗牙根播种前6周内显著增大,12%和18%开孔率下APRC 6周后土体pH基本趋于稳定,稳定后12%和18%开孔率下土体pH大小顺序排列依次为2个孔>4个孔>1个孔、1个孔>4个孔>2个孔。24%开孔率下APRC 6周后土体pH起伏不定,无明显大小关系。可见APRC的土体pH与开孔数无明显相关关系。当开孔数控制为1个孔时,12%、18%和24%开孔率下土体pH最大值分别为7.28、7.13、6.78。当开孔数控制为2个孔时,12%、18%和24%开孔率下土体pH最大值分别为7.47、6.92、6.83。当开孔数控制为4个孔时,12%、18%和24%开孔率下土体pH最大值分别为7.37、7.03、6.84。可见APRC的土体pH随着开孔率的增大而减小。
APRC内部基材土体pH与开孔数无明显相关关系。但土体pH随开孔率的增大逐渐减小。这可能存在以下两方面的原因:一方面,较高开孔率使混凝土内部孔隙增多且连通性增强,外界空气中的二氧化碳更容易进入混凝土内部,与混凝土中的氢氧化钙等碱性物质发生碳化反应
[23],生成碳酸钙等物质,从而降低了孔隙液中的碱性物质浓度,使APRC的pH降低。另一方面,开孔可以为混凝土内部的碱液提供更多的渗透通道,使碱液更易渗出混凝土表面并与外界环境中的酸性物质发生反应,从而减少混凝土内部碱性物质含量,导致土体pH降低。
3.1.2 植物发芽数
3种不同开孔率下APRC的发芽数与种植时间关系如
图4所示,可知,各APRC发芽数均随时间的增加而增加。12%、18%和24%3种不同开孔率下发芽数规律一致,4个孔>2个孔>1个孔,且未开孔植被混凝土发芽数显著低于各APRC。狗牙根播种3 d,除未开孔植被混凝土和12%开孔率下APRC外,其他APRC均已发芽。狗牙根播种前2周内,土体pH均介于6~7,是狗牙根适合生长的pH环境。狗牙根种子迅速发芽,且发芽数持续增加。狗牙根播种两周后,各APRC发芽数趋于稳定,24%开孔率、开4个孔的APRC发芽数最多,是未开孔植被混凝土发芽数的3.16倍。
3种不同开孔率下APRC在狗牙根播种20d后发芽数与开孔数关系如
图5所示。狗牙根播种20 d后,开4个孔的条件下,12%、18%和24%开孔率的APRC发芽数依次为97、114、136棵。可见同一开孔数下狗牙根发芽数随着开孔率的增加而增加。24%开孔率条件下,APRC开1个孔、2个孔和4个孔的狗牙根发芽数分别为113、123、136棵。可见同一开孔率下狗牙根发芽数随着开孔数的增加也增加。
APRC的发芽数与开孔率和开孔数呈正相关关系。开设孔洞为狗牙根种子萌发提供了有利的条件:开孔增强了透气性,促进了土壤中的空气和水分的运移,可在前期为狗牙根种子呼吸作用提供充足的氧气,使狗牙根种子能正常代谢、发芽生根。另外,开孔有助于排水,水分过多会使狗牙根种子缺氧腐烂,较多孔隙能排出多余水分,保证混凝土相对湿润的环境。高开孔率和开孔数为狗牙根根系提供了更大延伸空间。狗牙根种子发芽后,根系会迅速向混凝土内部延伸,充分吸收水分和养分,进而快速铺满混凝土。
3.1.3 植物生长高度
3种不同开孔率下APRC植物生长高度与种植时间关系如
图6所示。各APRC植物生长高度随种植时间的增加而增加,3种不同开孔数下狗牙根生长高度差异不明显,未开孔的APRC狗牙根生长高度显著低于各APRC。未开孔植被混凝土狗牙根生长高度稳定在6 cm左右,而APRC的狗牙根生长高度持续增加,说明主动开孔的APRC更有利于狗牙根生长。
3种不同开孔率下的APRC在狗牙根生长90 d后生长高度与开孔数关系如
图7所示。狗牙根播种90 d后,各APRC的狗牙根生长高度差异在5 cm内。在同开1个孔条件下,12%、18%、24%开孔率下APRC的生长高度分别为27.3、28.6、30.6 cm。可见开孔数不变的情况下,狗牙根生长高度随着开孔率的增加而增加。
APRC的生长高度与开孔数无明显相关关系,但APRC的植物生长高度随开孔率的增大而增大,这可能是因为较高开孔率使APRC与外界环境的接触面积增大,影响土壤微生物的活动。这些微生物会促进有机物质的分解
[24],释放出狗牙根生长所需的营养物质,如氮、磷、钾等,可为狗牙根提供更丰富的养分来源,促进狗牙根的生长和发育。狗牙根播种前6周土体pH持续增大,相应的狗牙根生长高度变化频率加快,6周之后生长高度变化频率放缓。24%开孔率下APRC土体pH最小,狗牙根生长高度最高。开孔数与pH无明显相关关系,开孔数与狗牙根播种90 d后的生长高度的相关性也不明显。因此,开孔率对狗牙根生长高度和土体pH的影响呈现相反性,开孔数对狗牙根生长高度和土体pH的影响呈现一致性。
3.2 抗冲刷试验结果与分析
3.2.1 土体流失量
在不同冲刷速度、开孔率和开孔数下APRC的土体流失量如
表7所示。可以看出各APRC的土体流失量均少于未开孔植被混凝土。在不同开孔率和冲刷速度条件下土体流失量规律一致,1个孔>2个孔>4个孔。可见同一开孔率和冲刷速度条件下,土体流失量随着开孔数的增加而减少。当开孔率和冲刷速度恒定时,开孔数增加会使得水流路径增多,当经过APRC的总流量不变时,分配给单个孔洞的流量会减少,从而削弱了水流的冲刷能力。当开孔数为1个孔,冲刷速度0.2 m/s时,12%、18%和24%开孔率下APRC的土体流失量分别为7.24、11.73、13.61 g。在其他开孔数和冲刷速度一定的情况下,APRC的土体流失量与开孔率的关系也均表现为24%>18%>12%。可见APRC在开孔数和冲刷速度不变的情况下,土体流失量随着开孔率的增大而增大。24%开孔率、开1个孔条件下,0.2、0.4、0.6 m/s共3种不同冲刷速度下土体流失量分别为13.61、16.34、20.33 g。在其他开孔率和开孔数一定的情况下,APRC的土体流失量与冲刷速度的关系也均表现为0.6 m/s>0.4 m/s>0.2 m/s。可见APRC的土体流失量随着水流冲刷速度的增大而增大。24%开孔率、开1个孔的APRC在0.6 m/s冲刷速度下土体流失量最大;12%开孔率、开4个孔在0.2 m/s冲刷速度下的APRC土体流失量最小。综合分析上述结果, APRC的土体流失量与开孔数呈负相关关系; APRC的土体流失量与开孔率及冲刷速度呈正相关关系。
3.2.2 覆土抗冲系数
不同冲刷速度、开孔率和开孔数下APRC的覆土抗冲系数如
表8所示。各主动开孔的APRC覆土抗冲系数最小为18.3 L·min/g,未开孔的植被混凝土在0.2、0.4和0.6 m/s3种不同速度下的覆土抗冲系数分别为17.67、13.14、9.97 L·min/g。可知各主动开孔的APRC覆土抗冲系数均大于未开孔的植被混凝土。开孔数控制为4个孔时,12%、18%和24%三种不同开孔率在0.2 m/s冲刷速度下的覆土抗冲系数分别为66.06 、54.03、30.74 L·min/g。在其他开孔数和冲刷速度一定的情况下,APRC的覆土抗冲系数与开孔率的关系也均表现为24%<18%<12%。可见覆土抗冲系数随着开孔率的增大而呈现减小的趋势。开孔率控制为24%时,1个孔、2个孔和4个孔3种不同开孔数在0.2 m/s冲刷速度下覆土抗冲系数分别为21.16、23.15、30.74 L·min/g。在其他开孔率和冲刷速度下,APRC的覆土抗冲系数与开孔数的关系也均表现为4孔>2孔>1孔。可见覆土抗冲系数随着开孔数的增大而呈现增大的趋势。24%开孔率、开4个孔在0.2、0.4和0.6 m/s的冲刷速度下,APRC的土体流失量分别为30.74、27.43、25.08 L·min/g。在其他开孔率和开孔数一定的情况下,APRC的覆土抗冲系数与冲刷速度的关系也均表现为0.6 m/s<0.4 m/s<0.2 m/s。可见当冲刷速度递增时,各APRC的覆土抗冲系数持续减小。12%开孔率、开4个孔在0.2 m/s冲刷速度情况下,APRC的覆土抗冲系数最大为66.06 L·min/g,抵抗水流冲刷的能力最强。综合分析上述结果, APRC的覆土抗冲系数与开孔率及冲刷速度呈负相关关系;APRC的覆土抗冲系数与开孔数呈正相关关系。
综上所述,随着开孔率的增大,APRC的土体pH减小,狗牙根的发芽数和生长高度增加,但土体流失量增大,覆土抗冲系数减小。说明开孔率越大越有利于植物生长,但护岸结构的抗冲刷性能会降低。随着开孔数的增多,APRC土体pH与狗牙根生长高度变化不明显,狗牙根的发芽数会增多;同时土体流失量会减少,覆土抗冲系数增大。说明开孔数对植物生长影响效果不明显,但抗冲刷性能提高。在实际护岸工程中,要综合考虑景观效果、水流冲刷等条件,选择合适的开孔率和开孔数。
4 结论
通过对种植狗牙根后的APRC进行植生试验和抗冲刷试验,得出以下结论。
(1)开孔对土体pH具有一定影响。APRC的土体pH与开孔数无明显相关关系,与开孔率呈负相关关系。高开孔率会使混凝土内部与外界发生碳化反应和酸碱中和反应,降低孔隙内碱性物质浓度。
(2)主动开孔对狗牙根生长具有显著提升作用。APRC的发芽数与开孔率和开孔数呈正相关关系。未开孔植被混凝土发芽数显著低于各APRC,24%开孔率、开4个孔的APRC发芽数是未开孔植被混凝土的3.16倍。APRC的生长高度与开孔数无明显相关关系,与开孔率呈正相关关系。24%开孔率、开1个孔APRC生长高度最高。
(3)APRC的土体流失量与开孔数呈负相关关系,与开孔率和冲刷速度呈正相关关系。12%开孔率、开4个孔的APRC土体流失量最小。
(4)覆土抗冲系数与开孔率和冲刷速度呈负相关关系,开孔数呈正相关关系。12%开孔率、开4个孔的APRC在0.2 m/s冲刷速度下覆土抗冲系数最大。覆土抗冲系数与土体流失量存在负相关关系。
(5)在实际工程应用中,需充分考虑护岸结构处的水流冲刷、生态景观要求,选取合适的护岸植物,APRC选取合适的开孔率和开孔数以便同时满足工程与景观要求。
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