| 标题 | 土工格室在哈达山渠道护坡工程中的应用 |
| 范文 | 汪恩良++刘兴超 摘要：以哈达山水利枢纽工程为例，通过填充材料的选取和格室深度及焊距的计算，总结出一种土工格室在寒冷地区应用的范例。通过对试验段和对比段测点冻胀量的观测表明：土工格室蜂窝碎石结构可以有效的削减冻胀量，具有很好的适应冻融变形能力。而且土工格室护坡结构具有很好的经济效益和生态效益，具有推广价值。 关键词：寒区；渠道；土工格室；冻胀量；防护 中图分类号：TV861文献标志码：A文章编号：16721683（2015）002000804 黑龙江省位于中国北方的寒区，是我国重要的商品粮生产基地，总灌溉面积4458 万hm2（2011年）。处于季节性冻土区和多年冻土区的渠道工程，冻胀破坏十分严重，渠道年年需要维修，不仅影响工程的正常运行，又浪费大量的人力、财力和物力。由于渠道渗透和冻胀破坏严重，灌水利用系数仅为052[1]。因此，寻求一种技术性能可靠、经济、耐久，施工方便的渠道边坡防护技术对黑龙江省灌排渠系边坡破坏的治理，具有十分重要的意义。 目前有关土工格室在加固软土地基、挡土墙、边坡防护等各个领域应用研究很多[26]。但由于缺乏设计方法，土工格室还不能像一些常规方法（如：打桩、置换土壤等）或传统的平面加固方法（如：土工格栅和土工布等）那样被广泛地应用[7]。土工格室在渠道护坡中的应用更少，大多还只是处于试验性阶段。崔万伦等[8]简单介绍了土工格室在北引渠道护坡工程上的应用和作用机理、施工方法。张忠平[9]通过对土工格室护坡与传统护坡方法的比较分析，发现土工格室护坡形式有推广应用价值。王振铎[10]通过复合土工膜、改性PP 纤维、土工格室等土工合成材料的科学研究，提出了复合土工膜料+5 cm厚土工格室（或PP纤维）混凝土板的成套渠道防渗抗冻技术。李亚生等[11]建立了抗滑桩联合土工格室加固岸坡的计算模型，并进行了求解和参数讨论。王广月等[12]基于传统的径流量和产沙量测定方法，分析了土工格室边坡坡面的流产沙演化规律。 本文以哈达山水利枢纽工程为例设计出适用于当地的土工格室碎石护坡，并试验了其应用效果，从而总结出了一种土工格室在寒冷地区应用的范例。 [BT2][STHZ]1土工格室设计内容 土工格室设计的主要内容是充填材料的选取和土工格室尺寸的选取。 [BT3][STHZ]1.1充填材料的选取 土工格室边坡防护成功与否同充填材料种类和水流流速有关。通过波浪计算，得到平均波长，通过平均波长与波浪流速的关系可以计算得到设计流速，充填材料粒径可参照流速与石子大小关系曲线（见图1[13]）进行选取。 由图1可知，当流速小于06 m/s时，土工格室网格用粒径小于3 cm的石子填充；当流速在06～18 m/s之间时，根据当地的实际水流流速选取合理级配的石子填充，石子粒径一般在3～14 cm之间；当流速大于18 m/s时，选取粒径大于14 cm的石块填充，并用水泥填充空隙，使石块很好的胶结在一起。 图1流速与石子大小关系曲线 [BT4][STHZ]1.1.1波浪计算 根据堤防工程设计规范（GB 50286-2013）[14]，平均波高度H计算如下： [SX（]gH[]V2[SX）]=0.13th[JB（[]0.7[JB（（][SX（]gd[]V2[SX）][JB））]0.7[JB）]]th [JB（{][SX（]0.0018[JB（（][SX（]gF[]V2[SX）][JB））]0.45[]0.13th[JB（[]0.7[JB（（][SX（]gd[]V2[SX）][JB））]0.7[JB）]][SX）][JB）}][JY]（1） [SX（]gT[]V[SX）]=13.9[JB（（][SX（]gH[]V2[SX）][JB））]0.5[JY]（2） L=[SX（]gT[]2π[SX）]th[SX（]2πd[]L[SX）][JY]（3） 式中：g为重力加速度，取981 m/s2；V为计算风速（m/s）；F为风区长度（m）；d为水域的平均水深（m）；T为平均波周期（s）；L为平均波长（m）。 [BT4][STHZ]1.1.2填充材料的选择 根据余广明[15]令波浪在斜坡上破碎时的临界水深为d0，波峰A高出静水位的高程为H0，波浪破碎后，波峰水质点以射流形式循抛物线冲击斜坡，在射流与斜坡的交点B产生最大波压力和最大波流速（见图2）。 图2斜坡上的破波 点A的流速 VA=n[KF（][SX（]gL[]2π[SX）]tanh[SX（]2πd[]L[SX）][KF）]+H [KF（][SX（]πg[]2L[SX）]cth[SX（]2πd[]L[SX）][KF）] [JY]（4） n=4.7[SX（]H[]L[SX）]+3.4[JB（（][SX（]m[][KF（]1+m[KF）][SX）]-0.85[JB））][JY]（5） VBX=VA[JY]（6） u=[SX（]Q[]A[SX）][JY]（7） 式中：m=cotα；VB为 水质点在B点的流速；VBX为VB在X轴方向的分速；u为设计流速；Q为设计流量；A为断面面积。 [BT3][STHZ]1.2土工格室尺寸的选择 选择格室尺寸需考虑的因素有：坡角、表面径流强度、填充材料的最小静止角（见图3）。 图3最小格室深度的确定 各变量关系表示如下： α=β-arctan[（h-dc）/l]或[JY]（8） h=l·tan（β-α）+dc[JY]（9） 式中：α为填充材料的最小静止角；β为坡角；h为格室深度；[JP2]l为格室沿斜坡方向的长度；dc为填充材料的最小允许深度。[JP] 最小厚度与波浪的函数关系如下： dc=K1[SX（]γ[]γb-γ[SX）] [SX（]H[][KF（]m[KF）][SX）] [KF（S]3[][SX（]L[]H[SX）][KF）][JY]（10） [BT2][STHZ]2工程应用 [BT3][STHZ]2.1哈达山水电枢纽工程简介 哈达山水电枢纽工程（一期）位于第二松花江下游河段，距离吉林省松原市20 km，是第二松花江干流规划中最末一级控制性水利枢纽工程，地理位置介于东经124°35″-128°50″之间，[JP2]北纬41°43″-45°23″之间，主要是以供水为主，兼顾发电、防洪的水利枢纽工程，总库容为181亿m3。这里四季气候变化明显，其气候特点是：春季干燥多大风；夏季炎热多雨；秋季天高气爽，日温差大；冬季严寒而漫长。一年中寒暑温差悬殊，春秋两季短促，每年平均气温45 ℃，过去几年的极端低温为-378 ℃，冰冻期持续5个月，属于高寒地区。[JP]输水主干渠穿越洪积平原、河谷冲击平原和湖积平原，土壤多由黏土、亚黏土和其他膨胀性土构成，干渠水位高。渠道衬砌所受的浮力、冻胀力和冰推力是尚未解决的技术难题。 为了确保输水干渠衬砌设计的科学性、可行性和长期运行的安全性，提出了土工格室护坡结构模型，并建立了试验工程对其进行验证。 [BT3][STHZ]2.2土工格室的设计 根据哈达山输水干渠的地理环境和地址条件，该工程衬砌结构的基本参数：设计流量100 m3/s，设计水位13784 m，底部高程13332 m，渠道底宽28 m，坡梯度1∶2.5，计算风速27 m/s，风区长度011 km，水域的平均水深455 m。 根据上面给定的计算参数，把它们代入式（1）、公（2），得：H=0167 m、T=181 s。 将T=181 s和g=981 m/s2代入式（3），计算得平均波长L为511 m。 再将计算参数代入式（4）、式（5）、式（6）、式（7），得：VA=106 m/s，u =056 m/s。 因此，VBX=106 m/s>设计流速u=056 m/s，根据图1，填充材料应选择粒径D= 3～8 cm的碎石。 将已知参数代入式（8）、式（9）、式（10）后得：dc=7 cm。 根据计算结果，用粒径范围为3～8 cm的碎石加上涤纶针刺土工布作为反滤层，设计高度为200 mm，焊接距离为600 mm（见图4）。 图4土工格室蜂窝碎石护坡结构示意图 [BT3][STHZ]2.3应用效果 [BT4][STHZ]2.3.1现场观测 该工程在47 km处设置了试验段与对比段。试验段从2008年11月下旬开始施工，12月上旬结束。该地区每年11月下旬进入冰冻期，次年4月完全解冻。试验段历经6个冻融循环后，渠道边坡防护工程仍保持稳定（见图5、图6）。 图5土工格室蜂窝碎石护坡竣工后效果 图6土工格室蜂窝碎石护坡现状 冻胀破坏通常是引起渠道损坏的主要原因。土体冻胀的强弱主要取决于水分迁移的条件和过程，水分迁移的强弱主要取决于地下水位距离冻结面的大小。该试验段渠道与冻前地下水位关系图见图7。 由图7可知，该段地下水位高于渠底高程，地下水埋深较浅，当进入冰冻期后，下卧层土体可源源不断的向冻结锋面迁移水分（由图8可知，土体冻结前随深度变化各土层含水量基本不变，冻结过程中由于水分向冻结锋面迁移，试验场土层在冻结深度（120 cm）范围内水分重分布的现象非常明显，水分迁移量约达到8%。在冻深小于10 cm时，水分向冻结锋面迁移，但由于风干和蒸发等作用的影响，冻结后的土壤含水率小于冻结前，当冻深在10～120 cm之间时，由于水分的迁移，冻结后的土壤含水率大于冻结前的土壤含水率。），形成很厚的冰夹层或冰透镜体，冻胀十分明显。 图747 km处试验段渠道与冻前地下水位关系 图8试验场冻前及达到最大冻深时各土层的含水率 本工程对试验段与对比段冻胀量进行了观测，土工格室蜂窝碎石结构边坡防护方案和没有衬砌结构的对比段的观察和测量结果见表1。 表1观测部分冻融变形的特征值[JZ）][HJ0] [HTSS][JY，1]cm[HJ] [BHDFG3，WK5，WK4，WKW] [HT6]结构[]冻胀量[HT][] [ZB（][BHDG1*2，WKW][HT6]测点[HT] [BH，WK3*4。4，WKW][HT6]1[]2[]3[]4[]5[HT][ZB）] [BHDG6，WK5，WKW] [ZB（][BHDG3，WKW][HT6][HJ*4]土工格室蜂窝碎石[BH]对比段[HT][ZB）][] [ZB（][BHDG1*2，WK4，WK3*4。4，WKW] [HT6]最大量[]3.8[]5.8[]7.8[]7.1[]9.5 [BHDW]残余量[]0.7[]-0.2[]-0.7[]-0.1[]2.3 [BHD]最大量[]4.2[]7.3[]9.1[]7.9[]11.6 [BHDW]残余量[]-0.3[]-0.5[]1.7[]0.2[]1.6 [HT][HJ1][ZB）][BG）F][HJ] 从表1可知，土工格室蜂窝碎石结构边坡防护方案测点的最大冻胀量显著低于没有衬砌结构的比段，冻胀量最大减少了255%；土工格室蜂窝碎石结构护坡方案的残余变形量也明显小于没有衬砌结构的对比段。可见，土工格室碎石结构可以有效的减小冻胀，而且可以很好的适应冻融变形。 格室中充填砂子或碎石等松散物料，在坡面上形成一层整体防护层。该层无论干燥还是浸水状态强度明显优于原坡土，且颗粒较大一般属非冻胀性土，该层不会产生冻胀。而且格室内的填充物具有很好的透水性，使用时在坡面铺一层土工布作为反滤层，坡面防护层形成一个很好的反滤体系。由于坡面防护层透水性很好，渠道停水后，能在较短的时间内使坡体内水位迅速下降，使坡面冻胀量减少；春天融化后，坡面融土的水分能较快渗出，大大降低渠边土体含水量，抗剪强度得到大幅度提高，不致再发生渠坡浅层滑动。 [BT4][STHZ]2.3.2效益分析 土工格室伸缩自如，运输方便，施工时可张拉成网状，碎石可以就地取材，施工方便，工期比常规方法缩短了60%，节省了大量的运输费用和人工费用。 该工程桩号47+215至47+240渠段土工格室蜂窝碎石结构完成所用材料费共64 69050元，经测算比同样透水结构的混凝土连锁块护坡方案降低投资约50%。土工格室的主要原材料聚乙烯属于烯烃族，与其它合成材料相比有一个稳定的分子结构，加入碳黑抗老化剂，且填充材料和表面植被的覆盖有效地阻挡紫外线，所以土工格室在阳光下寿命可达40 a，后期维护方便，可节省大量的人力、物力和财力。 另外，本工程格室中碎石的粒径为3～8 cm，孔隙中充填种植土，可种植草和灌木。植物的茎叶可以对雨水截流和分流，减少地表径流，减缓水流冲击，而且茎叶可以降低风速，防止土壤被侵蚀。根系还可以固结土壤，防止水土流失。植物根系还可以增大土壤的孔隙度，使土壤的渗水性提高，从而起到反滤作用。 种植的草和灌木还可以绿化环境，净化空气，吸收空气中的有害物质，给附近居民提供一个良好的空气环境。而且绿色植物能形成美丽的自然风光，具有良好的观赏性。 [BT2][STHZ]3结论 黑龙江省渠道边坡冻胀破坏严重，根据各地不同的水文地质条件，应地制宜的选取土工格室的尺寸和填充材料，可以起到更好的防护效果。通过土工格室在哈达山工程中的测试，土工格室蜂窝碎石结构可以有效的削减冻胀量，较没有衬砌结构的渠道边坡最大可以减少255%，可以很好的适应冻融变形。该护坡结构施工方便、工期短、造价低于混凝土连锁块护坡50%，具有良好的经济效益。而且可以种植植物，减少土壤侵蚀，防止水土流失，提高渠道边坡的整体稳定性，还可以净化空气、美化环境。土工格室蜂窝碎石结构对寒区渠道边坡的防冻胀破坏具有重大意义，值得推广。 参考文献： [1]李国英.李国英副部长在全国农村水利工作会议上的讲话[EB/OL].新浪财经，20140904. 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