铰接式护坡系统在中国发展研究思路

铰接式护坡系统在中国发展研究思路
南京优凝舒布洛克公司 程卫国 沈阳农业大学 宓永宁
一、研究的目的与意义
目前在堤防工程的护坡工程常采用抛石、干砌块石、浆砌块石、混凝土和钢筋混凝土板护坡等型式，其作用主要是抵御风浪冲击，防止坡面被雨水冲刷，防止堤防粘性土发生冻胀和干裂，防止非粘土被风吹散以及防止动物的破坏。实践表明，这些护坡形式在实际应用中存在以下问题：（1）抛石护坡有其明显的不足：首先，由于块石是一种散粒结构，没有整体性，在河床随水流的调整过程中，块石随河床的变形发生滚动移位，部分块石会散失，影响护岸工程的稳定和整体护岸的效果，所以抛石护岸需经常维护加固；其次，对某些堤外无滩、深泓逼岸、迎流顶冲的岸段，防洪堤(墙)紧邻河岸，岸线的任何崩退都有可能带来灾难性的后果，要求护岸工程做到一次稳定，此时抛石往往达不到预期的效果；再其次，人为因素太多，质量很难控制，偷工减料已成为抛石过程中极为常见的现象。(2)预制混凝土板护坡由混凝土板块拼装而成，由于块体之间独立工作，整体性较差；现场就近浇制，施工质量难以保证，一般现浇板尺寸较大，常因堤防的不均匀沉陷而产生裂缝。(3)浆砌块石护坡，由于不适应地基沉降和无法检查其堤坝所存在的安全隐患。加之上述三种形式护坡的厚度都较大。总之，它们都存在下面一些致命的缺陷：总体成本高；不易种草、绿化，生态效果差；耐久性差，对河道小规模变形的适应性差，遇到不好的土质、沉陷、膨胀土、堤防塌陷、结冰隆起或水的扬压力时容易发生局部破坏或结构不稳定性；刚性衬砌面一旦发生局部破坏，容易发生大面积的破坏，易导致下面的土壤侵蚀，因为宽大的破碎板块在水流作用下很容易移走。
为了改善上述护坡的不足之处，人们研究了一种适应较好的护坡形式——铰链式护坡系统。铰链式护坡系统是一种连锁型预制高强混凝土块铺面系统，作为传统浆砌块石护坡的代替品，其产品采用工厂化全自动设备生产，高温蒸汽养护而成。铰链式护坡混凝土块有两种主要类型：中间开孔式和中间封闭式，两种类型的混凝土块都有不同的尺寸和厚度以适应各种水流情况。施工方法是在工厂将一组尺寸、形状和重量一致的预制混凝土块用一系列绳索相互连接而形成的连锁型柔性矩阵，在其下面铺好符合土质要求的反滤土工布后，用铁丝将土工布和柔性矩阵相扣，运至施工现场进行吊装，然后将安装好的一块块矩阵用锁扣连成一个整体；另一种施工在坡面或冰上铺设反滤土工布后，把块体按要求排列安装到位，然后开始穿绳索，并用绳索和锚扣将整个工程的铺面连成一个整体。
随着混凝土砌块制造技术水平的提高，铰链式护坡将成为海岸、河道、湖泊、水库、渠道、管道和光缆等护砌工程的主要护坡形式，与其它护坡形式相比，其主要特点如下：
1．具有整体护坡性质：铰链式护坡是以人工预制混凝土砌块作为护面层单元的一种铺砌式斜坡保护结构，虽然本质上属散体护坡，但规则的块型和一定的铺砌方式，使相邻砌块可以相互作用共同抵御波浪和水流的冲击。
2．防冻胀性能好：护坡用砌块平面尺寸较小，多为几十厘米，厚度在0．1～0．5m左右，因而有一定的柔性。砌块之间用用铰链连接，能较好地适应温度变化，防冻胀性能好。
3．各项性能指标易于控制：砌块的强度、抗冻、渗透性能指标可选择不同的原材料来满足不同的设计要求。铰链式护坡技术可用于防止土壤被冲刷引起的流失，该系统结合了传统柔性护坡系统的优点，如：渗水、柔性、能植草并改善生态环境，又具有刚性护坡系统的防冲刷、稳定、抗高切应力等优点。砌块规格、尺寸也可按需设计生产。
4．施工效率高：砌块形状规则，尺寸统一，可以利用先进的砌块成型设备大批量生产，速度快，质量稳定，施工受天气影响小，无需围堰，直接吊装，因而施工效率高。特别对护砌量大或应急防洪，工期紧的护坡工程优势更为突出。铰接式混凝土块施工方便快捷，所以可以节省总工程投资。与其它护坡措施相比，采用该技术进行护坡施工具有成本低廉，工程寿命长，后期维护费用低。
5．整体美观，生态环境效益好：在河道大面积推广和使用铰链式护坡系统，可使河流与其上下游、左右岸的生物群落依然处于一个完整的生态系统中，形成新型的“河流生态廊道”；铰链式护坡系统为柔性结构可保留江河湖泊原有的自然形态，保留或恢复其蜿蜒性或分汊散乱状态；块体间留有孔隙，为生物的生长发育提供栖息地，发挥河流的自净化功能；为植被生长创造条件，保持河流的侧向联通性。可以通过砌块形状的选择、铺砌方式的组合及砌块颜色的变化，就象织地毯一样，将每一个护坡工程都编织成为一道亮丽的风景线。二、内外研究概况、水平和发展趋势
铰接式护土砌块是一种混凝土成型工艺，在工程中有较多应用。其中铰接式护坡是一种连锁型预制高强混凝土块铺面系统，作为防止土壤冲刷的有效措施，从八十年代中期开始已在欧美国家得到的应用，称为铰接式护坡系统。铰接式护坡系统是由一组尺寸、形状和重量一致的预制混凝土块用一系列绳索相互连接而形成的连锁型矩阵。
从1983年开始，以美国联邦交通管理局（FHWA）为首的一组联邦机构针对各种防冲刷铺面系统的工作性能和可靠度进行了多年的研究和测试。研究计划在1989年6月全面完成，其中最后两年专门进行了连锁型混凝土块铺面系统的研究。在美国为这方面投入精力的同时，英国水力学家也在进行类似的研究和实验工作。这些研究结果给予了连锁型混凝土块铺面系统在水流作用下定性和定量的认识，为确定有效正确的设计方法提供依据。下面列出了近几年在欧美国家对铰接式护坡连锁型混凝土铺面系统进行的实验和研究：
⑴ Tetratech 式样测试- 加利福尼亚, 美国；
(2)Leylstad 野外试验, 荷兰- Rijkswaterstaat 董事会Zuiderzee Project 1982 年；
（3）"设计植草加固航路,"CIRIA 报告 116,1987；
(4) "在高速流量的时候将堤防减到损害最少，,"FHWA 报告-RD-88-181
(5)"在大流量时铰接式护坡块护岸系统的水力稳定性," FHWA 报告
铰接式护坡铺面系统的设计是在传统流体力学的基础上，利用多年来欧美国家进行的大量现场和模型试验得出的结果而得到的。铰接式护坡混凝土块型号的选择主要取决于下列因素：
⑴基础土的类型：挖方、填方或压实土；
(2)波浪和或水文参数；
(3)生态景观设计特别要求。
在欧美国家进行的大量实验研究表明铰接式护坡铺面系统的稳定性与水流应力的大小有关，而过流时间的长短无关，这样就证实“极限应力”为可靠的稳定分析标准。英国和美国的专家组对连锁型铺面系统的破坏给予了既保守又符合实际的定义：当连锁型铺面系统与它所保护的土体之间失去紧密的接触时认为铺面系统已破坏。在下列情况下铰接式护坡铺面系统可能失去与基础土的接触：
⑴水流进入铺面层下面，增加对铰接式护坡块体的浮力使块体与基层分开；
⑵由于连续的管涌或冲刷丢失大量地基土；
⑶地基土的快速饱和液化引起浅层滑坡（主要在陡坡上的淤泥含量高的土体中发生）；
⑷从铺面矩阵中丢失一个或多个块体（主要在不使用绳索的铺面系统中发生）。
(5)渠道（河道）过水断面几何参数和河底坡度；
因此铰接式护坡块体的选择、设计和安装都要着重考虑保持铺面系统与基层土体之间紧密的接触。铰接式护坡系统的主要设计原理是：当给定渠道过水断面的几何参数和纵向坡度时设计水流所引起的应力作用下铰接式护坡单块不脱离基土；采用传统的安全系数法。设计中另外考虑由于施工上的误差而个别块凸出来时所引起的附加力。虽然下面几个因素对铰接式护坡系统的稳定有一定的帮助，但是在设计中均忽略其任何影响：
⑴铰接式护坡块体用一系列绳索连接起来，增加铺面系统的整体性，防止个别块体从系统中丢失；
⑵铰接式护坡块体内或相邻块体之间的孔隙内种草，草根增加铺面系统与土基之间的连接力；
⑶铰接式护坡块体在坡道顶部锚固在土体内，防止铺面系统沿着坡道或纵向滑动。
以上几个对稳定有利的因素在设计中均不考虑，偏于保守、偏于安全。
铰接式护坡护坡护底铺面系统的主要优点：
⑴铰接式护坡铺面系统遇到渠道小规模变形（由沉陷、结冰、滑坡、膨胀土 等引起的）时候具有高度的适应性；
⑵抗冲刷能力强，高速水流以及其它恶劣环境下保持完整的面层，不让下面的土体被侵蚀；
⑶施工简便：新旧堤防都能用，可以人工铺设也可以采用机械化施工，并可以在水下施工；
⑷最陡的边坡坡度可达1:1，并且可以在高速水流引起的高切应力下安全地工作；
⑸铰接式护坡混凝土块本身强度、密实度高，具有很强的抗冲击能力；
⑹虽然用绳索连接各独立块，在一定程度上可以提高铺面系统的整体稳定性。但选择铰接式护坡系统中混凝土块（设计）时忽略了绳索的影响，以单块稳定为设计依据，所以万一绳索出现问题不会影响系统的工作性能。绳索的主要作用是提高施工精度，保证各独立块位置的正确性，防止出现由于各别块的移走或偷窃而引起整体系统不稳定，和帮助实现机械化施工。
利用国外先进的混凝土砌块生产设备，大规模制做混凝土砌块运用到堤坝护坡上， 目前在我国尚处于起步阶段。南京优凝舒布洛克公司引进该系统以来，已在长江流域下游和辽宁地区得到了一些应用和相关研究；总体来讲对铰接式护土、护坡系统应用很少。目前，只有南京优凝舒布洛克公司、南京水利科学研究院、沈阳农业大学、黑龙江水利科学研究院等单位对铰接式混凝土护坡的进行试验研究，其它的内容目前只是针对具体的各个工程做了简要的分析，处在观测阶段，还没有比较系统的研究。特别是在北方地区该系统的应用尚缺乏长期定点的观测数据，没有进行系统的科学分析和验证，使其应用受到一定限制。为此水利部将南京优凝舒布洛克公司引进的铰接式体系列入2006年国家“948”科研计划项目。

三、研究的主要内容
通过对护岸工程铰接式护土砌块整体护坡系统进行长期的定点试验及监测及室内试验，得出各种主要参数和计算方法，给出该工程的稳定性报告并预测未来变化趋势；得出在北方寒冷地区特别是有冻胀环境条件下，铺筑效果及应用前景的科学分析。
(1) 观测铰接式混凝土护坡系统的位移、变形；
（2）护坡土层和混凝土砌块的稳定性分析；稳定性计算：计算单块混凝土砌块的稳定性，采用假设水流对单块试块的的拖力和浮力相等的方法，这个假设偏于安全。护坡土的稳定性，采用瑞典圆弧法并采用有限元分析。
(3)护坡土层和混凝土砌块的冻胀分析；材料本身耐久性（包括抗冻、冻胀）：其中抗冻采用快速冻融循环法（每25次循环测试各指标），强度使用超生波脉冲法测强度，利用动弹模量和频率考虑材料的冻融指标。冻胀主要根据观测点的实际观测情况来考虑。
(4) 混凝土砌块抗冲刷性能分析；
①现场观测不同水文条件下冲刷及治理管涌应用情况；
②实验室模拟：采用不同比例、变水头、挟砂条件下的水力冲刷实验。
(5)结构优化：根据室内外试验及观测结果，在铰接式混凝土砌块厚度、质量等方面得出系列优化结构。
（6）分析铰接式护坡系统应用的生态效果和减少淤泥堆积程度。
（7）海底管道和光缆保护。
（8）沼泽地临时通道等国防工程分析
四、创新点与特色
铰链式混凝土砌块整体护坡问世时间较短，在国内、特别是北方地区应用很少，很多问题尚未得到验证，本课题结合实际护岸工程长期的跟踪监测，对该系统的在理论上及实际应用方面得出较全面的科学分析并提出改进措施，为该系统的推广应用提供科学依据。
（1）铰链式混凝土砌块整体护坡稳定性分析在国内很少见报导，对铰接结构护土、护坡系统的研究尚未见文献介绍，其研究具有一定的创新性；
（2）本研究开创了铰链式混凝土砌块整体护坡在寒冷地区、大坡度、大面积应用的先河，其研究具有较高的实用价值和广阔的应用前景；
（3）本研究中通过长期对铰链式混凝土砌块整体护坡的观测结果进行的位移、变形及铰索、护脚等方面的综合分析计算具有较高的理论意义。
（4）本研究中利用反滤土工布解决城市河道淤泥堆积和清理淤泥对生态的破坏作用
（5）本研究开拓了国内混凝土砌块的应用领域。
注：联系作者：南京市中山路81号华夏厦2408（210005）邮箱： sunking58@263.net