生態(tài)格網(wǎng)技術(shù)在工程防護中的結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

衛(wèi)學(xué)文

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西水務(wù)投資集團有限公司，山西 太原 030002）

生態(tài)格網(wǎng)技術(shù)在工程防護中的結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

衛(wèi)學(xué)文1，2

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西水務(wù)投資集團有限公司，山西 太原 030002）

生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于水利工程堤坡防護，具有生態(tài)環(huán)保、消浪性能優(yōu)異以及造價低等優(yōu)點，是未來水利工程防護的一個重要方向。針對生態(tài)格網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了網(wǎng)箱擋土墻的設(shè)計及驗算方法，以為類似工程提供參考。

網(wǎng)箱擋土墻；堤坡防護；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 引言

中小河流治理是山西省防洪工程建設(shè)的重要任務(wù)之一，也是地方生態(tài)建設(shè)及城鎮(zhèn)綜合治理的重要內(nèi)容。隨著水利部“睡堤喚醒”計劃的實施，河道岸墻也逐步采用柔性結(jié)構(gòu)替換硬質(zhì)岸坡。生態(tài)格網(wǎng)以其生態(tài)環(huán)保、整體性、柔軟性、消浪性能優(yōu)異、透水性、耐久性、造價低等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用。針對生態(tài)格網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了設(shè)計及驗算方法。

2 網(wǎng)箱擋土墻設(shè)計

2.1 適用條件

當(dāng)空間有限，需要防護的岸坡坡度大于1∶1.5，或河道整治時需要護坡，則采用網(wǎng)箱擋土墻。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

網(wǎng)箱擋土墻的設(shè)計和大體積重力墻一樣，適用標(biāo)準(zhǔn)的土力學(xué)原理，用于河道護岸工程可參考《堤防工程設(shè)計規(guī)范》。

2.2.1 構(gòu)造形式

典型構(gòu)造形式包括河道整治擋墻、墻背臺階式低擋土墻或高擋土墻和坡面擋土墻三種型式。網(wǎng)箱擋墻需建造在堅實的基礎(chǔ)上。

2.2.2 邊界處理

應(yīng)特別注意網(wǎng)箱擋墻邊界及坡腳，護坡的上游及下游需設(shè)置扶壁，扶壁應(yīng)設(shè)置在距離上下游邊界3.6～5.5m處，深入河岸至少5.5m。

護坡坡腳需要保護，施工時將網(wǎng)箱擋墻的基礎(chǔ)設(shè)置在預(yù)期沖刷深度之下。當(dāng)難以預(yù)測沖刷深度或河床經(jīng)常出現(xiàn)起伏，推薦采用網(wǎng)墊護坦。護坦最小長度等于1.5倍護坦下預(yù)期沖刷深度，當(dāng)局部沖刷深度不確定時，應(yīng)相應(yīng)增加護坦長度。

2.2.3 填料、濾層要求

選擇合適的擋土墻后回填料，以滿足墻后填土的排水。網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的透水性允許所防護的河堤自然透水。但從網(wǎng)箱擋墻濾出的土料會出現(xiàn)堵塞，因此回填土應(yīng)采用允許自由排水的粒狀材料。填料應(yīng)包括5～30cm厚的分級碎石，后鋪設(shè)一層細粒料墊層。

2.3 土壓力計算

2.3.1 非黏性土土壓力

網(wǎng)箱擋墻墻后填土為非黏性土?xí)r，可采用標(biāo)準(zhǔn)的庫侖公式計算。

2.3.2 黏性土土壓力

目前常用的計算黏性土土壓力方法為數(shù)解法。

數(shù)解法對庫侖理論進行改進，考慮土的黏聚力作用是以平面滑裂面假定為基礎(chǔ)的黏性土、粉土主動土壓力數(shù)值計算法。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》采用數(shù)解法。

黏性土主動土壓力系數(shù)按下式計算：

式中：Kα——主動土壓力系數(shù)；

Kq——被動土壓力系數(shù)；

q——地表均布荷載；

α——墻背與水平面的夾角；

β——填土表面與水平面之間的夾角；

φ——墻后填土破壞角與水平面夾角；

δ——墻背與填土之間的內(nèi)摩擦角；

η——影響系數(shù)；

c——填土黏聚力；

γ——填土重度；

H——擋土墻高度。

數(shù)解法適用于填土表面為傾斜平面，其上作用有均布超載的一般情況。

2.4 穩(wěn)定驗算

網(wǎng)箱擋土墻穩(wěn)定驗算需考慮傾覆、滑移、基礎(chǔ)穩(wěn)定性、整體滑動、擋墻局部變形或破壞等。

2.4.1 抗傾穩(wěn)定性

由于生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有透水性，無需考慮墻后的剩余水壓力作用。按繞墻趾轉(zhuǎn)動校核，計算抗傾安全系數(shù)。

2.4.2 抗滑穩(wěn)定性

通過將回填土產(chǎn)生的推力與基礎(chǔ)產(chǎn)生的摩擦力及黏聚力比較，校核擋墻的抗滑能力。

2.4.3 基底壓應(yīng)力驗算

進行基礎(chǔ)穩(wěn)定性驗算時先確定基底合力的偏心距，根據(jù)偏心距判斷基底的應(yīng)力情況，計算荷載作用下?lián)跬翂χ汉蛪︴嘞峦恋膽?yīng)力，一般要求在底板中間的1/3范圍內(nèi)，同時滿足基礎(chǔ)底面的最大、最小應(yīng)力。基底最大應(yīng)力不應(yīng)超過基底允許承載力，最大、最小應(yīng)力之比，黏土宜取1.5～2.5，砂土宜取2.0～3.0。

2.4.4 整體抗滑穩(wěn)定性

土基上的網(wǎng)箱擋土墻除需考慮沿基底面的抗滑穩(wěn)定外，還應(yīng)核算墻體與基礎(chǔ)整體的抗滑穩(wěn)定性?？够€(wěn)定驗算采用瑞典圓弧滑動法。

2.4.5 局部破壞

選擇墻身截面變化處作以下校核：墻體內(nèi)部由于剪破壞引起的滑移，墻體轉(zhuǎn)動破壞引起的傾覆，墻體內(nèi)部壓應(yīng)力。

3 生態(tài)格網(wǎng)設(shè)計要求

3.1 生態(tài)格網(wǎng)材料

所有鋼絲（網(wǎng)絲、邊絲、扎絲）的檢測都應(yīng)在生態(tài)格網(wǎng)編織前進行，鋼絲抗拉強度介于350～520MPa；延伸率不得小于12%；鋼絲最低鍍鋅量或鍍鋁鋅量應(yīng)滿足《河湖生態(tài)保護與修復(fù)材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》要求；將鋼絲圍繞4倍直徑的芯軸纏6圈，用尖針刮擦鍍層，不會剝落或產(chǎn)生裂縫。

3.2 填石

網(wǎng)箱中填料粒徑150～300mm，網(wǎng)墊中填料粒徑75～150mm；填充石料需密實、堅硬、新鮮、抗風(fēng)化，表層不能風(fēng)化、帶土，且小于網(wǎng)目大小的石料不得超過15%；每組網(wǎng)箱空間須同時均勻投料，每層填筑厚度20～30cm，并以機械或人工整平；填充石料如有縫隙，須以小石料填塞，外部裸露部位的石料須以人工砌壘、擺放整齊，以求美觀。沿高度方向每25～30cm設(shè)一道水平拉筋，每一拉筋處以兩網(wǎng)目為間距，向內(nèi)拉筋并絞緊拉筋，每平方米內(nèi)4處，以正反八字形設(shè)置。

3.3 濾層

網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)必須使用土工織物濾層，鋪設(shè)在網(wǎng)箱及土的界面，主要是起到隔離、排水和反濾功能。通常情況下，織造型（有紡）土工織物不適用于網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)。非織造型（無紡）土工織物具有高能量吸收、堅固、防損傷能力，適合用于網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)。土工織物應(yīng)結(jié)實、滲透性好、抗沖磨，以確保在有懸浮沉積物的河道中織物絲不會纏結(jié)。

網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的濾層也可選擇鋪設(shè)一層10～15cm厚的礫石層。

用作反濾層的土工織物，首先要滿足保土性、透水性、防堵性等反濾準(zhǔn)則，其次土工織物強度應(yīng)能承受施工應(yīng)力和可能遇到的其他荷載。

4 生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

4.1 生態(tài)優(yōu)勢

格網(wǎng)石籠的空洞約為10%～15%，利于水、空氣和植物相互作用，且孔隙內(nèi)掛於后，植物可以在其中生長。同時空洞可作為魚、蛙等水生動物產(chǎn)卵地，對微生物的繁殖十分有利，屬生態(tài)型結(jié)構(gòu)。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

格網(wǎng)石籠為柔性結(jié)構(gòu)，對地基的適應(yīng)性強，可大大降低地基處理費用；格網(wǎng)石籠不需要膠結(jié)材料，施工工藝簡單，不受天氣、氣溫的限制，施工速度快；格網(wǎng)石籠的網(wǎng)材為專業(yè)生產(chǎn)廠家成品供應(yīng)，質(zhì)量有保證；格網(wǎng)石籠結(jié)構(gòu)的孔隙較大，排水條件好，適應(yīng)抗冰凍和凍漲性能好，且有消浪作用，可減小波浪爬高。

4.3 耐久優(yōu)勢

生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)鋼絲在應(yīng)用中表層與酸性空氣、水、土以及鹽接觸，可能產(chǎn)生腐蝕。為了延長籠網(wǎng)使用壽命，鋼絲在編織前需要進行鍍鋅或鍍鋅鋁，鍍層厚度要大于規(guī)范要求值。通過鹽霧試驗，其使用壽命可達到40～50年，耐久性較好。且通過大自然的作用，石塊之間的空隙會被土填充，植物根系通過石塊之間的土深深扎入邊坡，形成一個穩(wěn)定邊坡。

增強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增強抵抗水流沖蝕能力。

4.4 成本優(yōu)勢

生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)鋼絲可在工廠規(guī)模化生產(chǎn)，成本較低；成捆或成卷包裝，運輸工作量小、費用低；填料可就地取用；現(xiàn)場不需水、電，對場地、設(shè)備的要求較低。場地狹小或工程量較小時，不需要機械設(shè)備，人工施工即可?？煞奖氵M行水下施工；對氣候無特殊要求，酷暑寒冬及雨天對施工質(zhì)量無影響。

5 結(jié)論

綜上所述，鑒于生態(tài)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)勢，近年來在水利工程堤坡防護、鐵路路基防護、公路邊坡防護、海岸保護、市政工程等領(lǐng)域的應(yīng)用前景越來越廣泛。

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1004-7042（2016）05-0045-02

衛(wèi)學(xué)文（1975-），男，太原理工大學(xué)水利工程專業(yè)碩士研究生在讀。

2016-03-08；

2016-04-10