北方寒区水利工程植筋式膜袋混凝土应用研究

赵宝桐

(铁岭市清河区防汛抗旱指挥部办公室，辽宁 铁岭 112003)

0 引 言

模袋混凝土是指将混凝土或砂浆利用泵送的方式充灌至特定形状和尺寸的高强度机织土工模袋，待凝固硬化后可形成连续护底、护坡的防冲结构，较一般砌体、抛石、打桩工程具有施工简便、安全可靠、整体性好、使用年限长、机械化程度高等特点，特别是水下作业表现出独特的优势，但具体应用时必须充分考虑复杂的环境条件[1-3]。因此，研究适用于北方寒区的模袋混凝土护坡技术，对于加快施工进度、减少后期维护工程量和工程成本等具有重要意义[4]。

一般地，模袋混凝土由下部垫层、填充层及机织模袋土所组成，其中下部垫层主要发挥反滤作用，无纺布参数为500g/m2；填充混凝土厚度一般为20cm，水泥为普通硅酸盐P·O42.5级，水灰比不超过0.60，细骨料选用中砂，碎石抗压强度P≥50MPa，最大粒径≤20mm；控制机织模袋布质量600g/m2，模袋步的技术参数，见表1。实际工程中，模袋混凝土抗冻等级F200，标号≥C25。

表1 模袋步的技术参数

1 植筋式模袋混凝土分析

1.1 适用性分析

由于具有诸多优点，模袋混凝土被广泛应用于堤防护坡、堤坝加固等水利工程领域，但应用于北方寒区时表现出许多不足之处[5-6]。冬季北方寒区极其寒冷，随着纬度的升高极端最低气温甚至可以达到零下几十度，库面、湖区以及河流普遍出现结冰现象，混凝土模袋护坡受冰层产生的冰推力作用发生明显的破坏。冰推力有静冰压力和动冰压力两种形式，其中静冰压力是指冰体受热升温体积膨胀而产生施加于坡面上的作用力，动冰压力是指在风力和水力作用下初春冰层解冻或冰裂成块运动撞击模袋护坡而形成的作用力[7]。因此，模袋混凝土护坡冬季结冰期受坡向冰推力和垂向冰压力双重作用，模袋混凝土结构受两种力的共同作用极易出现横向断裂，模袋混凝土护坡，见图1。

图1 模袋混凝土护坡

模袋混凝土护坡断裂后会严重破坏结构的整体性，并且模袋底部垫层受水流沿裂缝侵入淘刷作用，甚至淘刷底坡土体引起护坡错位、塌陷，模袋混凝土逐渐失去防护功能[8]。

1.2 优化改造

根据北方寒区实际情况和模袋混凝土特点，为合理利用水下适应性好、施工简便的优势，从根本上解决寒区模袋应用受限问题，进一步提高护坡结构的整体强度，结合工程实践经验提出内设钢筋改善防护能力的方法[9]。该结构型式可以有效抵抗冰推力作用，明显提高混凝土模袋结构的抗剪及抗拉性能；此外，模袋内增加钢筋有利于延长结构的使用寿命，通过抵抗坡面不均匀沉降带来的弯曲应力确保模袋护坡结构的整体稳定。

固结硬化后的模袋混凝土结构与素混凝土板式护坡相类似，薄厚间隔呈波浪状的布置形式，受外力作用极易发生断裂[10]。为增加模袋混凝土的抗剪性能和整体强度，浇筑前将一根顺坡向钢筋增设于模袋混凝土内部，以钢筋混凝土结构替代素混凝土模袋，从而保证混凝土模袋抗剪、抗拉性能能够得到明显的提升，植筋式模袋混凝土结构型式，见图2。

图2 植筋式模袋混凝土结构型式

模袋混凝土充灌成型后，单拢模袋横截面结构形态整体呈上部圆弧、底部偏平状[11-12]。因此，如何有效固定纵筋是实现钢筋混凝土化亟待解决的首要问题，为保证浇筑过程中植入的纵筋不脱落至模袋底部需要设置多个环向支架，将径向支杆设置于支架内以保证纵向钢筋的稳定支撑。根据护坡长度合理确定环向支架的数量，相邻支架间距一般为2m。在混凝土充灌至模袋之前，从上部进料口把绑扎支架的纵向钢筋插入模袋内部，以此达到加筋模袋的目的[13]。实际工程中，一般以Φ12号钢筋作为纵向钢筋，纵筋间距以0.3m最佳，按照单拢间隔布设钢筋，植筋式模袋混凝土剖面图，见图3。

(a)A-A剖面

(b)B-B剖面

2 工程应用

双台子河闸位于盘锦市东郊，河口距离闸址57.3mm，建于感潮河段末端，属于辽河下游的重要枢纽工程。双台子河闸的主要功能是调蓄水量，净化水质，防海潮倒灌，提升闸上水位，确保沿岸4.93万hm2水田用水和近4.33万hm2芦苇的灌溉用水以及城市部分工业、居民用水，工程建成运行后每年可供水量达8亿m3，为盘锦市的开发建设发挥极其重要的作用。

在选择两侧挡水横堤坡面防护型式时，比选了植筋式混凝土模袋护坡、绿滨垫护坡以及混凝土板护坡，综合考虑冻融破坏、耐久性和经济性等因素最终选用植筋式模袋混凝土护坡，挡水横堤坡面防护图，见图4。膜袋混凝土抗冲刷、放浪护坡，有利于减少施工期干扰和后期日常管理，加快施工进度，降低护坡后期维护工程量和工程投资成本。膜袋混凝土的整体性较好，具有防护效果好、抗冲能力强、流线型结构明显等特点，对提高护坡安全度和发挥抗浪减压作用具有重要作用，近几年运行表明该工程安全可靠。

图4 挡水横堤坡面防护图

以带平台的复合斜坡堤作为迎水坡堤防断面形式，堤顶与堤脚高程分别为22.80m、17.30m，堤顶宽8.5m，平台宽2.5m，平台高程20.80m，平台上、下坡比2.5。植筋式模袋混凝土护坡位于平台高程以下坡面，厚度20cm，将Φ12螺纹钢筋和多个环形支架插入模袋内部，相邻钢筋间距30cm，采用20cm×30cm钢筋混凝土对模袋混凝土顶部封顶，用六角形混凝土框格对平台以上斜坡坡面进行护坡，厚度为20cm，内部空隙植草。采用粗料石(厚30cm)和沙砾料垫层(厚20cm)铺平台处路面，框格混凝土和模袋护坡标准断面水平投影长为5.25m、8.72m。模袋混凝土的抗冻等级F200、抗渗等级W6、强度等级C30，采用沥青模板每隔15m对模袋混凝土分缝，为防止堤身填料析出分缝处设置宽1m的400g/m2土工布。

建成投入运行后，双台子河闸的植筋式模袋混凝土护坡经历了多个冰冻期的考验，护坡结构未发生错位断裂现象，结构整体完整，植筋式模袋混凝土具有较好的防护作用，从根本上解决了北方寒区河闸坡面防护易破坏、易损坏的问题，工程实用效果和经济效益显著。

虽然，在北方寒区堤坝坡面防护中植筋式模袋混凝土具有较好的实用效果，但仍未解决传统模袋护坡硬化、膜白化的问题[14]。所以，在工程设计时必须考虑生态性、耐久性等要求，针对水位变动区以上和以下部位优先选用生态防护措施、植筋式模袋混凝土防护[15-17]。此外，长期使用时机织模袋易风化，在一定程度上污染水生态环境，对此应加强研究新型生态材料，将现有机织模袋利用可降解的材料替代，从而满足生态要求。

3 结 论

文章将纵向加强筋植入模袋混凝土，以此延长模袋混凝土使用寿命以及增强其受剪抗弯性能，并以双台子河闸工程为例探讨了其技术参数和实用效果。结果发现，植筋式模袋混凝土具有较好的防护作用，从根本上解决了北方寒区河闸坡面防护易破坏、易损坏的问题，工程实用效果和经济效益显著。然而，该护坡材料仍未解决传统模袋护坡硬化、膜白化的问题，工程设计时必须考虑生态性、耐久性等要求合理选用材料。