北方寒區(qū)水利工程植筋式膜袋混凝土應(yīng)用研究

趙寶桐

(鐵嶺市清河區(qū)防汛抗旱指揮部辦公室，遼寧 鐵嶺 112003)

0 引 言

模袋混凝土是指將混凝土或砂漿利用泵送的方式充灌至特定形狀和尺寸的高強度機(jī)織土工模袋，待凝固硬化后可形成連續(xù)護(hù)底、護(hù)坡的防沖結(jié)構(gòu)，較一般砌體、拋石、打樁工程具有施工簡便、安全可靠、整體性好、使用年限長、機(jī)械化程度高等特點，特別是水下作業(yè)表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，但具體應(yīng)用時必須充分考慮復(fù)雜的環(huán)境條件[1-3]。因此，研究適用于北方寒區(qū)的模袋混凝土護(hù)坡技術(shù)，對于加快施工進(jìn)度、減少后期維護(hù)工程量和工程成本等具有重要意義[4]。

一般地，模袋混凝土由下部墊層、填充層及機(jī)織模袋土所組成，其中下部墊層主要發(fā)揮反濾作用，無紡布參數(shù)為500g/m2；填充混凝土厚度一般為20cm，水泥為普通硅酸鹽P·O42.5級，水灰比不超過0.60，細(xì)骨料選用中砂，碎石抗壓強度P≥50MPa，最大粒徑≤20mm；控制機(jī)織模袋布質(zhì)量600g/m2，模袋步的技術(shù)參數(shù)，見表1。實際工程中，模袋混凝土抗凍等級F200，標(biāo)號≥C25。

表1 模袋步的技術(shù)參數(shù)

1 植筋式模袋混凝土分析

1.1 適用性分析

由于具有諸多優(yōu)點，模袋混凝土被廣泛應(yīng)用于堤防護(hù)坡、堤壩加固等水利工程領(lǐng)域，但應(yīng)用于北方寒區(qū)時表現(xiàn)出許多不足之處[5-6]。冬季北方寒區(qū)極其寒冷，隨著緯度的升高極端最低氣溫甚至可以達(dá)到零下幾十度，庫面、湖區(qū)以及河流普遍出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，混凝土模袋護(hù)坡受冰層產(chǎn)生的冰推力作用發(fā)生明顯的破壞。冰推力有靜冰壓力和動冰壓力兩種形式，其中靜冰壓力是指冰體受熱升溫體積膨脹而產(chǎn)生施加于坡面上的作用力，動冰壓力是指在風(fēng)力和水力作用下初春冰層解凍或冰裂成塊運動撞擊模袋護(hù)坡而形成的作用力[7]。因此，模袋混凝土護(hù)坡冬季結(jié)冰期受坡向冰推力和垂向冰壓力雙重作用，模袋混凝土結(jié)構(gòu)受兩種力的共同作用極易出現(xiàn)橫向斷裂，模袋混凝土護(hù)坡，見圖1。

圖1 模袋混凝土護(hù)坡

模袋混凝土護(hù)坡斷裂后會嚴(yán)重破壞結(jié)構(gòu)的整體性，并且模袋底部墊層受水流沿裂縫侵入淘刷作用，甚至淘刷底坡土體引起護(hù)坡錯位、塌陷，模袋混凝土逐漸失去防護(hù)功能[8]。

1.2 優(yōu)化改造

根據(jù)北方寒區(qū)實際情況和模袋混凝土特點，為合理利用水下適應(yīng)性好、施工簡便的優(yōu)勢，從根本上解決寒區(qū)模袋應(yīng)用受限問題，進(jìn)一步提高護(hù)坡結(jié)構(gòu)的整體強度，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗提出內(nèi)設(shè)鋼筋改善防護(hù)能力的方法[9]。該結(jié)構(gòu)型式可以有效抵抗冰推力作用，明顯提高混凝土模袋結(jié)構(gòu)的抗剪及抗拉性能；此外，模袋內(nèi)增加鋼筋有利于延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，通過抵抗坡面不均勻沉降帶來的彎曲應(yīng)力確保模袋護(hù)坡結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。

固結(jié)硬化后的模袋混凝土結(jié)構(gòu)與素混凝土板式護(hù)坡相類似，薄厚間隔呈波浪狀的布置形式，受外力作用極易發(fā)生斷裂[10]。為增加模袋混凝土的抗剪性能和整體強度，澆筑前將一根順坡向鋼筋增設(shè)于模袋混凝土內(nèi)部，以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)替代素混凝土模袋，從而保證混凝土模袋抗剪、抗拉性能能夠得到明顯的提升，植筋式模袋混凝土結(jié)構(gòu)型式，見圖2。

圖2 植筋式模袋混凝土結(jié)構(gòu)型式

模袋混凝土充灌成型后，單攏模袋橫截面結(jié)構(gòu)形態(tài)整體呈上部圓弧、底部偏平狀[11-12]。因此，如何有效固定縱筋是實現(xiàn)鋼筋混凝土化亟待解決的首要問題，為保證澆筑過程中植入的縱筋不脫落至模袋底部需要設(shè)置多個環(huán)向支架，將徑向支桿設(shè)置于支架內(nèi)以保證縱向鋼筋的穩(wěn)定支撐。根據(jù)護(hù)坡長度合理確定環(huán)向支架的數(shù)量，相鄰支架間距一般為2m。在混凝土充灌至模袋之前，從上部進(jìn)料口把綁扎支架的縱向鋼筋插入模袋內(nèi)部，以此達(dá)到加筋模袋的目的[13]。實際工程中，一般以Φ12號鋼筋作為縱向鋼筋，縱筋間距以0.3m最佳，按照單攏間隔布設(shè)鋼筋，植筋式模袋混凝土剖面圖，見圖3。

(a)A-A剖面

(b)B-B剖面

2 工程應(yīng)用

雙臺子河閘位于盤錦市東郊，河口距離閘址57.3mm，建于感潮河段末端，屬于遼河下游的重要樞紐工程。雙臺子河閘的主要功能是調(diào)蓄水量，凈化水質(zhì)，防海潮倒灌，提升閘上水位，確保沿岸4.93萬hm2水田用水和近4.33萬hm2蘆葦?shù)墓喔扔盟约俺鞘胁糠止I(yè)、居民用水，工程建成運行后每年可供水量達(dá)8億m3，為盤錦市的開發(fā)建設(shè)發(fā)揮極其重要的作用。

在選擇兩側(cè)擋水橫堤坡面防護(hù)型式時，比選了植筋式混凝土模袋護(hù)坡、綠濱墊護(hù)坡以及混凝土板護(hù)坡，綜合考慮凍融破壞、耐久性和經(jīng)濟(jì)性等因素最終選用植筋式模袋混凝土護(hù)坡，擋水橫堤坡面防護(hù)圖，見圖4。膜袋混凝土抗沖刷、放浪護(hù)坡，有利于減少施工期干擾和后期日常管理，加快施工進(jìn)度，降低護(hù)坡后期維護(hù)工程量和工程投資成本。膜袋混凝土的整體性較好，具有防護(hù)效果好、抗沖能力強、流線型結(jié)構(gòu)明顯等特點，對提高護(hù)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。

圖4 擋水橫堤坡面防護(hù)圖

以帶平臺的復(fù)合斜坡堤作為迎水坡堤防斷面形式，堤頂與堤腳高程分別為22.80m、17.30m，堤頂寬8.5m，平臺寬2.5m，平臺高程20.80m，平臺上、下坡比2.5。植筋式模袋混凝土護(hù)坡位于平臺高程以下坡面，厚度20cm，將Φ12螺紋鋼筋和多個環(huán)形支架插入模袋內(nèi)部，相鄰鋼筋間距30cm，采用20cm×30cm鋼筋混凝土對模袋混凝土頂部封頂，用六角形混凝土框格對平臺以上斜坡坡面進(jìn)行護(hù)坡，厚度為20cm，內(nèi)部空隙植草。采用粗料石(厚30cm)和沙礫料墊層(厚20cm)鋪平臺處路面，框格混凝土和模袋護(hù)坡標(biāo)準(zhǔn)斷面水平投影長為5.25m、8.72m。模袋混凝土的抗凍等級F200、抗?jié)B等級W6、強度等級C30，采用瀝青模板每隔15m對模袋混凝土分縫，為防止堤身填料析出分縫處設(shè)置寬1m的400g/m2土工布。

建成投入運行后，雙臺子河閘的植筋式模袋混凝土護(hù)坡經(jīng)歷了多個冰凍期的考驗，護(hù)坡結(jié)構(gòu)未發(fā)生錯位斷裂現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)整體完整，植筋式模袋混凝土具有較好的防護(hù)作用，從根本上解決了北方寒區(qū)河閘坡面防護(hù)易破壞、易損壞的問題，工程實用效果和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

雖然，在北方寒區(qū)堤壩坡面防護(hù)中植筋式模袋混凝土具有較好的實用效果，但仍未解決傳統(tǒng)模袋護(hù)坡硬化、膜白化的問題[14]。所以，在工程設(shè)計時必須考慮生態(tài)性、耐久性等要求，針對水位變動區(qū)以上和以下部位優(yōu)先選用生態(tài)防護(hù)措施、植筋式模袋混凝土防護(hù)[15-17]。此外，長期使用時機(jī)織模袋易風(fēng)化，在一定程度上污染水生態(tài)環(huán)境，對此應(yīng)加強研究新型生態(tài)材料，將現(xiàn)有機(jī)織模袋利用可降解的材料替代，從而滿足生態(tài)要求。

3 結(jié) 論

文章將縱向加強筋植入模袋混凝土，以此延長模袋混凝土使用壽命以及增強其受剪抗彎性能，并以雙臺子河閘工程為例探討了其技術(shù)參數(shù)和實用效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，植筋式模袋混凝土具有較好的防護(hù)作用，從根本上解決了北方寒區(qū)河閘坡面防護(hù)易破壞、易損壞的問題，工程實用效果和經(jīng)濟(jì)效益顯著。然而，該護(hù)坡材料仍未解決傳統(tǒng)模袋護(hù)坡硬化、膜白化的問題，工程設(shè)計時必須考慮生態(tài)性、耐久性等要求合理選用材料。