堤防工程土工合成材料应用技术(20)

发表日期:2004-12-06 浏览人数: 作者:包承纲 主编 来源:水利工程网  评论
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第三节 江河岸坡与丁坝护脚工程

  目前国内在江河岸坡和丁坝护底或护脚()中所用的土工合成材料防护结构形式和方法较多,概括起来有如下几种:

  (1) 土工织物软体排。

  (2) 土工织物土枕()

  (3) 土工合成材料石笼。

  在施工方式上有旱地施工、水上施工、水下施工和冰上施工等。不同的施工方式有各自不同的施工方法和要求。

  一、土工织物软体排设计

  () 软体排设计的内容和基本资料

  (1) 根据SL/T22598的规定,软体排设计内容包括:结构形式、排幅、结构稳定性校核、护底结构及锚固方式等。

  (2) 设计所需的基本资料有河势及其变化,深泓线的位置;防护区域的地形,特别是水下地形图;防护区域的纵、横断面图;岸坡及河床土的物理力学性质;河流流速、流量、水深、水位等。

  (3) 软体排应进行下列验算:抗浮稳定;排体边缘抗冲刷稳定;抗滑稳定;软体排需要的压载量等。

  () 软件排的结构形式

  土工织物软体排是以土工织物为基本材料作成大片排体形式的防冲护底结构。所用的土工织物大多是织造土工织物。目前所用的软体排主要可分为如下两类:

  1.压载软体排

  这种软体排是用土工织物缝接成一定尺寸的排布,在排布上加一定的压重形成的一种防冲结构。根据被保护基土的颗粒组成、土工织物的孔径大小、抗拉强度以及受力的大小,徘布可以采用单层、双层、单层加网绳或双层加网绳。压载材料和形式有块石、土枕、土袋、铁丝石笼、联锁混凝土板块、土工网格石笼、石笼网格充填土袋混合压载等。这种软体排是目前国内应用最广的土工合成材料护底结构形式。

  根据压载方式的不同,还可将压载大致分为散抛压载软体排和整体压载软体排。前者是将排布沉入水中,然后抛填块石或混凝土压载;后者是压载与排布形成一体,整体沉放。由于排布轻,在水流中沉放和准确就位有一定困难,特别是水深流急的情况下,根据现有施工经验,散抛压载软体排宜在静水或流速较缓,水深不很大,同时水下边坡缓于1:2.5的条件下应用。

  2.充砂软体排

  充砂软体排是以织造土工织物为基本材料制成袋体充填砂土形成的大片防冲排体。目前国内使用的充砂软体排的基本形式有两种:一种是用两层织造土工织物按一定的间距缝合形成相互成排的模袋,通过每个模袋预留灌砂口灌人砂土;另一种是织造土工织物缝制成长条形封底的管袋,再将管袋并排与大片织造土工织物连结成一体,然后从袋口灌入砂土。这种充砂软体排模袋制作简便,砂土充填可实现机械化,可利用排体的自重沉放,无需另加压载,而且充灌材料可充分利用河滩地的砂土。但在通航河道,特别是码头附近有船只抛锚停靠,以及有流冰撞击和其他尖刺物作用等地段不应采用。

  国外如荷兰在东席尔德闸墩保护中曾用4层织造土工织物充砂石反滤料做成软体排。

  () 土工织物与网绳的选择

  制作软体排的排布一般采用聚丙烯织造土工织物。排布应具有较高的强度、耐久性、一定的变形能力和满足透水保土的孔径。

  软体排的土工织物排布的主要功能是保土和排水,即在铺设软体排后被保护的河床基土不再被冲蚀,而土中的水分又能排出,因此要有适宜的孔径。由于在软体排护底的条件下,水流与土工织物平行,而且在排布上又有一定厚度的压载,从而水流对河床基土的冲刷作用将大大减弱。因此,对排布孔径的要求不像一般反滤用途中所要求的那样严格。根据辽河护岸中所做的现场试验,护底软体排土工织物的孔径可考虑如下取值:

O90≤5d90(砂性土)

(4-13)

090≤10d90(粘性土)

(4-14)

土工织物的渗透系数一般大于1×10-2cm/s,可以满足透水性要求。

  排布的强度要求主要取决于施工时所受的拉力。软体排的形式不同和施工方法不同,排布承受的拉力亦不同。例如,在旱地施工和压载具有整体性(如铁丝石笼、联锁板块压载)等条件下,排布受力较小。对于用双片编织物制成的充砂软体排,采取船上放排时,所受的拉力较大,并取决于悬吊高度和充砂排体的质量。此时,织造土工织物的强度可按下式计算:

T≥Fs(h1G1+h2G2)/ι

(4-15)

  式中:T为织造土工织物的抗拉强度,kN/mhl为船舷至水面的距离,m;h2为沉放点的水深,m;Gl为单个砂袋水上部分单位长度的重力,kN/m;G2为单个砂袋水中部分单位长度的重力,kN/m;Fs为安全系数,一般应大于1.2;ι为排体的计算宽度,m

  由于施工中除自重产生的拉力外,还可能有水流和不均匀受力等作用,在沉排正常运行中也可能因局部冲刷变形产生局部集中拉力,因此,排布材料应选择强度较高和抗老化的产品,这也有利于延长工程的使用寿命。为适应施工和运行过程中排体的变形,排布材料伸长率宜大于15%。

  为加强排布承受拉力的能力,压载软体排的排布一般在一侧或两侧设置加筋网绳。筋绳的间距在顺水流方向一般可取80120cm,垂直水流方向密些,一般取40~60cm。其他形式的软体排根据受力情况确定是否加设筋绳。由于筋绳的伸长率比排布伸长率小,故设计时应考虑筋绳承担的荷载较大,并以此计算网绳的直径和间距。筋绳的材料目前多用聚乙烯绳,直径多用Φ6mm。排布周边的边绳一般较粗,多采用Φ8mm、Φ12mm或Φ14mm不等。网绳与排布必须牢固地连结在一起,纵横向筋绳交叉点必须拧紧,以免窜动错位,还可采取在排布上缝套筒将绳穿入其中的方法定位。排布结构如图4-14和图4-15所示。

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4-14 带套筒排体示意图

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4-15  排体结构示意图

  () 排体宽度和长度的确定

  排宽是指沿防护线方向的宽度。无论是哪种软体排,其总宽度都等于防护范围。由于河岸险工段的长度往往很大,因此,沉排常常分成多块,需要确定单块排体的适宜宽度。

  单块排体的宽度大小与水流条件、施工方法、排体质量、设备等有关。排体宽度大,则排间搭接少,可以省料和加快施工速度,但施工较复杂,所需施工设备亦较多,反之则搭接多,费料,沉排整体性较差,施工时间亦长。因此,单块排体宽度应根据具体条件确定。冰上和滩地施工时,排宽可以大至数百米;在动水中施工的单块排宽则小些,一般在1050m之间;静水中施工时排宽则可大些。各块排体之间搭接宽度的大小与水流条件、水深、沉排就位的准确度等因素有关,一般应不小于0.5m,在水深流条件下宜取l2m。设计中还须考虑排体沉放时产生的收缩,种收缩量的大小与排型、水下地形、流速、水深、波浪、施工位和控制因素有关,例如,江都西闸抛载软体沉排实测收缩率为0.09~0.180;辽河护岸工程中得出静水条件下为0.015~0.024,动水条件下为0.0250.040。排体间的搭接应顺水流方向,上游徘的下游端压在下游排的上游端上。排长是指自岸边排首至伸人河中排尾的长度。徘体的长度由枯水位(或施工水位)以下伸入河中的长度和枯水位(或施工水位)以上与护坡连接的长度(包括排首锚固长度)两部分组成。水下部分的长度按以下两种情况计算:

  (1) 主流靠近岸边时,按深泓线以上的坡面长度计算。

  (2) 河床不固定时,按冲刷坑底以上的坡面长度计算,同时应满足河床发生最大冲刷时,排体下沉后仍保持1:2.5的坡度。

  排长的计算式为:

LL1aL2L3

(4-16)

 

(4-17)

式中:L为排体长度,m;上L1为枯水位以上的连接长度和锚固长度之和,mL2为枯水位以下的边坡长度,mL3为考虑排前冲刷的安全长度,m;H为枯水位时深泓线或冲刷坑底处的水深,m;m为枯水位以下的边坡坡率;a为考虑水下地形变化等的条件系数,按排体的形式和现场的具体情况确定。

  当采取水上或水下展铺排布再补抛压载的施工方法时,水下排布的长宽尺寸除地形条件外,还应考虑沉放过程中水流的冲斜,褶皱等因素,适当增加排布的尺寸,以保证最终形成的排体满足设计要求。

  丁坝的排长包括自坝脚至伸入河中末端的长度和压入坝底(或坝脚至坝坡固定点)的长度。同时,应满足坝前发生最大冲刷的情况下坝体不受破坏。

  () 冲刷深度计算

  冲刷深度与水流和河床土质等条件有关,计算公式较多,应根据具体情况选择。一般可按以下方法进行。

  1.顺坝和平顺护岸

  当水流平行岸坡时,冲刷深度为:

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(4-18)

式中:hB为从水面算起的局部冲刷深度,mhp为冲刷处的水深,m(可取近似设计最大深度);Vd为主河槽平均流速,m/s;Vp为河床面的允许冲刷流速,m/s;n为与防护岸坡的平面形状有关的系数,一般取l/4。

  当水流斜冲岸坡时:

(4-19).gif (1367 bytes)

(4-19)

式中: △hB为从河底算起的局部冲刷深度,ma为水流流向与岸坡的夹角;d为坡角处土的计算粒径,cm(对非粘性土,取按重量大于15%的筛孔直径,对粘性土取表4-9的当量粒径值);Vj为水流偏斜时,水流的局部冲刷流速,m/s;g为重力加速度,m/s2

 

4-9

粘 性 土 的 当 量 粒径 d

 

土的密实度

孔隙比
e

干容重d
(t/m3)

当量粒径d(cm)

粘土、重粘壤土

轻粘壤土

黄土

不密实

0.91.2

1.2

1.0

0.5

0.5

中待密实

0.60.9

1.21.6

4.0

2.0

2.0

密实

0.30.6

1.62.0

8.0

8.0

3.0

很密实

0.20.3

2.01.5

10.0

10.0

6.0

  对于滩地河床,Vj可按下式计算:

Vl(Q1/B1H1)/(2β/1β)

(4-20)

式中: Bl为河滩宽度,从河槽边缘至坡脚的距离,mQl为通过河滩部分的设计流量,m3/s;Hl为河滩上的水深,m;β为水流流速分布不均匀系数,可按表4-10查得。

4-10

水 流 流 速 不 均 匀 系 数 β

 

a(°)

≤15

20

30

40

50

60

70

80

90

β

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

3.00

  对无滩地河床,Vj可按下式计算:

VjQ/ωωp

(4-21)

式中:Q为设计流量,m3/s;ω为原河道过水断面面积,m2;ωp为河道缩窄部分的断面面积,m2

  2.非淹没丁坝

  冲刷深度为:

△h27K1K2tg[(a/2)01·(V2/g)]-30d

(4-22)

(4-23)

K2e-0.2m

(4-24)

式中: V为了坝前水流的行近流速, m/sK1为与丁坝在水流法线方向的投影长度有关的系数;K2为与丁坝坡率m有关的系数;a为水流轴线与丁坝轴线的交角(当丁坝上挑大于90°时,应取tg(a/2)1)g为重力加速度,m/s2d为河床砂粒粒径,m。

  当河床砂粒较细时,可按下式计算:

(4-25)

式中:hB为从水面算起的局部冲刷深度,mV为行近流速,m/sh0为行近水流水深,m

  () 压载

  充砂式软体排以充入袋体中的砂土质量作为压重维持排体的稳定,无需外加压重。压载式土工织物软体沉排的压重目前有如下几种:

  (1) 块石和混凝土块散抛压载。这两种压载不应有尖角,以免刺坏排布。

  (2) 土袋、土枕。土袋用织造土工织物缝制而成,长度一般在1m左右,袋体大小可由压重需要和便于搬运确定。充满程度以0.80.85为宜。袋口扎紧。

  土枕亦称长管袋,是用织造土工织物制成的长条形管袋。土枕尺寸根据具体情况和用途确定,一般为直径0.61.0m,长度510m。为加强袋体,沿长度方向每隔0.5m左右可用尼龙绳捆一圈作为加强腰箍。腰箍应与枕布连结或穿入枕布预先制好的套筒内,以免窜动。有关土枕的制作在后面再作介绍。

  (3)石笼。石笼是用铁丝或土工合成材料(土工格栅、土工网等)编制成的圆形或矩形框格,其中充填石料而成。石笼与排布之间用尼龙绳连结。铁丝石笼的制作与以往无大异,不多赘述。唯铁丝石笼底层的石块必须严格保证平面朝下,严禁尖角朝下,否则在石笼与排布问应加设垫层。

  土工合成材料石笼所用的土工格栅、土工网材料根据所要求的网眼和强度选择,可制成圆形(如图4-16所示)或方形。后者多用土工格栅。

  (4)石笼土枕组合压载。石笼土枕组合压载是在纵横向用石笼做成框格,框格内充填土枕或土袋,如图4-17所示。土枕之间和土枕与石笼、排布、网绳之间应使用尼龙绳连结紧密,形成一体,以保证良好的整体性。有的地方还采用梢捆方格充填土枕(袋)或块石。

  (5)联锁板块。这种压载是将预制的混凝土块用连接钢环和图4-16圆形土工格栅石笼(单位:m)卡环或其他方式连接成排的一种压载形式,可称为铰链联锁板。板块的尺寸根据施工条件,如施工设备的能力、机械施工或人工施工等确定,但最小尺寸应满足压载重量的要求。

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4-17 石笼土枕组合压载(单位:mm

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4-17 石笼土枕组合压载(单位:mm)

  铰链联锁板软体排的组装可预先组合成一定面积的排片,再运到现场沉放,也可在现场逐块组装。前者要求有大型起吊设备。

  软体排压载的大小与波浪、水流流速和施工等条件有关。在波浪作用下,设计枯水位以下1倍波高范围内的压重应按水上护坡同样考虑。超过1倍波高以下可适当减小,采用抛石压重时,可取按式(4-2)计算的块石质量Q1/5l/10。堤前和坡脚在水流作用下单个石块的直径可按下式计算:

Image131.gif (1237 bytes)

(4-26)

(4-27)

式中:d为按球形折算的块石直径,mV为近岸流速,m/sg为重力加速度;Vs为块石体积,m3C为块石稳定系数,水平底坡取0.9,倾斜底坡取1.2;γs为块石容重,一般可取26.5kN/m3;γω为水容重。

  散抛土枕()压重可按下式计算:

Px≥FsF

(4-28)

Image132.gif (1151 bytes)

(4-29)

Vy(y/H)n·Vs

(4-30)

式中:Px为水流对1m长土枕的动水压力,kN/mF为每延米长土枕的摩擦力,kN/m;Fs为安全系数,一般可取1.3;C为水流作用的阻力系数,可采用2.32;γω为水的容重,采用10kN/m3A为每延米土枕的阻水面积,m2Vy为作用于土枕的近底流速,m/s;y为计算点距河底的垂距,m(可取土枕高度);H为计算断面的水深,mVs为计算断面的表面流速,m/sn为系数,取n1/6

 () 软体排的稳定性计算 

  顺坡抗滑稳定当不计排首锚固力时,可按图4-18用下式验算:

Fs≤[(ιscosaιb)tgΦ]/ιssina

(4-31)

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4-18 抗滑稳定验算简图

式中:ιs为斜坡长度,m;ιb为底脚外伸排长,m;a为坡角;为Φ排体的排布与基土(或压重材料与排布)之间的水下摩擦角;Fs为稳定系数,可取Fs1.5

  排体边缘抗冲刷稳定校核可按下式进行:

(4-32)

γpmγω)/γω

(4-33)

VVcr

(4-34)

式中:V为排体上的流速,m/sVcr为排体搭接边缘的临界流速,m/s;θ为系数,可按表4-11确定;g为重力加速度;δm为排体厚度,m;γp为排体在水下的相对浮容重,kN/m3;γm、γω分别为排体和水的容重,kN/m3

[责任编辑:yeguiren]

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