生态格网技术在工程防护中的结构设计探讨

2017-01-20卫学文

山西水利 2016年5期

关键词：格网网箱黏性

卫学文

（1.太原理工大学，山西太原 030024；2.山西水务投资集团有限公司，山西太原 030002）

生态格网技术在工程防护中的结构设计探讨

卫学文1，2

（1.太原理工大学，山西太原 030024；2.山西水务投资集团有限公司，山西太原 030002）

生态格网结构广泛应用于水利工程堤坡防护，具有生态环保、消浪性能优异以及造价低等优点，是未来水利工程防护的一个重要方向。针对生态格网的结构设计，提出了网箱挡土墙的设计及验算方法，以为类似工程提供参考。

网箱挡土墙；堤坡防护；结构设计

1 引言

中小河流治理是山西省防洪工程建设的重要任务之一，也是地方生态建设及城镇综合治理的重要内容。随着水利部“睡堤唤醒”计划的实施，河道岸墙也逐步采用柔性结构替换硬质岸坡。生态格网以其生态环保、整体性、柔软性、消浪性能优异、透水性、耐久性、造价低等优点得到了广泛应用。针对生态格网的结构设计，提出了设计及验算方法。

2 网箱挡土墙设计

2.1 适用条件

当空间有限，需要防护的岸坡坡度大于1∶1.5，或河道整治时需要护坡，则采用网箱挡土墙。

2.2 结构设计

网箱挡土墙的设计和大体积重力墙一样，适用标准的土力学原理，用于河道护岸工程可参考《堤防工程设计规范》。

2.2.1 构造形式

典型构造形式包括河道整治挡墙、墙背台阶式低挡土墙或高挡土墙和坡面挡土墙三种型式。网箱挡墙需建造在坚实的基础上。

2.2.2 边界处理

应特别注意网箱挡墙边界及坡脚，护坡的上游及下游需设置扶壁，扶壁应设置在距离上下游边界3.6～5.5m处，深入河岸至少5.5m。

护坡坡脚需要保护，施工时将网箱挡墙的基础设置在预期冲刷深度之下。当难以预测冲刷深度或河床经常出现起伏，推荐采用网垫护坦。护坦最小长度等于1.5倍护坦下预期冲刷深度，当局部冲刷深度不确定时，应相应增加护坦长度。

2.2.3 填料、滤层要求

选择合适的挡土墙后回填料，以满足墙后填土的排水。网箱结构的透水性允许所防护的河堤自然透水。但从网箱挡墙滤出的土料会出现堵塞，因此回填土应采用允许自由排水的粒状材料。填料应包括5～30cm厚的分级碎石，后铺设一层细粒料垫层。

2.3 土压力计算

2.3.1 非黏性土土压力

网箱挡墙墙后填土为非黏性土时，可采用标准的库仑公式计算。

2.3.2 黏性土土压力

目前常用的计算黏性土土压力方法为数解法。

数解法对库仑理论进行改进，考虑土的黏聚力作用是以平面滑裂面假定为基础的黏性土、粉土主动土压力数值计算法。根据《建筑地基基础设计规范》采用数解法。

黏性土主动土压力系数按下式计算：

式中：Kα——主动土压力系数；

Kq——被动土压力系数；

q——地表均布荷载；

α——墙背与水平面的夹角；

β——填土表面与水平面之间的夹角；

φ——墙后填土破坏角与水平面夹角；

δ——墙背与填土之间的内摩擦角；

η——影响系数；

c——填土黏聚力；

γ——填土重度；

H——挡土墙高度。

数解法适用于填土表面为倾斜平面，其上作用有均布超载的一般情况。

2.4 稳定验算

网箱挡土墙稳定验算需考虑倾覆、滑移、基础稳定性、整体滑动、挡墙局部变形或破坏等。

2.4.1 抗倾稳定性

由于生态格网结构具有透水性，无需考虑墙后的剩余水压力作用。按绕墙趾转动校核，计算抗倾安全系数。

2.4.2 抗滑稳定性

通过将回填土产生的推力与基础产生的摩擦力及黏聚力比较，校核挡墙的抗滑能力。

2.4.3 基底压应力验算

进行基础稳定性验算时先确定基底合力的偏心距，根据偏心距判断基底的应力情况，计算荷载作用下挡土墙墙趾和墙踵下土的应力，一般要求在底板中间的1/3范围内，同时满足基础底面的最大、最小应力。基底最大应力不应超过基底允许承载力，最大、最小应力之比，黏土宜取1.5～2.5，砂土宜取2.0～3.0。

2.4.4 整体抗滑稳定性

土基上的网箱挡土墙除需考虑沿基底面的抗滑稳定外，还应核算墙体与基础整体的抗滑稳定性。抗滑稳定验算采用瑞典圆弧滑动法。

2.4.5 局部破坏

选择墙身截面变化处作以下校核：墙体内部由于剪破坏引起的滑移，墙体转动破坏引起的倾覆，墙体内部压应力。

3 生态格网设计要求

3.1 生态格网材料

所有钢丝（网丝、边丝、扎丝）的检测都应在生态格网编织前进行，钢丝抗拉强度介于350～520MPa；延伸率不得小于12%；钢丝最低镀锌量或镀铝锌量应满足《河湖生态保护与修复材料应用技术规范》要求；将钢丝围绕4倍直径的芯轴缠6圈，用尖针刮擦镀层，不会剥落或产生裂缝。

3.2 填石

网箱中填料粒径150～300mm，网垫中填料粒径75～150mm；填充石料需密实、坚硬、新鲜、抗风化，表层不能风化、带土，且小于网目大小的石料不得超过15%；每组网箱空间须同时均匀投料，每层填筑厚度20～30cm，并以机械或人工整平；填充石料如有缝隙，须以小石料填塞，外部裸露部位的石料须以人工砌垒、摆放整齐，以求美观。沿高度方向每25～30cm设一道水平拉筋，每一拉筋处以两网目为间距，向内拉筋并绞紧拉筋，每平方米内4处，以正反八字形设置。

3.3 滤层

网箱结构必须使用土工织物滤层，铺设在网箱及土的界面，主要是起到隔离、排水和反滤功能。通常情况下，织造型（有纺）土工织物不适用于网箱结构。非织造型（无纺）土工织物具有高能量吸收、坚固、防损伤能力，适合用于网箱结构。土工织物应结实、渗透性好、抗冲磨，以确保在有悬浮沉积物的河道中织物丝不会缠结。

网箱结构的滤层也可选择铺设一层10～15cm厚的砾石层。

用作反滤层的土工织物，首先要满足保土性、透水性、防堵性等反滤准则，其次土工织物强度应能承受施工应力和可能遇到的其他荷载。

4 生态格网结构优势

4.1 生态优势

格网石笼的空洞约为10%～15%，利于水、空气和植物相互作用，且孔隙内挂於后，植物可以在其中生长。同时空洞可作为鱼、蛙等水生动物产卵地，对微生物的繁殖十分有利，属生态型结构。

4.2 结构优势

格网石笼为柔性结构，对地基的适应性强，可大大降低地基处理费用；格网石笼不需要胶结材料，施工工艺简单，不受天气、气温的限制，施工速度快；格网石笼的网材为专业生产厂家成品供应，质量有保证；格网石笼结构的孔隙较大，排水条件好，适应抗冰冻和冻涨性能好，且有消浪作用，可减小波浪爬高。

4.3 耐久优势

生态格网结构钢丝在应用中表层与酸性空气、水、土以及盐接触，可能产生腐蚀。为了延长笼网使用寿命，钢丝在编织前需要进行镀锌或镀锌铝，镀层厚度要大于规范要求值。通过盐雾试验，其使用寿命可达到40～50年，耐久性较好。且通过大自然的作用，石块之间的空隙会被土填充，植物根系通过石块之间的土深深扎入边坡，形成一个稳定边坡。

增强结构的稳定性，增强抵抗水流冲蚀能力。

4.4 成本优势

生态格网结构钢丝可在工厂规模化生产，成本较低；成捆或成卷包装，运输工作量小、费用低；填料可就地取用；现场不需水、电，对场地、设备的要求较低。场地狭小或工程量较小时，不需要机械设备，人工施工即可。可方便进行水下施工；对气候无特殊要求，酷暑寒冬及雨天对施工质量无影响。