(六)生态混凝土护坡技术及应用
生态混凝土的原理与结构
本发明通过添加一定量的添加剂，提高了水泥浆体的粘结性和水泥浆体与骨料的粘附性，使水泥浆体不会因坍塌而堵塞生态混凝土亚结构的孔隙，保证了孔隙在生态混凝土整体结构中的有效形成、增强和均匀分布。具有理想的渗透系数和相当的强度，满足了过滤和植物生长的要求，也满足了大坝加固修复的要求。
现浇透水植生高强度生态混凝土技术不仅保证了高强度护堤的功能，而且由于其生态混凝土材料的多孔性和良好的透气性，形成了良好的过滤效果，消除了对整个坡坝的静水压力，从而保证了堤身的长期稳定性，进一步结合了环境问题，协调了生态环境，减少了环境负荷，保存和改善了环境景观，实现了植物和水生生物的生长，起到了改善景观、净化水质、完善生态系统的多重作用。
坡面覆盖工程标准结构-框架结构。框架为现浇混凝土结构，正常水位50cm以上为植被型生态混凝土护坡，以下为透水型生态混凝土护坡。框架是结合了斜坡和生态混凝土的结构。因此，考虑到结构的重要性和生态混凝土的厚度(t = 10 cm)，框架的截面形状在最小厚度20cm以上。
生态混凝土护坡可分为现浇构件和预制构件。现浇生态混凝土护坡要求河湖岸坡相对平坦，能提供较大的施工场地，具备维护条件。而且固化后的生态混凝土最大孔径只有几毫米，没有可供大型植物生长的空腔。绿化方法也仅限于水力喷播或铺草皮。生态混凝土预制护坡突破了现浇护坡的局限性，孔隙率为20% ~ 35%，具有一定的强度(15 ~ 25 MPa)，预留种植植物的大洞，施工方便，应用广泛。黄浦江生态护坡建设采用生态混凝土预制单球组合、16球连块、圆孔块、矩形块四种块体防护方式。
单球组合。单个球的直径为250mm，球内留有X、Y、Z方向的通孔。球体成型后，用φ 8钢筋(需防腐处理)连接，球体之间形成一个长约100mm的方孔，如图10-5(a)所示。在多层路面中，球形层还可以用钢筋连接，增加护坡的稳定性，组装简单灵活。
16球形连体块。球形块体由上部的16个半球和下部的16个墩组成，通过多孔混凝土自然连接，并预留9个直径为80mm的圆柱孔，如图10-5(b)所示。砌块高度为250mm，护坡面积为1m2。砌块之间用预留接头连接，砌块质量大，护坡稳定。
圆孔块。采用新的几何结构，外形尺寸为500mm×330mm×250mm，在块体中间预留三个直径为80mm的圆柱孔。组合护坡时，块与块之间也产生了直径约为100mm的孔洞[图10-5 (c)]，为较大植物的生长预留了足够的空间，植物也可以在块与块之间的接缝处生长。
矩形块。形状、结构、尺寸与圆孔块相同，成型模具简单。砌块中心没有预留孔，但砌块组合时产生一个直径约为100mm的孔，如图10-5(d)所示。用于种植植物，其孔隙率低于圆形砌块，但砌块质量大，护坡稳定。
2.生态护坡配置
以黄浦江为例说明生态护坡的配置。
(1)生态护坡结构
黄浦江是一条具有明显涨落特征的不规则半日潮河流，其生态护坡示范工程位于黄浦江源水厂临江泵站取水口两侧。黄浦江生态护坡的建设有利于岸坡的稳定，有利于取水口河岸生态环境的恢复和重建，有利于原水水质的改善。由于黄浦江水流湍急，潮汐河水一天两次混合流动，水体与坡面相互作用时间短，300m长的生态护坡对改善河流水质效果不明显。因此，主要从土壤覆盖能力、植被生长和边坡稳定性等方面探讨不同防护方式的生态护坡的生态性能。
图10-5预制生态混凝土护坡构件
(尺寸单位:毫米)
生态护坡工程于2005年底完成边坡施工，2006年4月底开始覆土种植。护坡总长300米，坡宽15米，设计高潮水位3.44米，低潮水位1.20米，坡顶标高4.5米，坡底标高2.5米(以上标高均相对于上海吴淞0: 7.5)，护坡断面如图65438+所示。为了比较不同护坡构件的生态效果，分别采用上述四种块体，每种块体防护方式的护坡长度从60 ~ 90m不等。
图10-6黄浦江生态护坡断面图
(2)覆土和种植植被
植被种植前，生态护坡的坡面和块体的孔隙应覆土填充，通过孔隙诱导植物根系生长。原则上局部选择表层20cm厚的土壤，土壤厚度不低于球或块顶部。覆土后不宜立即种植植被，应放置20天左右。雨水灌溉和自然风化会使土壤变得密实。另外，土壤一般呈弱酸性，可以中和生态混凝土的碱性，更适合植被生长。根据生物多样性理论，物种多样性会使生态系统的网络食物链结构更加复杂，使生态系统更加稳定。因此，植物物种的选择应多样化，以增加平衡生物群落的容量，选择4-6个植物品种合理的生态型混植为宜，以乡土物种为主。根据黄浦江水位特征，生态护坡可分为水位变动区和水位变动区。水位变动区边坡宽8m。因为河水的潮汐运动，一天淹两次。选择美人蕉、香蒲、葱、高坝、菖蒲等地区种植。水位变动以上区域坡度宽7m，除特大洪水或潮汐洪水外，均位于水面以上。适宜种植水土保持能力强的多年生草本植被，拦截通过坡面进入河道的面源污染，水力喷播种植狗牙根和黑麦草。
3.护坡的生态效应
(1)覆盖土壤保持能力
覆土的作用是诱导植物生长，促进植物根系向生态混凝土中延伸，起到锚固和加固生态边坡的作用。土壤覆盖能力越强，越容易促进植物生长，生态边坡的护坡能力越好。
在水位波动以上的地区，上覆土层受到雨水浇灌，自然沉降。上覆土15d时，上层下降约2cm，逐渐变密。由于水位变动区的覆土受到黄浦江潮汐的冲刷，特别是高潮位时，大型船舶经过时，在水面上形成冲击力很大的连续水波，冲刷块体和覆土。当用15d覆盖时，由于单球组合和16球连块的上部为球形，球体之间的土壤被水流牵引而被侵蚀。单球组合和16球连块的土壤已经下沉到球体半径，但冲击后的土壤更加密实，以沉积层的形式残留在球体与块体下部之间的孔隙中，造成土壤流失。圆孔块和矩形块表面平整，表面土壤被侵蚀，孔内和块间土壤保持较密实。
通过以上分析，在水位波动以上地区，四种防护和砌筑方式均具有良好的保土能力；但对于水位变动区，圆孔型块体和矩形块体的挡水能力优于球形块体。因此，单球组合和球连块适用于水位波动以上地区和水面相对平静的河湖生态护坡；对于河流侵蚀严重的岸坡，宜选择圆形块、矩形块等预制构件进行生态护坡。
(2)草本植被的生长状况
水位变动以上区域植被种植是将草种、保水剂、粘合剂、复合肥、纤维地膜按比例与水混合形成喷射混凝土，于2006年6月初用液压喷播机均匀喷洒在生态坡面上。喷洒后3天，浇水养护一次；第5天，草种开始萌发，各种保护方式下的植物种子由于不受河水干扰，萌发率基本相同。10d时，幼苗长出2 ~ 4片真叶。而在没有被土壤覆盖的地块顶部，种子虽然发芽了，但生长几乎停止，植物枯萎甚至死亡。可见，生态混凝土护坡的植被种植必须有土壤才能诱导植物生根发芽；30 d时，幼小的百慕大草已经长到20cm左右，而黑麦草相对较短，球体之间和块体孔隙内生长的植物较多，而生态混凝土表面实际生长的植物较少。从斜坡的上部可以看到植物沿着块体的孔隙分布，并沿着穹丘或块体表面产生明显的边界。只有在土层较厚的地区，植物分布均匀。60天时，植株长到50cm左右，植株的叶和茎都有爬行，全部覆盖生态坡。延伸的茎在生态混凝土的表面产生新的根，并向内延伸。同时，生态斜坡上有丰富的微生物、昆虫、爬行动物、两栖动物和螃蟹等动物，甚至鸟类也在这里觅食和筑巢，形成了完整的生物链。
(3)水生植物的生长状况
在水位变动区选择美人蕉、香蒲、菖蒲、高坝、大葱等水生植物，植株健壮，根系完整，剪去上部枝叶，保留长度为30 ~ 40 cm的幼株，移植到坡底至水位变动区上限的不同区域，考察不同植物对生态混凝土护坡的适用性。涨潮时，坡底水深约1m，江浪对植物的冲刷作用较强，影响植物根系的固定。水生植物于2006年5月底移植。植物的牛长见表10-5。
表10-5黄浦江生态护坡水生植物生长状况
从表10-5可以看出，美人蕉适合浅水区，耐河流侵蚀，种植60天后全部开花，景观好；虽然菖蒲能常年保持绿色，景观预期良好，但不适合生态混凝土护坡生境，水花生等杂草较多，而其他地区杂草较少，甚至无杂草生长，说明生长良好的水生植物能抑制杂草生长；香蒲和高坝都是黄浦江的地方品种，表现出很好的适用性，适合粗放经营，但高坝景观较差，不适合更多种植。大葱被证明是最理想的水质净化水生植物，也适用于生态混凝土护坡，但其景观不如美人蕉。
水生植物移植到80天时，要根据前期各种水生植物的生长状况进行补植补种。枯萎的美人蕉区换成了香蒲，黄铺铺区上部换成了美人蕉，下部换成了香蒲和水葱。重新调整生态坡度后，美人蕉、香蒲、水葱连在一起，加上水位变动以上区域的草本植被和丰富的生物群落，勾勒出黄浦江沿岸的原生态景象。
(4)生态边坡稳定性
植物绿化后，迎来了汛期。生态护坡经受住了汛期雨水和潮汐的侵蚀，草本植被和水生植物都能有效保持土壤被覆。在水位变动区的下半部，块体本身没有受到明显的河流侵蚀，块体形状较为完整。当植物移植80天时，在试验区敲出各种保护方法的未固定块，与覆盖物、植物和孔隙水一起称重。发现植物根系已经深入到生态混凝土砌块和下层土壤中，将生态护坡和边坡的基面锚固为一个整体，加强了边坡的稳定性。两次前后试块质量及变化见表10-6。
表10-6生态混凝土预制块质量单位:kg
注:括号中的数字是指质量提高的次数。
从表10-6可以看出，种植植被80天时，生态混凝土砌块(包括土壤、植物和孔隙水)的质量较原质量有不同程度的提高。质量增加越多，固土能力越强，植物生长越大，护坡越稳固。草本植被区地块质量的增加大于水生植被区，这主要是由于在水位波动区，覆盖土被河水冲走，沉积土和水的含量较低。在四种砌块中，预制单球组合和圆孔砌块的质量增加较多，说明这两种砌块的生态性能较好。由于孔隙率小，矩形块的质量增加不多。单球组合和16球接块体更适合于水位波动以上地区的生态护坡，圆孔块体适合于水位波动地区的生态护坡。
综上所述，在水位变动区，表面平整的圆孔块和矩形块的挡土能力优于单球组合和球形配置的16球接块，圆孔块更适合于水位变动区的生态护坡。在水位波动以上的地区，各种施工方法都能有效地保持覆土。单球组合和圆孔块孔隙度大，更容易促进种子萌发和生根，16球连块质量大，护坡稳定，适合在水位波动以上地区选择。通过植被种植试验，狗牙根、黑麦草等草类植被可以很好地应用于水位变动以上地区的生态护坡。水位变动区的水生植物应以香蒲、美人蕉、水葱为主，适合粗放经营。美人蕉适合浅水区，景观性好，而菖蒲等水生植物不适合生态混凝土护坡生境。