四平市南北河綜合治理工程中土工格柵加筋土結構新技術推廣應用

紀福春 郝恩武

(吉林四平市水利勘測設計研究院 吉林四平 136000)

1 概述

四平市南、北河治理工程位于四平市區繁華風光帶,對外及市區內主要交通干線均從兩河穿過。具體樁號為南河4+255～12+200,北河2+750～9+193。多年以來,由于河水污染嚴重,河道大量淤積,致使河道行洪能力低,實際防洪標準遠不滿足國家標準。對市區的生態環境造成了極其不良影響。為提高市區南、北河整體防洪能力,從根本上改善市區的生態環境,提高四平市人民的生活質量,四平市委、市政府于1998年做出了徹底整治南北河的重要決定。吉林省水利廳自1999年以來先后分期分段對南北河工程的初步設計進行了批復,工程初步設計已批復概算靜態總投資為3.8億元。由于四平市財政實力不足,國家水利投資有限,因此,當時南、北河整治工程建設資金嚴重不足。為力求節省工程投資,解決四平市市政府市區兩河建設資金嚴重不足的燃眉之急,四平市水利勘測設計研究院組成了攻關小組,反復優化設計方案,先后與吉林省水利廳科學研究院和北京工業大學合作。經過攻關,突破了傳統的設計方案,探索和研究引進新的工程結構技術措施。通過工程的總體設計方案的技術經濟比較,設計最后確定影響南北河工程投資較大的河道護岸擋土墻設計方案采用土工格柵加筋土結構新技術,并得到了上級業務主管部門專家的認可和四平市政府的采納。目前南北河治理工程初步設計經吉林省水利廳批復的市區河段總長度為14.4km,其中,南河7.945km,北河6.443km。市區兩河建設的主體工程河段長8.84km已經竣工,多數河段土工格柵加筋土護岸工程已運行一年以上。在技術效果上取得了成功,在經濟和社會效益上收益巨大。該項新技術的成功引進和推廣,其規模在全國水利行業中堪稱首位,填補了省內空白。

2 新技術推廣的主要內容及創新要點

2.1 新技術的推廣的主要內容

土工格柵加筋土擋土墻作為一種新型的加筋土支擋結構由于其經濟、穩定、方便,適應性強及建筑效果美觀等特點,廣泛地應用于歐州發達國家和世界其他部分地區,在我國的應用起步很晚,在我省水利系統城市防洪等水利工程領域的應用更是空白。土工合成材料 (HDPE土工格柵)作為一種新材料,已滲透到巖土工程和其他工程建設的各個角落。尤其是98年大水之后,有49項國家和行業標準及規范的陸續出臺和實施,極大地推動了土工格柵加筋土結構這項新技術的推廣應用。由于土工合成材料本身的特殊性以及加筋土結構作用機理的復雜性,目前對其設計理論和計算方法還在深入探索和完善中。

南北河加筋土護岸擋土墻采用土體加筋技術,代替傳統的砼和漿砌石結構。墻體加筋材料設計選用高密度聚乙烯土工格柵,其特點是強度高、低蠕變、抗老化性能可靠。加筋材料抗老化劑炭黑摻量要求不低于2.5%,其顆粒為納米級,在材料內部分散度良好。加筋體填筑土料,采用透水性良好的砂礫土料。加筋土護岸結構的設計計算引進目前歐州先進的設計理念和方法 (DIBT),在水利工程中既安全又最經濟。該種設計方法 (DIBT)亦稱雙楔體法,它以極限平衡理論為基礎,設計計算中在墻體結構上需假設一系列可能的破裂面,分別驗算其各自的穩定性,其潛在的破裂面可能穿過加筋材料,也可能平行加筋材料。此種技術,在驗算墻體外部穩定時,抗滑穩定安全系數定為1.5,地基承載力計算采用改進的太沙基承載力計算公式,以考慮合力的偏斜作用,來限定合力偏心距的大小,從而代替傳統的抗傾覆穩定驗算。在內部穩定分析時,著重考慮墻體加筋材料的拔出破壞的可能性,特定條件下,還需驗算每層加筋材料的設計強度,以確保其不低于主動土壓力在墻上產生的應力。

在充分分析和理解加筋土結構作用機理的前提下,設計中力求做到就地取材,科學利用高分子加筋材料的長期物理力學指標的變化特性,顯著降低了工程造價,且較傳統結構提高使用壽命一倍以上。在設計參數的選取上,理念先進,即在設計計算中采用高分子加筋材料的長期蠕變強度,經綜合考慮加筋材料在施工,生物化學降解破壞等不利的環境因素后,最后科學地確定墻體加筋材料的設計物理力學參數。經過分析四平市南北河工程護岸加筋土擋墻結構工程服務壽命可達120年,該項指標已步入世界同類技術領先水平。

2.2 技術創新要點

四平市南北河工程土工格刪加筋土結構新技術有以下創新要點:

1)設計理念先進,充分利用當地材料,科學利用高分子加筋材料的長期物理力學指標的變化特性,顯著降低了工程投資,較傳統結構節省工程費用約31%,且提高了工程使用壽命一倍以上。

2)科學有效地突破了土工格柵加筋材料回包面與墻體護面剛性料石結構的柔性連結的國際性技術難題。

3)通過對部分河段軟弱不均勻地基的加筋處理,提高了墻體地基的承載力,滿足了墻體結構對地基的穩定要求。

4)由于加筋體結構的柔性特點和合理地設置了墻體排水反濾系統,因此有效地解決了東北嚴寒地區支擋建筑物凍害問題,且提高了工程結構的抗震性能。

5)四平市南、北河治理工程護岸擋墻為新型剛性模塊式HDPE土工格柵加筋土結構,為今后設計施工反饋真實可靠的實測數據、積累經驗、豐富和完善現行國家規范,設計在兩河均設有原型觀測斷面。原型觀測科學研究的主要內容為:墻體變形狀態,墻體內部與外部應力狀態,冰脹對墻體變形及加筋材料應力應變的影響等。

3 當前國內外同類技術的現狀

土工程柵加筋土結構自上世紀八十年代在歐洲問世后,就展現了其強大的技術生命力,在西方發達國家得到了快速發展。如今,以土工格柵為主的土工合成材料加筋土擋墻結構廣泛地應用于歐洲各國。目前世界較常用先進的設計方法有了三種:①后拉楔體設計法;②DIBT法;③BS8006方法。其中以DIBT設計方法最為成熟,其在較高的支擋結構設計中是既安全又最經濟的方法。同時它也是國內通用的設計方法無法比擬的。因此DIBT法目前已在歐洲大陸得到了廣泛的推廣和應用。

4 新技術推廣與創新效益

四平市城市防洪南、北河治理工程成功地引進和推廣了土工格柵加筋土結構新技術,顯著地降低了兩河建設的工程投資,整個工程共節省投資1.01億元。同時,通過應用新型結構方案,提高了施工速度,取得了良好的建筑效果,亮化了城市,改善了招商引資及城市生態環境,提高了市民的生活質量。昔日的南北河是四平市區的兩條垃圾帶,經過科學治理,如今已變成了碧水、藍天、綠帶、生態、風光帶,是四平市的重要景觀和休閑旅游場所。南北河的及時科學治理,使沿河兩岸房地產顯著增值,為四平市成功申報國家級衛生城起到了至關重要的作用。真正地實現了水利、生態、文化、景觀四大功能為一體的民心工程;人與自然和諧相容的工程;功在當代,利在千秋的工程。