土工材料的堤岸护坡工程应用

堤岸护坡工程

近20年来，随着土工合成材料的应用和发展，堤岸护坡结构也发生了重大改进，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

这种滤层护坡的结构一般包括三层，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：

(4-1)

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)。

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：

(4-2)

(4-3)

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。

表4-1

抛石护面的KD和C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。

图4-1 混凝土板下不同织物垫层时的水流形态

l一混凝土板；2—砂砾垫层；3一薄型土工织物；

4一厚土工织物；5—基土

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

(4-7)

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。

图4-2 土工织物缝接方式

(a)平缝；(b)折叠缝

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结构。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。