预制混凝土铰接板块护坡技术应用设计探讨.pdf

第 l 2期( 总第 4 0 3 期 ) 吉 林水利 2 0 1 5年 l 2月 文章编号】1 0 0 9 2 8 4 6( 2 0 1 5 )1 2 0 0 4 7 0 4 预制混凝土铰接板块护坡技术应用设计探讨 李屹峰 ( 吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春1 3 0 0 0 0 ) 摘要 】预制 混凝 土铰 接板块护坡是一种新 型的应用铰接连锁 的预制混凝 土板块护坡技术 。混凝土铰接板 块护 坡 结合 了传统 刚性护坡 与柔性护坡各 自的优点 ，既 具有 刚性 护坡 稳定性好 、抗冲能 力强的特 点又具有柔性护 坡适应位 移和抗 变形能力强的优 点。通过对预制 混凝 土铰接 板块护坡的分析计算 确定其板 块厚度 、无纺布反 滤设计 、护坡稳 定性等 。不 同护坡边界结构对混凝 土铰接板 块护坡 的稳定性影响差异较 大设 置压重混凝 土和 护脚混凝土将 大大地提 高护坡的稳定性 关键词混凝土铰接 板块 ；护坡 ；分析 计算 ；应 用研 究 【 中图分类号T V 8 7：T v 4 3 1 【 文献标识码 B 预制混凝土铰接板块护坡技术始于上世纪 8 0 年代的美 国是一种应用铰接连锁的预制高强度 混凝土板块铺 面防止堤岸土壤冲刷 的护坡技术 预制混凝土铰接板块护坡是 由一组尺寸 、形状和 质量一致 的预制混凝土块 用铰接组件相互连接 而形成的连锁型混凝土铰接板块矩阵 具有 良好 的适应位移 、 抗 冲刷 、 抗 变形的柔性护坡特性 。 被 广 泛应 用 于江 河堤 防 的护岸 工 程【 ” 传统的护坡工程常常采用抛石 、 干砌块石 、 浆 砌块石 、 混凝土和钢筋混凝 土板护坡等型式 。 其作 用主要是抵御风浪冲击 防止坡面被雨水冲刷 。 防 止堤防粘性土发生冻胀和干裂 防止非粘土被风 吹散以及 防止动物的破坏 这些护坡形式都存在 着一些缺陷。 诸 如 ： 厚度较大 。 建设成本 、 维护费用 较高 ； 生态效果差 ， 不易种草 、 绿化 ； 对小规模变形 的适应性差 。 结构 不稳 定 ； 耐久性 差 ， 容易发生大 面积的破坏等等 预制混凝土铰接板块护坡技术弥补了传统护 坡型式的不足 设计时充分考虑了各种水深 、 水流 速度和风浪情况等 水力条件下的边坡稳定 问题 结合 了传统 刚性护坡 与柔性 护坡各 自的优点 以 高强度钢筋混凝土预制块作为斜坡保护结构。 相邻 的块体之间相互铰接 整体结构稳定 适应变形能 力尤为突出。砌块之间铰链连接， 能较好地适应温 度变化 ， 防冻胀性能好。推广和使用铰链式护坡 ， 使河流与河岸 的生物群落依然处于一个完整的生 态系统 为保 留江河湖泊原有的 自然形态 为生物 的生长发育提供了栖息地 为植被生长创造 了条 件 ， 为改善生态环境等发挥 了重要作用 2 】 。 2 预制 混凝 土铰接板块 护坡 的结构型 式 2 1 预 制铰 接板 块 的结构 型 式 预制铰接板块是铰链式护坡的基本 护面层单 元 ， 其主要结构型式有两种 。一种是 中间开孔式 ， 另一种是 中间封闭式。为了适应不同的水流情况 ， 两 种 结 构 型 式 的 铰 接 板 块 都 有 不 同 的 尺 寸 和 厚 度。 预制铰接板块 的铰接型式也分为两种 。一种 是用柔性线缆贯穿铰接板块 的铰接型式 通常柔 性线缆为镀锌的钢缆或聚酯缆绳 ：另一种是采用 钢制铰接零件的铰接型式 钢制铰接零件一般为 普通钢筋 。 “ Z ” 型结构。典型的中间开孔式铰接板 块结构如 图 1 所示 2 2 铰接板块护坡的结构型式 铰链式护坡 的核心结构是预制混凝 土铰接板 块护面层 既利用不同形式的铰接零件将预制混 【 收穰 日期 】2 01 5 1 1 - 0 2 作者 简介 李屹峰 ( 1 9 6 6 一 ) 吉林长春人， 大学 ， 高工 ， 现从事水利工程监理工作。 4 7 吉林水利 预制混凝土铰接板块护坡技术应用设计探讨 李屹峰 2 0 1 5年 1 2月 卷土石坝 中， 给出了一种估算预制混凝土铰 接 板块护坡 的铰接板 块厚度 的方 法 这种 方法 的限 定条件也是 ： 有 明缝的混凝土板护坡 、 坡度 系数在 2 5之间、 护坡板在浮力作用下。计算公式如下同 ： 厂 6 =k 0 2 2 5 ， x 2 h ， x 、Vl + m 一 ( 3 ) I ) x m 式中 ： k为系数 ， 通常取 1 2 5 ； h为波浪高度 ； 为铰接板块的容重 ， 取 2 4 k N m3 ； m为边坡系数 ， 取 2 5。 同一个工程 同时采用 以上三种计算方法铰接 板块厚度是会 有差异的 笔者建议实 际设计时采 用第二种方法 ， 其他两种方法可作 比较之用 3 2混凝 土铰 接板 块护 坡 无纺 布反 滤设 计 岩土工程 中应用无纺布的作用有 6项 即： 防 渗、 反滤、 排水 、 防护、 加筋 和隔离。其 中作为反滤 材料 应用 最 为广 泛 预制混凝土铰接板块护坡设计采用无纺布作 为反滤材料 ， 必须满足 以下条件8 1 ： ( 1 ) 保土性 无纺布保土性 以无纺布有效孔径与土的特征 粒径之 间关 系表征 。有效孔径约束条件为 ： D 蛄 ， 。 式 中： 0 为土工织物的等效孔径 ； n为经验系 数 ， 通常取 1 ； d 为被保护土的特征粒径数 。 ( 2 1 透水性 透水性要求为 K 。式 中： K g为无纺布的 渗透系数 ； 为被保护土渗透系数 。 ( 3 ) 防堵性 当无纺布保护 的土级配良好 水力梯度低 ， 流 态稳定 ， 修理费用小 以及不发生淤堵 时 ： 0 蛄 3 D 。 式 中： D 为被保护土的特征粒径。 3 3 混凝土铰接板块护坡稳定性分析 3 3 1 抗滑稳定安全 系数计算 为 了简 化混凝 土 铰接板 块 护坡 的稳定性 分 析 将混凝土铰接板块护坡的边界结构分为 3种 类 型 ， 即： 无压 重混凝土和护脚混凝土 ： 设置压重 混凝土： 设置压重混凝土和护脚混凝土 。分别对这 3种类 型作为刚体进行稳定安全系数计算 。 无压重混凝 土和护脚混凝 土的混凝土铰接板 块护坡 的稳定安全系数 K 为 ： Kl = ( G 2 c o s a ) l x ( G 2 s i n a ) -T t t t a n ( 4 ) 设 置 压 重混 凝 土 的 混凝 土 铰 接 板 块 护坡 的稳 定安全系数 为 ： = ( G 1 + G 2 c o s ) ( G 2 s i n ) ( 5 ) 设置压重混凝土和护脚混凝土的混凝土铰接 板块护坡的稳定安全系数 为 ： K 3 = ( G 1 + G z c o s a + G 3 ) z ( G 2 s i n o t ) ( 6 ) 式 ( 4 ) 、 式 ( 5 ) 、 式 ( 6 ) 中： G ： 为单位长度砌块质 量 泓 为摩擦系数 ； O l 为坡度角 。 3 - 3 2护坡 稳 定性 分析 ( 1 ) 护坡稳定性标准 防洪标( G B 5 0 2 0 1 9 4 ) 中规定 ， 护面抗滑稳 定 安 全 系 数 不 小 于 1 1 0 ： 河 道 整 治 设 计 规 范 ( G B 5 0 7 0 7 2 0 1 1 ) 中规定 ， 河道整治工程 中防护工 程的稳定安全系数为 1 2 5 。因此 只要混凝土铰接 板块护坡的护面抗滑稳定安全系数 大于 1 2 5即为 稳定 。 ( 2 ) 护坡边界结构对护坡稳定性 的影响 研究人员对不同护坡边界结构下的稳定安全 系数做 了对 比实验 得出了摩擦系数为 0 4 4时 混 凝土铰接板块与无纺布在不同护坡边 界结构下的 稳定安全系数 见表 1 。 表 1不同护坡边界结构下 的稳定安全 系数 从表 1 可以看 出对 于混凝土铰接板块与无 纺布来说 无压重混凝土时安全系数刚刚能够达 到规定 的要求 ； 有压重混凝 土和护脚混凝土时 ， 安 全系数 明显增大 。因此设置压重混凝 土和护脚混 凝土将大大地提高护坡 的稳定性9 1 。 4 设 计实例 4 1 工程 概况 大安市嫩江湾湿地陡岸治理工程位于大安市 区东侧 ， 嫩江右岸 ， 距离大安 市区 5 k m。湿地陡岸 治 理 长 度 为 5 5 4 0 m其 中 土 方 填 筑 长 度 为 5 5 4 0 m预制混凝土铰接板块护坡长度 为 5 5 4 0 m。 护坡顶高程 1 3 3 0 0 m 底高程 1 3 0 0 0 m， 坡角 2 1 8 。 。 铰 接 板 块 规 格 为 O 5 x 0 5 m ( 宽 高 ) 。厚 度 为 4 9 吉林水利 预制混凝土铰接板块护坡技术应用设计探讨 李屹峰 2 0 1 5年 1 2月 0 1 5 c m。 铰接 板块下 设 无纺 布 ， 坡 面 四周设 封边 、 封 顶 、 封 底混 凝 土 ， 封 顶混 凝 土规 格 为 0 5 x 0 6 m( 宽 X 高 ) ， 封底 昆 凝 土规格为 0 5 x 0 8 m( 宽 高) ， 封边混 凝土规格为 0 5 x 0 6 m( 宽X 高 ) ， 封边 、 封顶 、 封底混 凝 土每 6 m设 一道伸缩缝 缝宽为 l e m 填缝材料 为泡 沫闭孑 L 板 嫩江湾湿地属于中温带大陆性季风气候 。多 年平均降雨量为 4 2 3 4 mm。降雨量年 内分配不均 主要集中在 6 9月份 。 占全年降水总量 的 8 2 8 。 多年平均气温 4 - 3 。 常年风向以西风为主， 平均风 速 4 1 m s 。 最大风速达 2 0 m s 。流域地下水主要类 型为孔隙潜水 。 具有微承压性质 ， 赋存 于第 四纪全 新统 的粉质粘土 、细砂层 中。细砂 的渗透系数为 2 0 8 x 1 0 - 3 e n d s 粉质粘土 的渗透 系为 2 5 x l 0 - 6 c r r d s 潜水位埋深为 1 3 m。 补给来源 以大气 降水 、 河水 为主。水位升降幅度与河水位关 系密切 。 地下水为 重碳酸钠钙水 ， 矿化度低 ， 地下水 、 地 表水对砼无 侵蚀性 4 2 混凝 土铰 接板 块厚 度确 定 将 大 安市 嫩 江湾 湿 地 陡岸 治 理 工程 的实 际数 据 ， 代 入 公式 ( 2 ) ， 面 板 系数 取 1 1 ； 波 浪高 度 取 0 7 1 m； 平均波长取 6 5 7 m； 铰接板块沿堤坡向长为 0 5 m； 铰接板块密度取 2 4 k N m 3 ： 水 的密度取 1 0 k N m ； m为 边坡 系数 取 2 5 。 6 = 0 0 7 0 i 旦 逝： 0 0 8 6 m 。 、 0 p cP| n 选 定 的混凝 土 铰接 板块 平 均厚 度 0 1 5 m 满足 要求 。 4 3 无纺 布性 能验 算 工 程选用 无 纺布性 能 指标 如表 2所示 表 2 m程选 用无 纺 布 性 能 指 标 单 位质量断裂伸长率 等效孔径断裂强力 C B R顶破撕破强力 g ， c m2 0 9 5 ra m k N m 强力 k N k N 4 0 0 2 5 -1 0 o O 0 7 - 0 2 1 2 5 2 1 0 3 3 护坡基土的实际特征粒径 d 8 5 = 0 0 9 ra m大于 选用无纺布的等效孔径 无纺布满足保土性约束 条件 D 9 5 ， 。 选用 无纺 布 的透水 性在 1 0 - ： c m s 量 级 以上 远 大于实地土体 的透水性 ( 砂壤土时透水性 为 9 8 x 1 0 c n Y s ， 壤 土时透水性为 3 8 x 1 0 - m s ) ， 满足 的透水性要求 选用无纺布的等效 孔径 大于 3倍 的被保 一 5 0一 护土的特征粒径 D 满足无纺布 的防堵性 要求 O9 5 3 D1 5 。 4 4稳定性 分析 通过室 内试验 混凝土铰接板块与无纺布之 间的摩擦系数在 O 5 4和 0 4 4之间 取 O 5参与计 算 ： 坡度角 = 2 1 8 o ； 大安市嫩江湾预制混凝土 铰 接板块护坡的结构型式 属于设置压重混凝土和 护脚混凝土 的混凝土铰接板块护坡 ， 因此 ， 护坡的 稳定安全系数计算应该采用公式( 6 ) 。经计算 K 2 0 说 明大安市嫩江湾预制混凝土铰接板块护坡 的稳定性满足规范要求 。 5 结语 预制混凝土铰接板块护坡作为一种新型的生 态护坡技术 ， 在我 国北方地区应用得还较少 许多 问题还未得到验证 比如预制混凝土铰接板块护 坡冻融冻胀问题 、混凝土板块的适合寒冷地 区的 铰接型式 、 铰接件经过冬季后的性能变化 问题等 ， 都需要进行深入地研究 水利工程结合生态环境建设是发展 的必然趋 势 未来 的水利工程不仅是满足人们对水需求 的 工程 ， 也是有利于改善和恢复生态系统 、 环境保护 的工程。嫩江湾陡岸治理生态护坡的实践又一次 表 明预制混凝土铰接板块护坡 因其具有抗冻胀 变形能力和易于生态保护等优势 其应用前景十 分广阔。口 参考文献 ： 【 l 】张晓 波混凝 土铰 接 式护坡技 术研 究 【 J 】 黑龙 江水利 科技 ， 2 0 1 4 ， 4 2 ( 1 2 ) ： 4 - 5 2 】 龚丽飞 ， 杨捷 ， 程卫 国 新型铰接 式砌块 护坡体 系的应 用及 其计 算方法f J 】 水利水 电技 术 ， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 1 ) ： 5 8 6 1 3 1 - 月桂 ， 邹士军 ， 张玲秋 开孔联锁混凝 土护坡设计 与应 用 J 1 山 东工业技术， 2 0 1 4 ， ( 1 1 ) ： 1 3 8 1 3 9 【 4 颜建 ， 庄前斌 ， 封 荣东， 等 铰接 式生态护坡块在水环境 护岸工程 中的应用 J 南水北调与水利科技， 2 0 1 2 ， l O 0) ： 1 1 5 1 1 7 5 】 曹栽 宏 生态联锁式护坡技 术在河道护坡 工程 中的应 用【 J 】 水利 规划与设计 ， 2 0 1 4， ( 1 ) ： 5 1 5 3 + 5 9 【 6 】中华人民共和国水利部 S L 2 7 4 2 0 0 1 5ff , 土石坝设 计规范【 S 北京： 中国水利水 电出版社 2 0 0 2 7 华 东水利 学院 水工设 计手册第四卷一土石re M 北 京： 水利 电力 出版 社 1 9 8 4 8 】 陈毅光 土工合 成材 料在水库 大坝 反滤体 中的应 用 J 1 广 东水利 水电， 2 0 0 7 ， ( 3 ) ： 6 6 6 8 【 9 1 朱佰亮， 王建英， 方明， 等 铰接式混凝土砌块护坡工程砌块稳定 性分析【 J 】 人 民黄河 ， 2 0 1 3， 3 5 ( 1 ) ： 1 3 0 1 3 1