适用于寒区平原水库护坡的结构形式应具备坚固耐久、能抵抗冻胀、冰推、冰层弯矩、风浪淘刷等因素对护坡的破坏作用。
堤坝护坡材料应用足够的厚度和重量,应满足式 (8.2)的要求,砌筑整体性要好,表面要平整,护坡封顶要严密,固脚齿墙要牢,死水位时齿墙要埋入冰层厚度以下稳定的土坡中。土石坝护坡结构除按风浪计算外,还应考虑冰压力大小和类似工程经验。
适用于寒区平原水库土坝护坡的结构形式有:埋石混凝土护坡、钢筋混凝土护坡、混凝土护坡、模袋混凝土护坡、预制混凝土链锁板护坡。
在设计与施工时要注意面层平面分块尺寸应大些;分块界缝垂直于坡面,有利于力的传递,表面尽量做到平滑,有利于消减冰推作用。垫层厚度满足冻胀要求的前提下,上述结构形式有利于护坡发挥抗冰冻作用的性能。
8.2.2.1 埋石混凝土护坡
在总结过去采用过的多种护坡结构形式的失败经验教训的基础上,20世纪80年代初萌发一种寒区平原水库护坡的全新结构形式,经黑龙江省水利科学研究院的改进提高,定名为埋石混凝土护坡结构。
埋石混凝土护坡是在确保合理垫层厚度和满足混凝土技术要求的前提下,施工时往护坡分块混凝土中,最大限度埋置大块石,使埋石混凝土护坡致密、坚实,这类护坡经多年运行,护坡表面完好、没有发生变位、破坏。
1.埋石混凝土护坡构造
埋石混凝土护坡面层采用埋石混凝土结构,厚度为30～35cm,这一尺寸通常由块石粒径大小所决定。面层的平面尺寸一般为1.0m×1.0m,也有采用2.0m×3.0m 的。缝间用油毡纸隔开。垫层为碎(卵)石、砾、砂层。埋石混凝土施工前,先平整坡面。设计要求设无纺布的,预先铺好。埋石混凝土施工时支立简易分隔模板,以保证尺寸规格化。铺好底面块石,块间留与骨料尺寸相当的缝,以利于块石胶结。浇注混凝土时用振捣器捣实,块石间低陷处,于混凝土层上补充较小块石,表面留2cm 厚度。利用混凝土捣的返浆抹面,表面平整度控制在±1.0cm 以内,埋石混凝土埋石率最高可达40% (图8.5)。
图8.5 埋石混凝土护坡构造
埋石混凝土强度标号,在冰层变动高程以上可控制在C15 左右。冰层高程变化范围内宜提高混凝土强度标号至C30,混凝土抗冻标号F300。混凝土配合比由试验确定。垫层同时满足反滤要求和冻胀要求按常规土坝设计规范。
2.埋石混凝土护坡构造特点
(1)面层整体性好,混凝土振捣后,使块石与混凝土形成致密的整体,可以大大减少面层内部含水量,避免内部冰胀,确保面层的整体稳定性。
(2)埋石混凝土块大、重量大,抗风浪作用效果好。抗风浪计算通常采用山京公式
式中 K——护坡结构系数,当所护坡为开缝时,K=0.075,当水上开缝水下闭缝时K=0.1;
L——沿坡向板长;
γC——混凝土容重;
γB——水容重;
m——坡比;
h、λ——浪高、波长。
通过计算可求出混凝土板厚t与板长L 的关系。以黑龙江省泥河水库资料可计算出该水库波浪状况下的混凝土板厚度t与板长L 的关系列于表8.1。
表8.1 板长与板厚对应关系
从表8.1中可见,当埋石混凝土层厚度达30～35cm 时,沿坡向混凝土分块仅需0.5m 即可满足防风浪作用,而目前多为1.0m×1.0m,可以看出,抗风浪作用方面有很大的安全系数。
(3)抗冰推的稳定性好。由于埋石混凝土块大、重量大,施工中采用垂直坡面的接缝,形成较好的传力体系。护坡混凝土板下面垫层在库水位高程以下饱和水分,冬季与护坡混凝土板冻结在一起,形成埋石混凝土与垫层在冻结轮廓内的整体抵抗力。
(4)抵抗因水位变化、冰盖层对护坡产生弯矩作用强。埋石混凝土和其下面垫层在冻结轮廓线内的整体冻结并形成抵抗弯矩,上部埋石混凝土的坡向分力和沿接缝产生摩擦力及弯矩,可共同抵抗因水位变化产生的冰盖层作用弯矩。
(5)护坡使用寿命长效益。埋石混凝土护坡的造价高于过去广泛采用的干砌石护坡,但工程使用寿命长、可以避免年年的岁修,减少了5年的小修、10年的大修,在工程使用期内具有明显的经济效益。
8.2.2.2 钢筋混凝土护坡
1.钢筋混凝土护坡的构造(图8.6)
构造上分为面层与垫层。
面层为钢筋混凝土板。平面尺寸:2m×2m～4m×4m,尺寸不宜过大,以防止发生沉陷裂缝。厚度为10～25cm,一般厚度为15cm。垫层应按反滤与抗冻层要求进行设计。
反滤层是垫层组成部分,按土坝设计规范的要求进行设计计算。也可以从符合反滤要求设计反滤土工布。垫层含反滤层的总厚度应符合防冻胀要求。
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式中 t1——钢筋混凝土的厚度;
t2——垫层厚度;
H′d——工程地点的工程设计冻深(考虑建材材料影响的冻深)。
垫层的材质可以是碎(卵)石、砂,也可以是水泥土层或土壤固化剂的固化土层,工程地点建材缺乏时,t2可按后面护坡设计理论计算。
图8.6 钢筋混凝土护坡构造图
图8.7 抵抗冰层弯矩各作用力示意图
2.优点
这种结构形式的护坡工程结构层厚度满足抵抗冻胀变形的要求,同时具有光滑的结构表面、坡面与垂直的结构分缝,有利于削减和抵抗冰推力,有利于削减冰层弯矩作用(图8.7)。
8.2.2.3 混凝土护坡
1.混凝土护坡的构造
构造上分面层和垫层(图8.8)。
面层为混凝土板,平面尺寸:0.5m×0.5m～0.7m×0.7m。因无钢筋,平面尺寸不宜过大,厚度0.2～0.25m,由于块小,多为预制混凝土块,在坡面砌筑。
混凝土等级宜为C30、F300。垫层具有反滤与抗冻胀功能,按反滤与抗冻胀要求进行设计。
图8.8 混凝土护坡
反滤层是垫层组成部分,按参考规范的要求进行设计计算,也可以从符合反滤要求设计反滤土工布。
垫层含反滤层的总厚度应符合防冻胀式(8.5)要求。
垫层的材质可以是碎 (卵)石、砂。也可以是水泥土层或采用土壤固化剂的固化土层,工程地点建材缺乏时,t2可按后面护坡设计理论计算。
2.优点
混凝土护坡的优点与功能同于钢筋混凝土护坡。
8.2.2.4 机织模袋混凝土
机织模袋是国外20世纪70代中后期发展起来的一种新型护面施工技术,利用混凝土输送泵将砂浆或1～3cm 碎石(砾石)混凝土送到机织成型的模袋内,通过泵压和模袋布的张力挤压,使砂浆或混凝土的水灰比大幅度降低,从而使模袋内的砂浆或混凝土强度较同等条件模板浇筑的砂浆或混凝土大大提高,同时,具有适应坡面变形,水下充填等优点。模袋布是软结构。我国于20世纪80年代初由交通部门从日本引进,近几年发展很快,航运、海堤、渠道、江河护岸等多种防护工程都进行了应用。机织模袋布已经国产化,而且价格已较前些年大幅度降低,充灌工艺日趋成熟,泵送混凝土的强度和质量已得到大幅度提高,国产混凝土输送泵已在浙江、天津、黑龙江、辽宁等省工程中得到广泛应用。目前国内已完成机织模袋护坡工程100多万m2,取得了良好的效果,充分验证了机织模袋混凝土性能的可靠。模袋混凝土平均厚度可为150～200mm,底部宜为平面。模袋内应充填小石混凝土,混凝土等级宜为C25和F300。底部应平整、设置土工织物作反滤层。对于冰推力较大时,模袋中混凝土在顺坡方向应加设穿插钢筋(图8.9)。
图8.9 大洼三角洲平原水库机织模袋混凝土
8.2.2.5 链锁混凝土板护坡工程
链锁混凝土板护坡是在预制场预制的新型混凝土构件,在护坡工程现场将单个板块链接而成的新型护坡结构。最早由荷兰应用到水利工程护坡工程中,之后推广应用到世界各地。我国水利工程技术人员在应用混凝土进行坡面防护工程建设中,针对工程中的一些难题,成功研制出适合北方寒冷地区应用的链锁混凝土板护坡技术,并在辽宁省浑河整治工程的辽阳李家房岗和灯塔黑沟台护岸中进行了链锁混凝土护坡工程的应用。应用结果证明,链锁混凝土护坡具有强度高、质量易于保证、整体性好,具有一定的变形能力,能够适应因不均匀沉降或冻胀等产生的坡面变形、施工速度快、基本不用维护、大大降低了年维护费用,延长了工程的使用寿命,外表美观等优点,工程造价较低。
其主要技术特点有以下几个方面。
(1)质量好。链锁混凝土板可在预制厂预制,质量易于保证。强度高,抗侵蚀、抗冻融能力强,耐久性好。
(2)有变形能力。因其由单个混凝土块体链接而成为一整体工程,各单个块体之间有一定的变形能力,因此,该种混凝土又被称为易弯曲混凝土。适应坡面的变形能力强,因此抗冻胀能力强。
(3)整体性好。由于单个混凝土块体链接而成为一整体混凝土工程,其整体性非常好,有较强的抵抗冰推、冲刷、风浪作用的能力。
(4)施工速度快。由工厂化预制的单个混凝土块体,在进行坡面防护工程施工时,施工工艺非常简单,坡面基本平整后即可进行施工。施工速度非常快。可达到每人每日30～50m2。
(5)经济性好。链锁混凝土板护坡同机织模袋混凝土护坡形式造价相当。建成工程易于管理。链锁混凝土板护坡工程建成之后,由于各方面性能优越,自然条件及人为条件几乎不能将其损坏,因此其维修量小,运行管理费用低。
(6)主要技术指标。抗压强度:35～40MPa;抗冻标号:F100～F200;抗渗标号:大于W8;抗折强度:2.5MPa。
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