北方寒區(qū)機織模袋混凝土護坡技術在紅旗水庫中的應用

戴 羽

(盤山縣現(xiàn)代農業(yè)生產基地發(fā)展服務中心，遼寧 盤錦 124000)

0 引 言

膜袋混凝土是指用一定形狀和尺寸的高強度機織土工膜袋，充填混凝土或砂漿用于護底、護坡防沖工程，較一般拋石、打樁、砌體工程具有安全可靠、高效、施工簡便等優(yōu)點，尤其是水下施工表現(xiàn)出更加明顯的優(yōu)勢，但實際使用過程中必須考慮復雜的環(huán)境條件[1]。因此，探討北方寒區(qū)水庫工程膜袋混凝土護坡技術，對膜袋混凝土的推廣應用極具現(xiàn)實意義。

1 工程概況

紅旗水庫壩址建于盤山縣繞陽河溝海鐵路橋上游1km處，主要組成部分有出入庫泵站、泄洪閘、擋水土壩和左右岸庫堤。該工程是盤山縣庫容量最大的蓄水工程，多年平均調蓄水量3500萬m3，也是解決胡家、甜水1萬hm2水田泡田、插秧、補水的命脈工程，對近年發(fā)展的水產養(yǎng)殖業(yè)、養(yǎng)魚、養(yǎng)蟹等具有顯著的作用，對保證區(qū)域安全起著重要作用。

左、右岸庫堤為均質土堤，左岸庫堤長7810m，堤頂高程9.52-9.86m，右岸庫堤長6333m，堤頂高程9.12-9.46m，堤頂寬6.0m，迎水坡比1∶2.5，背水坡比1∶3.5。兩岸庫堤是繞陽河大堤的一部分，在2000年繞陽河整治工程中，兩岸庫堤堤頂高程已達到50a洪水標準，經復核滿足紅旗水庫的設計洪水和校核洪水要求，但水庫回水范圍內大堤沒有防護措施，不滿足規(guī)范要求，存在安全隱患，亟需增設防風浪護砌。

擋水土壩修建于1958年，該壩體已無原始資料可查。護坡、齒墻修建于1992年，護坡砌石厚0.4m，下鋪設0.2m碎石墊層及0.1m粗砂，齒墻為漿砌石結構。經過多年運行，特別是95年洪水后，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)多處產生塌陷現(xiàn)象，塌陷坑為1m×2m、2m×5m不等，損壞面積達40%。漿砌石齒墻有50%左右發(fā)生傾斜現(xiàn)象，勾縫砂漿大部分脫落，45%左右地段有塊石脫落現(xiàn)象，亟需實施護坡整治。

紅旗水庫具有河道和平原水庫的雙重特征，堤壩以土壩為主，受風浪、凍脹、冰壓力等因素作用護坡發(fā)生嚴重破壞。

2 工程設計與施工

2.1 機織膜袋的類型

一般地，可將用于河道及水庫護坡中的機織模袋劃分成灌注砂漿和灌注混凝土2大類型[2]，前者又可細分成有、無過濾點型。因此，應綜合考慮邊坡高度與坡度、坡段土質、波浪作用、地下水流動等因素科學選擇模袋類型，不同模袋用見表1。

表1 機制膜袋類型與用途

紅旗水庫的運行模式如下：春季蓄水供周邊水田灌溉，夏秋季保持正常水位維持各類水生植物生長，冬季不蓄水以防發(fā)生凍脹破裂，所以可以選用CX混凝土型模袋。

2.2 護坡結構設計

1)馬道平臺與護坡基礎。護坡基礎是紅旗水庫護坡整治的關鍵環(huán)節(jié)，對于水下寬度不足的基礎部分，用砂巖塊石沿岸邊拋填至設計基礎寬度，該過程控制拋石邊坡1:2，完成拋填后及時檢測水下斷面。塊石拋填施工達到設計水面高程時，振動碾鋪壓內側軟基部分，控制碾鋪厚度30cm，然后將粒徑5-60mm的卵石鋪填至塊石孔隙內，并振動碾壓內外側6-8遍。根據反濾層要求在其上部填筑一層沙砂卵石，以此作為馬道平臺和護坡基礎[3]。

2)坡面清理與填筑碾壓。首先，對不規(guī)則滑坡、沖刷段進行整理，將表層腐殖土清除干凈，然后控制邊緣超填寬度≥50cm、厚度≤60cm分層碾壓填筑砂卵石，結合已建防洪堤和計算結果確定邊坡1∶1.5?？紤]實際地形條件，坡頂至齒墻底部高度為7.2m，砂卵石填筑質量符合干容重≥2.27t/m3、壓實系數(shù)≥0.95、內摩擦角≥32°的要求。預留約15cm厚的保護層，即每填筑2.5m就利用挖掘機粗削邊坡。

3)齒墻結構。齒墻選用100cm×100cm的C20現(xiàn)澆混凝土結構，考慮不均勻沉降以及外界不利因素作用，每隔10m預留一變形縫，縫隙用厚1.5cm的瀝青木板鑲嵌。采用細砂石人工填筑齒墻澆筑立模所留下的空槽，并夯擊密實。

4)削坡壓實。完成齒墻和墻后部分澆筑后，從上到下開始人工對角拉線削坡，一般按先粗削、再精削的工序施工，精削過程中預留壓實厚度約5cm。削坡完工后灑水浸潤坡面，濕度適宜后依次上下平行拉動3kW平板式振動器，振搗遍數(shù)≥4遍以保證振搗密實。

5)墊層與面板澆筑。為了保證面板澆筑的順利施工，先將C10細石混凝土鋪澆于壓實的坡面上，控制鋪澆厚度5cm制成墊層。細石混凝土強度達到70%時滑膜澆筑20cm厚的C20混凝土面板，面板縱縫設置于中部偏上位置處，每隔10m設置一道橫縫，縫內嵌入瀝青木板，施工縫為齒墻、面板和滑膜每澆筑5m的接觸面。

6)坡頂結構。場地規(guī)劃道路建于護坡頂內側，為了保持外觀整潔及更好地保護混凝土面板，考慮場地建設要求將坡頂設計成五邊形頂板梁，按構造合理配置鋼筋。變形縫沿縱向每隔10m設置，用瀝青木板鑲嵌縫隙，保持齒墻縫、面板與木板貫通。

2.3 機織膜袋充填厚度

為滿足風浪及冰推力所產生的浮動和護面局部孔洞帶來的彎曲應力以使得護坡模袋沿坡面滑動等要求，模袋應具有一定的厚度。采用以下公式計算抗彎曲應力所需厚度t，即：

(1)

式中：a為正方形模袋低架空邊長，a=0.20m；R為砂漿或混凝土的抗壓強度；R=0.75kN/cm2；γc為砂漿或混凝土的容重；γc=22.5kN/cm3；K為安全系數(shù)，取3.0。代入以上參數(shù)值，計算得到所需厚度t=1.9cm。

采用以下公式計算抵抗浮動所需厚度t，即：

(2)

式中：C為面板系數(shù)，大混凝土護面和有過濾點的護面取1、1.5；H為波浪高度0.65m；L為波浪長度35m；α為坡角α=21.8°；γc為混凝土容重，22.5kN/m3；γw為水容重，9.8KN/m3；B為垂直于水邊線向的護面長度，B=6.2m。代入以上參數(shù)值，計算得到所需厚度t=11.9cm。

由于紅旗水庫冬季不蓄水，運行過程中護坡前無水，所以可不考慮冰推力對膜袋厚度的要求問題[4]。充分考慮險工段實際情況、機織模袋實際應用經驗和以上計算的模袋厚度，為滿足設計要求設計模袋厚度為12cm。

2.4 護坡抗滑穩(wěn)定計算

為保證護坡工程的長效安全運行，有必要精準計算分析護坡抗滑穩(wěn)定性，這主要取決于模袋自重引起的滑動力以及邊坡與模袋間的摩擦力，則抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為[5]：

(3)

式中：L2、L3為模袋斜面和底部長度，L3=0.8，L2=6.2m；F為邊坡粉土與土工模袋間的摩擦系數(shù)，取F=0.6。代入以上參數(shù)值，計算K=1.7>1.5，滿足抗滑穩(wěn)定要求，如圖1。

圖1 模袋護坡滑動穩(wěn)定分析

2.5 膜袋混凝土施工方法

膜袋混凝土施工步驟如下：①坡面處理，先夯實堤壩再整坡，然后對漿砌石護腳接觸的齒槽和護坡頂部的齒槽進行開挖。②模袋鋪設，全面檢查模袋布的外觀質量及其尺寸形狀等是否設計要求，抽樣送專業(yè)機構檢測，保證產品質量合格；在錨固布的同時保持布面松緊適度、平整，以便于混凝土的充灌[6-8]；膜袋布鋪設之前要先量好尺寸位置，保持錨固溝與頂部的密切連接；保持相鄰布塊接縫順直，預留富余量以充滿收縮，最大程度的減少峰寬。③混凝土的充灌，這是整個施工過程中最為復雜而關鍵的環(huán)節(jié)，充灌效果直接決定著整個護坡的施工質量，綜合考慮質量與安全要求、施工部位、操作方法、勞動組織等因素，認真檢驗與安排充灌前的工作，充灌施工流程為：水→砂漿→混凝土→砂漿→水。施工中要預留部分充灌口做為取樣部位[9-13]，取樣檢測后充灌孔要縫結平整，保持其它充灌口縫接平整。④灑水養(yǎng)護，充灌施工完成12h后灑水養(yǎng)護14d。

3 結 論

膜袋混凝土抗沖刷、放浪護坡，有利于減少施工期干擾和后期日常管理，加快施工進度，降低護坡后期維護工程量和工程投資成本。此外，膜袋混凝土的整體性較好，具有防護效果好、抗沖能力強、流線型結構明顯等特點，對提高護坡安全度和發(fā)揮抗浪減壓作用具有重要作用，近幾年運行表明該工程安全可靠。