蜂巢約束在新曙光水庫水毀修復(fù)工程中的應(yīng)用

孫艷坤

(齊齊哈爾市水利科學(xué)研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

0 引 言

蜂巢約束系統(tǒng)是用高分子納米合金片材經(jīng)超聲波焊接而成的柔性三維網(wǎng)狀物，在其格室內(nèi)填充泥土、沙石或混凝土等材料構(gòu)成具有強(qiáng)大側(cè)向限制和剛度的結(jié)構(gòu)。

蜂巢約束系統(tǒng)是一種新興的材料，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)改造、城市黑臭水體改造、公路路基建設(shè)、鐵路及水利工程邊坡防護(hù)建設(shè)、城鎮(zhèn)生態(tài)園林綠化、海綿城市改造等領(lǐng)域，是繼木材、鋼筋、混凝土后第四大革命性建材，也是當(dāng)今解決土體穩(wěn)固難題較先進(jìn)的生態(tài)工程材料。近年來在產(chǎn)品設(shè)計(組件)、工程設(shè)計、施工技術(shù)等方面均取得巨大進(jìn)步，其普遍適用性使其在工程中應(yīng)用發(fā)展迅速[1]。

文章就蜂巢約束系統(tǒng)在新曙光水庫背水側(cè)壩坡水毀修復(fù)工程中的應(yīng)用進(jìn)行介紹和分析。

1 工程概況

新曙光水庫位于克山縣河南鄉(xiāng)文化村西約1km，烏裕爾河左岸一級支流幸福溝上，距克山縣城東南約9km，水庫控制流域面積42.4km2，總庫容455.58萬m3。工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇洪水設(shè)計，50a一遇洪水校核，工程為Ⅳ等4級。是一座灌溉為主，兼顧防洪、養(yǎng)魚等綜合利用的小(1)型水庫。水庫保護(hù)下游3個村屯，1萬畝耕地及碾北公路。

新曙光水庫始建于1958年，水庫工程由大壩、泄洪洞(結(jié)合灌溉耳洞)組成。大壩為均質(zhì)黏土壩，壩長941m，土壩現(xiàn)狀斷面較規(guī)則，最大壩高9.48m，平均壩頂寬度11.22m，大壩迎水側(cè)有干砌石護(hù)坡，護(hù)坡較完整，但局部塊石散亂，背水側(cè)有草皮護(hù)坡。泄洪閘為開敞式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2 水庫大壩水毀情況

在日常巡視時新曙光水庫管理人員發(fā)現(xiàn)大壩樁號0+688-0+718處大壩背水坡出現(xiàn)脫坡現(xiàn)象，脫坡面積約200m2，脫坡土層厚度0.6m-1.0m；大壩樁號0+194附近大壩背水坡出現(xiàn)平行于大壩方向的縱向裂縫，裂縫寬度約為8cm，出現(xiàn)脫坡征兆。經(jīng)技術(shù)人員現(xiàn)場踏查及地質(zhì)勘察，大壩背水坡坡面較陡，邊坡比約1∶2左右，且背水坡坡面局部不平整，塌坡部位壩體深度1.60m以上為混合壩，土質(zhì)不均，成分較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)松散，其低液限黏土干密度低，該深度內(nèi)壩體壓實(shí)度較差。水庫大壩0+220-0+750下游坡腳處，普遍存在表層飽和低液限黏土，呈流塑狀態(tài)。

結(jié)合地質(zhì)鉆探工作，分析認(rèn)為大壩背水側(cè)邊坡水毀原因主要為大壩背水側(cè)邊坡較陡，且背水側(cè)壩坡土體局部有薄弱層，經(jīng)雨水作用產(chǎn)生塌坡。下游坡腳處飽和黏性土成因系由于坡腳低洼處常年積水浸潤形成。

經(jīng)過分析，對水毀壩段處理措施為對大壩背水側(cè)邊坡進(jìn)行整形、對壩體薄弱層進(jìn)行換填，同時大壩背水坡采取防護(hù)措施。即在保證壩頂寬度8m的前提下，對背水側(cè)壩肩進(jìn)行削坡，以使壩坡達(dá)到設(shè)計邊坡比1∶3；結(jié)合地質(zhì)剖面圖，把不符合壩體填土要求的土體挖除，換填黏性土并碾壓；對大壩水毀的背水坡采用蜂巢約束系統(tǒng)進(jìn)行邊坡防護(hù)[2]。

3 蜂巢約束系統(tǒng)生態(tài)護(hù)坡工程設(shè)計

背水側(cè)護(hù)坡工程位于大壩樁號0+220-0+820，長600m，護(hù)坡型式采用蜂巢約束系統(tǒng)生態(tài)護(hù)坡。蜂巢約束系統(tǒng)護(hù)坡格室高度為15cm，格室內(nèi)采用黏性土填充，上部覆蓋5cm腐殖土。護(hù)坡頂采用0.5m寬封頂，護(hù)坡底采用1.0m寬平段，填充及覆土均同蜂巢約束護(hù)坡坡面。腐殖土表面均撒播草種，撒播密度≥80kg/hm2。

蜂巢格室高度15cm，允許偏差±2%；焊縫間距712mm，允許偏差±2.5%；格室尺寸448×520mm，允許偏差±3%；格式面積1165cm2，允許偏差±1%。土工格室采用高分子納米復(fù)合合金(PCA)材質(zhì)，PCA材料性能見表1，PCA格室性能見表2[3]。

表1 PCA材料性能表

錨桿采用熱軋帶肋鋼筋錨桿與限位帽組合成專用錨桿，錨桿長100cm，錨桿直徑12mm，錨桿密度1個/m2。限位帽規(guī)格SC12，采用PCA材質(zhì)，抗壓強(qiáng)度≥655MPa。格室連接采用連接鍵連接，型號CT，采用尼龍材質(zhì)，抗拉屈服強(qiáng)度≥10kN。限位帽、連接鍵外形尺寸按《蜂巢約束系統(tǒng)護(hù)坡應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》(DB23/T1662-2015)要求制作，見2和圖3。

表2 PCA格室性能表

圖2 限位帽 圖3 連接鍵

根據(jù)《蜂巢約束系統(tǒng)護(hù)坡應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》(DB 23/T1662-2015)，錨固設(shè)置用下式計算：

F=k×(H×l×γ×l×P)×(sinβ-cosβtanφ)

(1)

式中：F為單位寬度凈滑動力，kN/m；k為安全系數(shù)，取2.0；H為格式高度，取0.15m；γ為格式填料容重，18.9kN/m3；l為坡長，23m；P為附加靜荷載，kN/m2；β為坡角；φ為填料的內(nèi)摩擦角，17.5°。

經(jīng)過計算，單位寬度凈滑動力為0.129，為正值，需要采取措施。

每延米錨桿數(shù)量按下式計算：

(2)

式中：NA為單位寬度錨桿數(shù)量，根/m；PP為錨桿抗拔力，kN。

經(jīng)過計算，每延米錨桿數(shù)量為0.01。

設(shè)計錨桿采用熱軋帶肋鋼筋錨桿與限位帽組合成專用錨桿，錨桿長100cm，錨桿直徑12mm，錨桿密度1個/m2。

植草要求：格室內(nèi)填充植草土并播撒草種，填土應(yīng)高于格室5cm。植草要求覆蓋率95%以上(允許偏差±3%)，撒播密度≥80kg/hm2。植草前應(yīng)對草籽進(jìn)行現(xiàn)場發(fā)芽試驗(yàn)，以確定合適的草籽和播種量。草籽可選用耐瘠薄的草木樨、苜蓿、披堿草、紫羊茅、早熟禾、芨芨草等。

5 結(jié) 語

蜂巢約束系統(tǒng)是現(xiàn)今工程建設(shè)中應(yīng)對土體穩(wěn)定與強(qiáng)化難題的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)的革命性材料。通過系統(tǒng)中相互連接的巢室所形成的高強(qiáng)度三維網(wǎng)格來約束和穩(wěn)定土體，顯著提高了土體穩(wěn)定性。在承載、護(hù)坡、河渠保護(hù)、以及植被擋土墻(土體攔固)等應(yīng)用中，該系統(tǒng)提供了一種能有效解決具有挑戰(zhàn)性的土體穩(wěn)定難題的生態(tài)、環(huán)保、快捷、經(jīng)濟(jì)的解決方案。蜂巢約束系統(tǒng)不但工藝簡單，便于施工，對氣候要求不高，施工期長，而且做成護(hù)坡之后美觀穩(wěn)定，對于水庫壩坡修復(fù)效果頗佳。