新型預制裝配式生態環保護坡排水系統設計

引言

2015年以來，裝配式建筑規劃密集出臺，并且取得突破性進展。邊坡防護技術也順應工程發展潮流，逐漸展開了裝配式邊坡防護技術的研究，取得了許多重要的成果，如預制裝配式框格梁、預制植生型多孔混凝土、新型裝配式植草混凝土預制塊、裝配式聚氨酯砌塊、裝配式錨索格梁等。

現階段，公路邊坡工程的排水防護體系主要采用漿砌片石、混凝土預制塊或現澆混泥土急流槽、水溝等排水結構和施工方法。在實際工程建設中，上述傳統排水結構和施工方法易產生施工工期長、工作量大、工作效率低、人力勞動消耗大等問題，傳統的排水結構和施工方法與工程建設的發展要求不相適應。為順應我國公路建設更好、更快和更有保障的發展要求，有必要開發一套施工效率高、勞動力消耗小的護坡排水結構和施工方法，以解決邊坡護坡排水工程嚴重滯后主體工程建設的問題。基于此，本文基于輕質高分子材料，對新型預制裝配式生態環保護坡排水系統的材料性能、結構構件形式和施工工藝進行研究，以廣東省梅州市大鋪縣楓朗鎮境內擬建高速公路為依托，對預制裝配式排水系統設計進行一系列探索。

工程概況

路堤邊坡位于廣東省梅州市大鋪縣楓朗鎮境內擬建高速公路測設里程LAK2+500～LAK2+704處，長204m，最大填土高度11.7m，基本只有一個分級。該路堤區屬低山丘陵地貌，微地貌為山間洼地，地勢平穩，地形起伏小。

邊坡采用臺階式分級邊坡，分為兩級，上緩下陡。第一級高8.4m，第二級高3.7m，自下向上坡率分別為：1:1.5、1:1.75，平臺寬度均為2m，其中，一級平臺長120m、二級平臺長30m。

排水系統設計

整體布置設計

預制裝配式護坡排水系統的整體布置，采用常規護坡排水系統設計的布置方式，主要包括坡頂截水溝、邊坡兩側的邊溝、坡腳排水溝、人行踏步和人字形排水骨架。其中，人字形排水骨架采用高分子材料預制構件，與傳統護坡排水骨架不同，具有材料輕質、施工便捷、大幅度減少人工勞動和縮短工期等優點，能夠解決護坡排水結構滯后于主體工程以及臨時排水配套設施不及時等問題。構件總體上可分為5種類型（圖1），包括節點構件1（四通接頭）、橫向排水構件2、縱向排水構件3、橫向排水連接件4（兩通接頭）和鉚釘5。縱向排水骨架之間的間距設計為300cm，橫向排水骨架之間的間距設計為400cm。

圖1 排水骨架

構件尺寸設計

（1）排水尺寸

根據《公路排水設計規范》（JTGT D33-2012），對排水骨架的通用排水尺寸進行設計。通用排水尺寸設計適用于廣東省地區每級高度為10m的公路邊坡，設計降雨的重現期為15年和3min降雨歷時標準的護坡排水。現取邊坡高度40m、坡度1:2、縱向排水骨架間距3m、縱向排水截面為矩形和高寬比為0.75進行驗算。通過查表及計算可得，設計徑流量Q=2.667×10-3m3/s，初選截面尺寸為0.2m×0.15m，得到流速V=1.65m/s。根據公式A=Q/V，得到面積A為1.62×10-3m2。經過3次迭代，得到截面面積A=1.381×10-3m2，截面尺寸為0.06m×0.03m。由計算可以看出，截面面積很小時即可滿足排水要求。

由此可得出以下結論：坡面高度和坡度排水條件不是截面尺寸設計的控制性因素。因此，對于廣東一般邊坡工程排水只需從方便施工和便于生產的角度考慮，初定于縱向排水骨架的截面尺寸設計為0.2m×0.15m，橫向排水骨架的截面尺寸設計為0.1m×0.15m。

（2）構件尺寸和特征

橫向排水構件的尺寸和特征為：橫向排水骨架整體上呈人字形，可實現收集坡面雨水，并將雨水匯集流入縱向排水骨架。考慮到高分子材料預制工藝、預制生產模具開發的經濟性以及防止構件尺寸過大，產生過大溫度應力和構件安裝滿足邊坡坡面平整度要求等問題，將橫向排水骨架劃分為兩種類型構件：橫向排水構件和橫向排水連接件。構件與構件之間的連接采用類似“瓦片搭接”的方式，橫向排水連接件搭接在橫向排水構件的上面，搭接長度約為10cm-15cm，可保證橫向排水骨架收集的坡面雨水，從高而低由橫向排水連接件流入橫向排水構件，防止產生滲漏現象。橫向排水構件采用擠出成型預制生產工藝，標準構件如圖2所示。縱向排水構件的功能是將節點構件匯集的坡面雨水排入坡腳排水溝。縱向排水構件的形狀規則采用擠出成型的預制生產工藝。縱向排水構件的設計尺寸如圖3所示。

圖2 橫向排水構件

圖3 縱向排水構件

構件間的連接和構件錨固

節點構件（四通接頭）同時與左右的橫向排水構件和上下的縱向排水構件相連接，順著水流的方向，上部縱向構件搭接在節點構件之上，節點構件搭接在下部縱向排水構件之上，左右橫向排水構件搭接在節點構件之上；橫向排水構件連接件（兩通接頭）同時與左右兩邊的橫向排水構件相連接，兩通接頭分別搭接在兩邊橫向排水構件之上。依此重復搭接形成圖4所示的裝配水護坡排水骨架，由此坡面上的橫向排水骨架收集邊坡坡面的雨水，順著水流的方向由節點構件（四通接頭）將橫向排水骨架內的雨水匯集流入縱向排水骨架之中，最終流入平臺或坡腳截水溝而排泄出去，起到防止坡面雨水徑流沖刷的作用。節點構件設計圖見圖5。

圖4 構件連接

結構的鉚釘布置

為了保證結構能夠穩定牢固的安放在土坡溝槽中，在所有預制排水構件上預留了鉚釘孔。其中，節點構件（四通接頭）和橫向排水構件連接件（兩通接頭）設置了一個鉚釘孔，縱向排水構件和橫向排水構件設置了兩個鉚釘孔。構件設置一個鉚釘孔的作用是為了防止塑料類材料由于晝夜和季節性溫度變化而產生的收縮和膨脹，產生溫度應力；構件設置兩個鉚釘是考慮到縱向排水構件和橫向排水構件長度過大，在一個鉚釘的錨固作用下，難以形成嚴格意義上的穩定結構，可能在很小的外荷載作用下難以保證構件在坡面上穩定，由此縱向排水構件和橫向排水構件設置了兩個鉚釘孔。而縱向排水構件和橫向排水構件防止溫度應力的辦法，是使鉚釘孔的內徑適當大于鉚釘的外徑，這樣構件在溫差變化下產生的收縮和膨脹，可通過鉚釘孔預留的盈余間隙進行協調，從而防止構件產生溫度應力。各個構件上鉚釘孔的位置如圖6所示。

鉚釘的作用是將排水構件錨固在邊坡坡面上，是排水構件能夠承受邊坡環境下產生的外荷載，而不產生滑動、掀開和過大的變形，并對坡面土體穩定性起到一定穩固作用。因此，每個構件至少設置一個鉚釘孔和鉚釘，其中縱向排水構件由于長度較大，每個構件需設置2個鉚釘孔和鉚釘。鉚釘孔和鉚釘的設計形式如圖6所示，鉚釘孔的設計是在構件上相應的位置鉆一個直徑為23mm的孔，在孔的下方粘一個內徑為23mm、外徑為50mm和厚度為10mm的鉚釘孔加固環，以防止鉚釘安裝時巨大沖擊力對排水構件的損傷和破壞。鉚釘長度為400mm-500mm，根據土層類型進行選取，保證鉚釘的錨固力不小于240N，鉚釘直徑為20mm。

工程應用

預制裝配式生態環保護坡排水系統，實現了裝配式建筑在護坡中的應用。該方法可實現護坡結構構件的工廠化生產，有效提高施工效率，對生態平衡進行調節，預制裝配式生態環保護坡排水系統如圖7所示。工程應用表明，該預制裝配式保護坡排水系統實現構件工廠化預制，有利于快速施工，能夠達到排水系統的功能，具有較好的經濟效益。

結論

本文對依托工程進行預制裝配式生態環保護坡排水系統設計，對橫向排水構件、縱向排水構件，節點連接、鉚釘布置和材料選取等裝配式設計關鍵技術進行分析，最后應用于依托工程，得到如下結論：

本文設計的預制裝配式生態環保護坡排水系統合理且易于施工，既能滿足護坡排水需要，又能達到高效、節能、綠色、環保的目的，具有較高的推廣應用價值。

對常規進行多方面綜合考慮后，認為PVC與ASA復合材料作為預制裝配式護坡排水結構的生產材料，構件的截面厚度設計為3.0mm最為合適，構件的重量、強度，變形性能、耐久性、耐火性和經濟性，均能夠滿足預制裝配式護坡排水結構的要求。

圖6 鉚釘預留孔布置圖

圖7 預制裝配式生態環保護坡排水系統現場