植筋式膜袋混凝土護(hù)坡在北方寒區(qū)中的應(yīng)用

曲 磊

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

膜袋混凝土護(hù)坡技術(shù)于20世紀(jì)80年代由國外引入，目前已在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)將機(jī)織膜袋作為填充載體，利用泵送混凝土充灌膜袋，待混凝土凝固后形成連續(xù)護(hù)坡、護(hù)底的結(jié)構(gòu)防護(hù)型式。它具有整體性強(qiáng)、施工便捷、便于水下作業(yè)、機(jī)械化程度高、穩(wěn)定性好，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)組成

膜袋混凝土由機(jī)織膜袋布、混凝土填充層及下部墊層構(gòu)成。機(jī)織膜袋布常用CX- 200型丙綸機(jī)制作，質(zhì)量為600g/m2，膜袋布的主要參數(shù)指標(biāo)見表1。膜袋內(nèi)混凝土填充厚度通常為20cm，水灰比應(yīng)小于0.55，水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，砂為中砂，碎石最大粒徑≤20mm，抗壓強(qiáng)度P≥50MPa，坍落度一般為18～20cm。膜袋混凝土標(biāo)號一般為C25，抗凍指標(biāo)為F200。膜袋下部墊層通常采用500g/m2無紡布，起到反濾作用。

2 北方寒區(qū)的適用性

鑒于膜袋混凝土的諸多優(yōu)點(diǎn)，它在有水環(huán)境的堤防護(hù)坡防護(hù)中得到大面積應(yīng)用，但在北方寒區(qū)的應(yīng)用過程中也暴露出其不足之處。由于北方寒區(qū)冬季嚴(yán)寒，極端最低氣溫隨著緯度的升高能夠達(dá)到零下十幾度甚至幾十度，河流、湖區(qū)或者庫面結(jié)冰現(xiàn)象較為普遍，冰層所產(chǎn)生的冰推力對混凝土膜袋護(hù)坡的破壞非常顯著。冰推力主要表現(xiàn)為動(dòng)冰壓力和靜冰壓力，其中動(dòng)冰壓力對坡面的破壞由初春冰層解凍、冰裂成塊時(shí)，在水力和風(fēng)力作用下，大量的冰塊運(yùn)動(dòng)撞擊膜袋護(hù)坡而造成的；靜冰壓力對坡面的破壞是指冰層受熱升溫，冰體膨脹施加于坡面上的力。因此，冬季結(jié)冰期膜袋混凝土護(hù)坡同時(shí)受到垂直坡面向的冰壓力及沿坡面向的冰推力的雙重作用，在這兩種力的共同作用下，膜袋混凝土結(jié)構(gòu)極易發(fā)生橫向斷裂，膜袋護(hù)坡受力如圖1所示，其中PV和PH分別為垂直坡面和平行坡面的作用力。

斷裂后的膜袋混凝土護(hù)坡不但結(jié)構(gòu)整體性遭到了破壞，水流還會沿著裂縫侵入膜袋底部淘刷墊層甚至堤坡土體，最終導(dǎo)致膜袋混凝土護(hù)坡錯(cuò)位、塌陷，使其失去防護(hù)作用。

表1 混凝土模袋的主要技術(shù)參數(shù)

圖1 冰蓋層冰壓力示意圖

3 膜袋混凝土改造

為克服混凝土膜袋缺點(diǎn)，提高在北方寒區(qū)的易用性，充分利用施工便捷、水下適應(yīng)性高的特點(diǎn)，經(jīng)過多年的實(shí)踐并不斷完善，采用在膜袋內(nèi)部增加鋼筋的方式來增強(qiáng)膜袋混凝土護(hù)坡的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改善其防護(hù)能力。該結(jié)構(gòu)型式能夠有效增強(qiáng)混凝土膜袋結(jié)構(gòu)的抗拉及抗剪性能，有效抵抗冰推力作用；同時(shí)亦能夠抵抗因坡面不均勻沉降而引起的彎曲應(yīng)力，保證膜袋混凝土護(hù)坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，延長使用壽命。

膜袋混凝土固結(jié)硬化后，其結(jié)構(gòu)類似于素混凝土板式護(hù)坡且厚薄間隔布置呈波浪狀，在外力的作用下容易產(chǎn)生斷裂。為提高膜袋混凝土的整體強(qiáng)度，增加其抗剪性能，在膜袋混凝土澆筑前對其內(nèi)部增設(shè)一根順坡向鋼筋，使混凝土膜袋由素混凝土結(jié)構(gòu)變?yōu)殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)，能夠顯著提高混凝土膜袋的抗拉、抗剪性能。

充灌成型后的膜袋混凝土，單隴膜袋橫截面為底部偏平、上部圓弧的結(jié)構(gòu)形態(tài)。為實(shí)現(xiàn)素混凝土膜袋鋼筋混凝土化，首先需要解決縱筋的固定難題。為使植入的縱筋在混凝土膜袋澆筑后不塌落至膜袋底部，設(shè)置多個(gè)環(huán)向支架，支架內(nèi)設(shè)置徑向支桿用于支撐縱向鋼筋。環(huán)向支架的數(shù)量視護(hù)坡長度確定，間距以2m為宜。在膜袋充灌混凝土前，將綁扎好支架的縱向鋼筋由上部進(jìn)料口插入膜袋內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)混凝土膜袋加筋特性。縱向鋼筋一般選用Φ12號鋼筋即可，縱向鋼筋間距約0.3m，每隔一隴布置一根。植入鋼筋后成型的膜袋混凝土示意圖如圖2所示。

4 應(yīng)用情況

沈陽市遼中區(qū)團(tuán)結(jié)大閘位于渾河的支流蒲河上，該閘為珍珠湖水庫的滯洪閘，水閘兩側(cè)為擋水橫堤。團(tuán)結(jié)大閘于2016年進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拆除重建，同時(shí)對兩側(cè)擋水橫堤進(jìn)行了坡面防護(hù)。橫堤坡面防護(hù)型式的選用，通過比選混凝土板護(hù)坡、綠濱墊護(hù)坡及植筋式混凝土膜袋護(hù)坡，充分考慮了經(jīng)濟(jì)性、耐用性及凍融破壞的影響，最終確定采用植筋膜袋混凝土護(hù)坡。

堤防斷面形式迎水坡為帶有平臺的復(fù)合斜坡堤，堤頂寬度為8.5m，堤頂高程為22.80m；堤腳高程為17.30m，在高程為20.80m處設(shè)置2.5m寬的平臺，平臺以上、以下坡比均為2.5。平臺高程以下坡面為20cm厚植筋式膜袋混凝土護(hù)坡，膜袋內(nèi)部設(shè)置多個(gè)環(huán)形支架并插入Φ12螺紋鋼筋，鋼筋間距為30cm，模袋混凝土頂部以30cm×20cm的鋼筋混凝土封頂；平臺以上斜坡坡面采用20cm厚六角形混凝土框格護(hù)坡，框格空隙處植草。平臺處采用30cm厚粗料石路面，20cm厚砂礫料墊層。標(biāo)準(zhǔn)斷面膜袋混凝土護(hù)坡水平投影長8.72m，框格混凝土水平投影長5.25m。膜袋混凝土強(qiáng)度等級為C25，抗?jié)B等級為W4，抗凍等級為F200；膜袋混凝土每15m用瀝青木板分縫，分縫處設(shè)置1m寬400g/m2的土工布防止堤身填料析出。具體斷面形式如圖3所示。

圖2 膜袋混凝土植筋示意圖

圖3 擋水橫堤標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(m)

團(tuán)結(jié)大閘的植筋式膜袋混凝土護(hù)坡運(yùn)行至今已經(jīng)度過兩個(gè)冬季的考驗(yàn)，護(hù)坡結(jié)構(gòu)完整，無斷裂錯(cuò)位現(xiàn)象的發(fā)生，護(hù)坡起到了很好的防護(hù)作用，較好解決了嚴(yán)寒地區(qū)開闊水面坡面防護(hù)易損、易破壞的難題，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和工程效果。

5 不足與改進(jìn)

植筋式膜袋混凝土護(hù)坡雖能夠在北方寒區(qū)堤壩坡面防護(hù)中起到良好的效果，但仍未能克服傳統(tǒng)膜袋護(hù)坡膜白化、硬化的缺點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分兼顧工程耐久性與生態(tài)要求，水位變動(dòng)區(qū)以下可采用植筋膜袋混凝土進(jìn)行防護(hù)，水位變動(dòng)區(qū)以上應(yīng)首選生態(tài)防護(hù)措施。另外，機(jī)制膜袋風(fēng)化后容易對生態(tài)環(huán)境造成一定的污染，建議在機(jī)制膜袋材料研發(fā)上加大力度，采取可降解的材料來替代現(xiàn)有膜袋材料，以滿足環(huán)保要求。