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堤防工程土工合成材料应用技术

 

 摘要:千百年来,在水利工程中,人们广泛采用的材料主要是木、竹、土、石等天 然材料以及一些金属材料,但它们都有一些固有的缺陷,例如性能单一,质量大,寿命不长,价格昂贵等,故不能全面满足工程的特定需要。同时天然材料毕竟数量 有限,而且不少天然植物材料如过分利用还会影响自然界的生态平衡,破坏人们赖以...... 

关键词:堤防工程 土工合成材料 应用
第二节 堤岸护坡工程
  近20年来,随着土工合成材料的应用和发展,堤岸护坡  也发生了重大改进,其中应用最广的是用非织造土工织物代替传统的砂砾石作为滤层,其次是混凝土模袋护坡技术的应用。
  一、块石和混凝土板的土工织物滤层护坡
  这种滤层护坡的  一般包括三层,最上一层为块石或混凝土护面层,最下一层紧贴土体的为土工织物滤层,二者之间视具体情况所需,可设置垫层。
  (一) 块石和混凝土护面层
在波浪作用下,干砌块石护面的厚度可按下式计算:

  采用抛石或人工块体护面,当边坡系数m=1.5~5.0时,在波浪作用下,单个块体的质量和护面层厚度可按下式计算:
式中:t为干砌块石护坡厚度,m;Kl为 系数,一般干砌石可取0.266,方石和条石可取0.225;γb为块石的容重,kN/m3;γω为水的容重,kN/m3;H为计算波高,m(d /L≥0.125时,取H4%;d/L<0.125时,取H13%。d为堤前水深,L为波长);m为坡率,m=ctgα(α为斜坡坡角)。

表4-1
抛石护面的KD和C值
式中:Q为单个石块质量,t为护面层厚度 (当护面由两层块石组成时,块石质量可在0.75~1.25Q范围内,但应有50%以上的块石质量大于Q);H为计算波高(当平均波高与水深的比值 H/d<0.3时,宜取H5%;当H/d4≥0.3时,宜采用H13%);n为块石的层数;KD为稳定系数; C为系数,可按表4-1取值。

构造形式
KD
C
块石抛填二层
4.0
1.0
块石安放(立放)一层
5.5
1.3~1.4
四脚锥体安放二层
8.5
1.0
扭工字块体安放二层
18(H≥7.5m)
           24(H〈7.5m)
1.2(随机安放)
           1.1(规则安放)
  混凝土板整体稳定所需的板厚度可下式计算:

(4-4)
式中:t为混凝土板厚度,m;η为系数,一般开缝板可取0.075;H为计算波高,m(取H1%);γc为混凝土容重,kN/m3;B为顺坡方向的混凝土板长度,m。
  混凝土板护坡除预制板和现浇混凝土板外,还有不同形式的联锁混凝土板。
  (二) 护坡垫层
  护面块石与土工织物层之间宜设置垫 层,其作用一是防止块石棱角在施工和护坡运行过程中刺破土工织物,二是可以均布面层的压力,减少块石空隙,防止织物受波浪力作用局部与基土脱离,此外还可 减免阳光穿过块石空隙直射土工织物。垫层的材料以不带尖角的碎石为宜。砌石垫层的厚度不宜过厚或过薄,一般可取10cm左右。抛石护坡垫层的厚度宜适当加 厚。其粒径可按下式确定:
d100〈1/2D50
(4-5)
d50≈1/4D50
(4-6)
式中:dl00、d50分别为垫层材料的最大粒径和平均粒径;D50为护面块石的平均块径。
  (三) 土工织物滤层
  护坡土工织物滤层在侧向或斜向水流和正向波浪作用下工作,因此,土工织物的水力特性应根据基土土质按第二章所述的紊流动力作用下的透水保土准则确定等效孔径和渗透系数。
  当护面层为混凝土板的情况下,用作滤层的土工 织物应采用非织造织物,而且宜全面铺设。这是由于非织造土工织物具有良好的平面透水性,而且有一定厚度,有利于基土的排水,如图4-1所示。如果基土的渗 透系数较大(如大于A×10-3cm/s),可考虑顺板间分缝呈条带状铺设。对于块石护坡和基土渗透系数较大的混凝土板护坡,在确认满足透水保土要求、不 至严重淤塞的条件下亦可用织造土工织物作滤层。

  对于特殊土如分散性粘土,用作滤层的土工织物应通过专门试验确定。
  土工织物的厚度和强度与工程条件、施工方法有关。从构造要求考虑,采用非织造土工织物时,其单位面积质量一般不应小于400g/m2,抗拉强度不小于10kN/m。织物的原材料以聚酯(PER)和聚丙烯(PP)为主。
  (四) 土工织物滤层护坡的抗滑稳定
  按极限平衡法计算护坡沿土工织物层的抗滑稳定安全系数:
Fs=f/tga

式中:Fs为安全系数,土基按GB50286—98规定的土堤抗滑稳定安全系数(表4-2)取值;f为垫层材料(或混凝土板)与土工织物或土工织物与坡土之间的摩擦系数;a为堤岸坡角。
表4-2
土基上织物滤层护坡安全系数
 
工程等级
1
2
3
4
5
防洪标准
           [重现期(年)]
〉100
〈100且≥50
〈50且≥30
〈530且≥20
〈20且≥10
正常运用条件
1.35
1.3
1.25
1.2
1.15
非常运用条件
1.2
1.15
1.1
1.05
1.05
 
 
           (五) 土工织物的铺设、连接和锚固
  土工织物幅间的连接方法有缝接、搭接或粘接。一般应尽量采用缝接。缝接方式可根据具体情况取图4-2中的一种。搭接宽度不宜小于30cm,搭接方式应采取上游幅的下游边压下游幅的上游边。

  土工织物的铺设方式有顺坡全长铺设和顺水流方向铺设两种。前者往往受施工速度限制,暴露时间过长,后者则需在顺坡方向进行布幅间的连接。因此,应根据具体情况确定铺设方式。当采取顺水流方向铺设时,顺坡方向的幅间缝接强度应大于母体强度的80%。
  土工织物在坡顶的一端必须锚因,以加强护坡沿土工织物与基土面之间的抗滑稳定,同时防止堤顶雨水或其他作用对基土的冲蚀和破坏。锚固方式可在护坡顶部挖槽,沿槽边和槽底将土工织物端头铺好,再填土或加石夯实,必要时在槽底中加打短桩。槽深和宽不宜小于40cm。
  护坡与下部护脚部分必须连接良好,表面平顺,底部严实,使两部分构成整体护岸  。护坡段土工织物的坡脚端应与软体排的土工织物排布缝接,并埋入软体排的锚固槽内压紧。无护底软体排的护坡,土工织物在坡脚一端必须压紧在护坡齿墙下面。
  (六) 土工织物滤层护坡施工要点
  (1) 平整和夯实坡面,清除树根和尖刺物。
  (2) 铺设宜在无大风天进行。铺设时顺卷打开,不要牵拉过紧,但也不宜过松,以适应坡面地形变化和紧贴坡面为度。
  (3) 不得在坡面上穿硬质带钉鞋行走。
  (4) 铺好土工织物后应尽快铺设垫层和面层,不得长时间在阳光下暴露,否则应加覆盖保护。
  (5) 块石不得沿土工织物坡面下滚,铺块石时尽可能轻放。
  (6) 护面块石应平面朝下,必须砌筑紧密,咬合良好,填缝密实,以保护土工织物和护坡的稳定。
  二、混凝土模袋护坡
  (一) 模袋的类型和适用条件
  混凝土模袋按其充填材料不同分为充填砂浆型和充填混凝土型两种。前者适用于一般坡面、渠道、江河和水库的护坡以及码头工程等,后者适用于有较强水流和波浪作用的岸坡、海堤等。
  模袋的类型已如第一章所述,即按所用 的材质和加工工艺不同可分为机织模袋和简易模袋。机织模袋主要由锦纶、涤纶和丙纶长丝织物制成,强度高,孔径均匀,充填时基本不漏水泥,可以制成带反滤点 形式,可以用泵充灌砂浆或细砾混凝土。简易模袋系我国东北某些省份创造的一种群众性护坡形式,目前均用聚丙烯编织物缝制,袋体本身不具备反滤功能,需在坡 面上加铺非织造织物滤层,袋内只充灌砂浆和采取人工自流灌填方式。
  机织模袋混凝土护坡可在最大坡度1:1甚至更陡的条件下应用,较佳的坡度为1:1.5,在水中充灌时允许水流流速一般小于1.5m/s。简易模袋混凝土较适于坡度1:1.5~1:3.0的水上或较浅的静水下护坡,其施工设备简单,工程造价较机织模袋低。
  国外机织模袋已基本定型化。国内的混凝土模袋技术是从日本引进和研究发展起来的,其种类与国外的相仿。表4-3为国内部分模袋产品及其与日本产品的对照。简易模袋目前只有一种形式,类似于FP型。
表4-3
部分土工模袋基本特性表
 
型号
FP-100
CY-100
CYZ-3
WYS-100
模S和模C系列
原料
锦 纶 66
锦纶6

锦纶+涤纶+丙纶
单层质量(g/m2)
241.6
240.8
273.2
331.5
340.0
单层厚度(mm)
0.334
0.356
0.485
0.536
0.55
抗拉强度
           (n/3cm)
经向
1332~1432
1265~1342
1427~1546
1064~2003
1839~2158
纬向
1587~1605
1599~1615
1478~1482
1757~1984
1786~2003
伸长率(%)
经向
10.3~11.4
10.4~12.9
12.2~12.5
15.8~20.4
14.5~21.0
纬向
10.6~10.8
10.8~11.0
12.2~15.3
17.1~18.7
16.9~18.5
顶破强度(N)
1546
1572
1281
1584
5000
等效孔径O90(mm)
0.1
0.12
0.12
0.091
〈0.2且≥0.043
渗透系数(cm/s)
3×10-3
1.0×10-2
2.87×10-2
, 4×10-3
1×10-2
           8.6×10-4
灌注后成型厚度
砂浆:10cm
混凝土:15cm
混凝土:15cm
砂浆:10cm
砂浆:10~20cm
           混凝土:5~70cm
  (二) 模袋混凝土的配合比设计
  机织模袋混凝土护坡采用泵送方法施工,要求所用混凝土或水泥砂浆除具有可泵性外,还要具有适宜的流动性,使之在模袋内能顺利流淌扩散,充满整个模袋,不发生分离。因此,对其材料的配合比和外加剂的应用比一般泵送混凝土要求更高。必要时应根据具体工程情况通过试验确定。
  表4-4和表4-5为日本蝶理公司提出的泵送充填料配合比,可供参考。
表4-4
充 灌 砂 浆 标准 配 合比
 
调合
           种类
水泥和砂
           比率C/S
水灰比
           W/C(%)
流动值
           (s)
单位质量(kg/m3)
备注
水泥C
细粒料S
水W
M-2
           M-3
1:2.0
           1:3.0
60
           70
20±2
600
           461
1200
           1383
360
           323
FM=2.8混合剂、AE剂、减水剂
 
表4-5
充 灌 混 凝 土 配 合 比
 
配合
           种类
粗粒料
           最大尺寸
           (mm)
坍落度
           (cm)
空气
           含量
           (%)
水灰比
           W/C
           (%)
细粒料
           比率Sa
           (%)
单位质量(kg/m3)
备注
水泥
           C
细粒料S
粗粒料
           G

           W
C-10
           C-15
10
           15
23±2
8
           7
65
65
           60
382
           365
938
           963
637
           654
248
           237
混合剂、AE剂、减水剂
C-25
           C-25W
25
21±2
5
65
           55
50
           55
326
           386
851
           909
867
           785
212
           212
  由于充填料灌入模袋后,其中多余的水 分可以从模袋的孔隙中渗出,从而水灰比可降至0.4或更低,使混凝土或砂浆的凝固速度加快,强度大大提高。如表4-4中的M一2砂浆在标准养护条件下,模 袋混凝土R28=54MPa,比普通混凝土强度高50%以上。表4-5中细砾混凝土R28比普通混凝土强度高30%以上。
  表中所列的AE剂为复合减水剂,具有引气和减水双重作用。国内有些单位采用PC一2型松香热聚物引气剂,掺量4.5%,含气量5%左右,外加减水剂0.6%左右,视减水剂的具体性能而定。
  对于抗冻要求较低的护坡工程,可以考虑掺粉煤灰以降低水泥用量,但要通过试验,且掺量一般不得大于20%。
  (三) 模袋混凝土护坡  设计
  1.模袋形式的选择
  用于堤岸护坡的混凝土模袋应根据工程等级、施工条件、风浪和水流状况、所能提供的资金和施工设备以及外观要求等确定选用机织模袋或简易模袋。模袋的形式宜选用带排水点型。
  2.厚度确定
  模袋混凝土护坡主要承受风浪荷载。在寒冷地区还有冬季冰推力作用。抗波浪稳定要求的板厚可按式(4-4)计算。从构造上要求,混凝土护坡的厚度不宜小于10cm。
  抗冰冻稳定计算可按护坡混凝土体顺坡整体上报情况和有无配筋两种情况。
  为加强混凝土的整体性和抗冰推能力,常常在混凝土中加入一根纵向钢筋。此时,抗冰推计算简图如图4-3所示,稳定按下式计算:

(4-8)
当混凝土中无配筋时,
 
式中:为模袋混凝土的平均厚度,m;P为设计水平 冰推力,kPa;δ为计算冰盖厚度,m;m为护坡的边坡系数;f1、f2分别为水上、水下护面与土工织物滤层或土工织物滤层与基土之间的摩擦系数;Hl、 H2分别为冰盖下界面以上和以下参加抗冰推的护坡高度,m;Fs为护坡抗滑安全系数,Fs≥1.1;γc为混凝土容重,kN/m3;γω为水的容重, kN/m3;C1、C2分别为织物反滤水上和水下部分与土之间的粘聚力,kPa。

  3.抗滑稳定性校核
  按前述块石和混凝土板的抗滑稳定计算方法进行。计算时取模袋与坡面土之间的界面为滑动面进行校核。
  4.排渗核算
  机织模袋的每个排水点面积仅4cm2,其排渗能力应满足下式要求:
qg≥Fsq

qg=naKgi

式中:qg为每延米宽度模袋排水点的单宽排水量,m3/s;Fs为安全系数,可取Fs≥1.2;q为每延米坡长的单宽出流量,m3/s;n为每延米有效排水的排水点个数;a为排水点的面积,m2;Kg为排水点的渗透系数,m/s;i为排水点处的作用平均水力比降。
  当排水点的排水能力不足时应加设排水孔。排水孔的间距可取3~4m,孔径可取50mm,孔底应设土工织物滤层。
  5.顶部和底脚 
  模袋混凝土护坡的顶部应牢固封顶,以防止水流 冲蚀坡土,并增加护坡的稳定。封顶形式可采取平封或锚封。平封延伸长度可取0.5~1.0m,锚封入土深度不宜小于0.5m。封顶形式如图4-4(a)所 示。底脚必须埋入士中,入土深度不应小于冲刷深度以下0.5m,如图4-4(b)所示。护坡与软体排之间的连接必须平顺整齐,紧密牢固,可按图 4-4(c)所示方式将模袋混凝土伸入软体排锚固槽内或贴紧软体排的顶部平台。护坡范围内上下游两侧与不护坡段之间的接头必须处理良好。接头处理可采取顺 坡开槽,将模袋混凝土埋人槽中的方式。接头分界处的坡面必须连接平顺。开槽埋入深度上游端不小于0.5m,下游端不小于0.7m。

  (四) 简易模袋的设计和制作
  1.编织物的选择
  模袋宜用抗老化聚丙烯织造(编织)型土工织物制作。在保证强度损失不大的条件下,也可选用一般聚丙烯织造土工织物。
  渗透系数宜为K=1×10-2~×10-3cm/s。为了防止漏浆,等效孔径要比细骨料的d85,即允许有少量水泥渗出而不允许砂粒流失。一般取O90=0.5~0.9mm。
  织造土工织物强度T视护坡平均厚度及一次充填高度大小而定。厚度及一次充填高度越大,模袋所承受的压力越大,要求织造土工织物的抗拉强度越高,可以用下式估算:
T=βγch1h2

式中:β为混凝土或砂浆的侧压力系 数,β=0.8;γc为混凝土或砂浆的容重,kN/m3(砂浆γc=21.7kN/m3,细砾混凝土γc=22.7kN/m3);h1为护坡的最大厚 度,m(取平均厚度的1.5倍);h2为lh内护坡充填高度,m(h2应控制在4~5m);T为织造土工织物的允许抗拉强度,kN/m[对于平均厚度 0.15m的模袋护坡,编织布的要求强度大约在20kN/m左右(应变10%





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