蜂巢约束在新曙光水库水毁修复工程中的应用

孙艳坤

(齐齐哈尔市水利科学研究院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

0 引 言

蜂巢约束系统是用高分子纳米合金片材经超声波焊接而成的柔性三维网状物，在其格室内填充泥土、沙石或混凝土等材料构成具有强大侧向限制和刚度的结构。

蜂巢约束系统是一种新兴的材料，主要应用于农业灌溉系统改造、城市黑臭水体改造、公路路基建设、铁路及水利工程边坡防护建设、城镇生态园林绿化、海绵城市改造等领域，是继木材、钢筋、混凝土后第四大革命性建材，也是当今解决土体稳固难题较先进的生态工程材料。近年来在产品设计(组件)、工程设计、施工技术等方面均取得巨大进步，其普遍适用性使其在工程中应用发展迅速[1]。

文章就蜂巢约束系统在新曙光水库背水侧坝坡水毁修复工程中的应用进行介绍和分析。

1 工程概况

新曙光水库位于克山县河南乡文化村西约1km，乌裕尔河左岸一级支流幸福沟上，距克山县城东南约9km，水库控制流域面积42.4km2，总库容455.58万m3。工程防洪标准为10a一遇洪水设计，50a一遇洪水校核，工程为Ⅳ等4级。是一座灌溉为主，兼顾防洪、养鱼等综合利用的小(1)型水库。水库保护下游3个村屯，1万亩耕地及碾北公路。

新曙光水库始建于1958年，水库工程由大坝、泄洪洞(结合灌溉耳洞)组成。大坝为均质黏土坝，坝长941m，土坝现状断面较规则，最大坝高9.48m，平均坝顶宽度11.22m，大坝迎水侧有干砌石护坡，护坡较完整，但局部块石散乱，背水侧有草皮护坡。泄洪闸为开敞式钢筋混凝土结构。

2 水库大坝水毁情况

在日常巡视时新曙光水库管理人员发现大坝桩号0+688-0+718处大坝背水坡出现脱坡现象，脱坡面积约200m2，脱坡土层厚度0.6m-1.0m；大坝桩号0+194附近大坝背水坡出现平行于大坝方向的纵向裂缝，裂缝宽度约为8cm，出现脱坡征兆。经技术人员现场踏查及地质勘察，大坝背水坡坡面较陡，边坡比约1∶2左右，且背水坡坡面局部不平整，塌坡部位坝体深度1.60m以上为混合坝，土质不均，成分较复杂，结构松散，其低液限黏土干密度低，该深度内坝体压实度较差。水库大坝0+220-0+750下游坡脚处，普遍存在表层饱和低液限黏土，呈流塑状态。

结合地质钻探工作，分析认为大坝背水侧边坡水毁原因主要为大坝背水侧边坡较陡，且背水侧坝坡土体局部有薄弱层，经雨水作用产生塌坡。下游坡脚处饱和黏性土成因系由于坡脚低洼处常年积水浸润形成。

经过分析，对水毁坝段处理措施为对大坝背水侧边坡进行整形、对坝体薄弱层进行换填，同时大坝背水坡采取防护措施。即在保证坝顶宽度8m的前提下，对背水侧坝肩进行削坡，以使坝坡达到设计边坡比1∶3；结合地质剖面图，把不符合坝体填土要求的土体挖除，换填黏性土并碾压；对大坝水毁的背水坡采用蜂巢约束系统进行边坡防护[2]。

3 蜂巢约束系统生态护坡工程设计

背水侧护坡工程位于大坝桩号0+220-0+820，长600m，护坡型式采用蜂巢约束系统生态护坡。蜂巢约束系统护坡格室高度为15cm，格室内采用黏性土填充，上部覆盖5cm腐殖土。护坡顶采用0.5m宽封顶，护坡底采用1.0m宽平段，填充及覆土均同蜂巢约束护坡坡面。腐殖土表面均撒播草种，撒播密度≥80kg/hm2。

蜂巢格室高度15cm，允许偏差±2%；焊缝间距712mm，允许偏差±2.5%；格室尺寸448×520mm，允许偏差±3%；格式面积1165cm2，允许偏差±1%。土工格室采用高分子纳米复合合金(PCA)材质，PCA材料性能见表1，PCA格室性能见表2[3]。

表1 PCA材料性能表

锚杆采用热轧带肋钢筋锚杆与限位帽组合成专用锚杆，锚杆长100cm，锚杆直径12mm，锚杆密度1个/m2。限位帽规格SC12，采用PCA材质，抗压强度≥655MPa。格室连接采用连接键连接，型号CT，采用尼龙材质，抗拉屈服强度≥10kN。限位帽、连接键外形尺寸按《蜂巢约束系统护坡应用技术导则》(DB23/T1662-2015)要求制作，见2和图3。

表2 PCA格室性能表

图2 限位帽 图3 连接键

根据《蜂巢约束系统护坡应用技术导则》(DB 23/T1662-2015)，锚固设置用下式计算：

F=k×(H×l×γ×l×P)×(sinβ-cosβtanφ)

(1)

式中：F为单位宽度净滑动力，kN/m；k为安全系数，取2.0；H为格式高度，取0.15m；γ为格式填料容重，18.9kN/m3；l为坡长，23m；P为附加静荷载，kN/m2；β为坡角；φ为填料的内摩擦角，17.5°。

经过计算，单位宽度净滑动力为0.129，为正值，需要采取措施。

每延米锚杆数量按下式计算：

(2)

式中：NA为单位宽度锚杆数量，根/m；PP为锚杆抗拔力，kN。

经过计算，每延米锚杆数量为0.01。

设计锚杆采用热轧带肋钢筋锚杆与限位帽组合成专用锚杆，锚杆长100cm，锚杆直径12mm，锚杆密度1个/m2。

植草要求：格室内填充植草土并播撒草种，填土应高于格室5cm。植草要求覆盖率95%以上(允许偏差±3%)，撒播密度≥80kg/hm2。植草前应对草籽进行现场发芽试验，以确定合适的草籽和播种量。草籽可选用耐瘠薄的草木樨、苜蓿、披碱草、紫羊茅、早熟禾、芨芨草等。

5 结 语

蜂巢约束系统是现今工程建设中应对土体稳定与强化难题的生态、经济的革命性材料。通过系统中相互连接的巢室所形成的高强度三维网格来约束和稳定土体，显著提高了土体稳定性。在承载、护坡、河渠保护、以及植被挡土墙(土体拦固)等应用中，该系统提供了一种能有效解决具有挑战性的土体稳定难题的生态、环保、快捷、经济的解决方案。蜂巢约束系统不但工艺简单，便于施工，对气候要求不高，施工期长，而且做成护坡之后美观稳定，对于水库坝坡修复效果颇佳。