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(4-1)
| 第三节 江河岸坡与丁坝护脚工程 | |
| 第四节 防冻工程 |
水利工程的防护包含多方面的内容，概而言之，凡是防止水流或其他外界作用的有害影响，保护结构物或天然河岸不受破坏而采取的各种工程措施都属于防护工程的范畴。本章仅就应用土工合成材料防止水流和波浪对堤岸基土的冲蚀以及防治基土的冻胀对建筑物的破坏两方面加以论述。
一、堤岸防护
江河湖海岸坡和堤防岸坡的防护主要是防止水流和波浪对岸坡基土的冲蚀和淘刷造成的侵蚀、塌岸等现象。堤岸防护应根据防洪规划和河流治导线的要求，并按因势利导的原则，根据具体条件确定工程布局、形式和适宜的材料。
护岸工程一般是布设在受水流冲刷严重的险工险段，其长度一般应从开始塌岸处至塌岸终止点，并加一定的安全长度。坡式护岸工程一般以枯水位为界分为两部分，枯水位以上称护坡工程，以下称护脚工程。枯水位的标准通常取多年平均最低水位。护岸工程的原则是先护脚后护坡。
堤岸护坡工程的形式一般可分为以下几种：①坡式护岸，或称平顺护岸，即顺岸坡及坡脚一定范围内覆盖抗冲材料，这种护岸形式对河床边界条件改变和对近岸水流条件的影响均较小，是一种较常采用的形式；②坝式护岸，即修建丁坝，顺坝将水流挑离堤岸，以防止水流、波浪或潮汐对堤岸边坡的冲刷，这种形式多用于游荡性河流的护岸；②墙式护岸，即顺堤岸修筑竖直陡坡式挡墙，这种形式多用于城区河流或海岸防护；④复合形式护岸，如护岸与丁坝、墙式与坡式、打桩等相结合的形式。本章主要介绍土工合成材料在前两种护岸形式中的应用技术，土工合成材料在墙式护岸中的应用可参阅土工合成材料加筋挡墙和墙后排水等有关章节。
江、河、湖、海堤岸护坡的传统结构形式有砌石护坡、堆石护坡、现浇或预制混凝土板护坡等，并在其下设置砂砾石垫层。
堤岸和闸坝底脚冲蚀的防护，几百年来的传统方法是采用梢料、竹、木等材料作成的埽枕、柴排、抛石、铁丝石笼、打木桩等。这些材料护底(脚)的主要不足之处是无反滤保护层或反滤效果差，以及块体间无整体连结，因而，水流仍常常淘刷基土，甚至出现跑坝或破堤的险情。此外，这些材料用量大，料源日益紧缺，难以满足工程需求，也使工程造价提高。
土工合成材料的出现为堤岸的防护开辟了一条新的途径。这种材料用于江河岸坡和闸坝底脚防护具有如下的突出优点：
(1) 土工织物具有良好的透水保土性能，从而有效地保护基土不被冲刷，保证了护底工程的稳定性和可靠性。
(2) 土工织物具有良好的整体性、强度和变形能力，因而可以适应地形的变化，而且可以做成足够大尺寸的沉排，加速护岸工程建设的进程。
(3) 质量轻、运输和施工简便，可以根据具体条件采取水上、水下、冰上、冰下或旱地施工。
(4) 造价低，一般可比传统柴排节省工程费用l/4～1/3或更多，还可解决梢料一类原材料的短缺问题和保护生态环境。
(5) 延长工程使用寿命，大大节省维修工程量和费用。
二、冻胀防治
在我国东北、西北和华北广大的季节性冻土地区，由于地基土冻结过程中的冻胀产生的冻胀力作用，使许多水工建筑物遭到破坏，例如涵闸上抬和开裂、桥梁和渡槽桩基的冻拔、挡墙被推移、护坡和渠道衬砌体的隆起和裂缝等现象相当普遍。
形成土冻胀的基本因素是负温、土质和水分。三者缺一不可，就是说，只要消除或削弱其中的任何一种因素，即可防止或减轻土的冻胀作用。土工合成材料中的硬质聚苯乙烯泡沫塑料板具有质量轻、强度高、吸水性低、隔热性能好、运输和施工方便等优点。国外如日本、加拿大等国家已较早用作水工结构的保温防冻层，我国黑龙江、山东、山西、宁夏和其他一些地区亦已开始用于涵闸、挡墙和渠道衬砌等工程中作为防止或减轻地基土冻结和冻胀的一种保温措施。
近20年来，随着土工合成材料的应用和发展，堤岸护坡结构也发生了重大改进，其中应用最广的是用非织造土工织物代替传统的砂砾石作为滤层，其次是混凝土模袋护坡技术的应用。
一、块石和混凝土板的土工织物滤层护坡
这种滤层护坡的结构一般包括三层，最上一层为块石或混凝土护面层，最下一层紧贴土体的为土工织物滤层，二者之间视具体情况所需，可设置垫层。
(一) 块石和混凝土护面层
在波浪作用下，干砌块石护面的厚度可按下式计算：
|
(4-1) |
式中：t为干砌块石护坡厚度，m；Kl为系数，一般干砌石可取0.266，方石和条石可取0.225；γb为块石的容重，kN/m3；γω为水的容重，kN/m3；H为计算波高，m(d/L≥0.125时，取H4％；d/L＜0.125时，取H13％。d为堤前水深，L为波长)；m为坡率，m＝ctgα(α为斜坡坡角)。
采用抛石或人工块体护面，当边坡系数m＝1.5～5.0时，在波浪作用下，单个块体的质量和护面层厚度可按下式计算：
|
(4-2) |
|
(4-3) |
式中：Q为单个石块质量，t为护面层厚度(当护面由两层块石组成时，块石质量可在0.75～1.25Q范围内，但应有50％以上的块石质量大于Q)；H为计算波高(当平均波高与水深的比值H/d＜0.3时，宜取H5％；当H/d4≥0.3时，宜采用H13％)；n为块石的层数；KD为稳定系数； C为系数，可按表4-1取值。
表4-1 |
抛石护面的KD和C值 |
| 构造形式 | KD | C |
| 块石抛填二层 | 4.0 | 1.0 |
| 块石安放(立放)一层 | 5.5 | 1.3～1.4 |
| 四脚锥体安放二层 | 8.5 | 1.0 |
| 扭工字块体安放二层 | 18(H≥7.5m) 24(H〈7.5m) |
1.2(随机安放) 1.1(规则安放) |
混凝土板整体稳定所需的板厚度可下式计算：
|
(4-4) |
式中：t为混凝土板厚度，m；η为系数，一般开缝板可取0.075；H为计算波高，m(取H1％)；γc为混凝土容重，kN/m3；B为顺坡方向的混凝土板长度，m。
混凝土板护坡除预制板和现浇混凝土板外，还有不同形式的联锁混凝土板。
(二) 护坡垫层
护面块石与土工织物层之间宜设置垫层，其作用一是防止块石棱角在施工和护坡运行过程中刺破土工织物，二是可以均布面层的压力，减少块石空隙，防止织物受波浪力作用局部与基土脱离，此外还可减免阳光穿过块石空隙直射土工织物。垫层的材料以不带尖角的碎石为宜。砌石垫层的厚度不宜过厚或过薄，一般可取10cm左右。抛石护坡垫层的厚度宜适当加厚。其粒径可按下式确定：
| d100〈1/2D50 | (4-5) |
| d50≈1/4D50 | (4-6) |
式中：dl00、d50分别为垫层材料的最大粒径和平均粒径；D50为护面块石的平均块径。
(三) 土工织物滤层
护坡土工织物滤层在侧向或斜向水流和正向波浪作用下工作，因此，土工织物的水力特性应根据基土土质按第二章所述的紊流动力作用下的透水保土准则确定等效孔径和渗透系数。
| 当护面层为混凝土板的情况下，用作滤层的土工织物应采用非织造织物，而且宜全面铺设。这是由于非织造土工织物具有良好的平面透水性，而且有一定厚度，有利于基土的排水，如图4-1所示。如果基土的渗透系数较大(如大于A×10-3cm/s)，可考虑顺板间分缝呈条带状铺设。对于块石护坡和基土渗透系数较大的混凝土板护坡，在确认满足透水保土要求、不至严重淤塞的条件下亦可用织造土工织物作滤层。 |
|
对于特殊土如分散性粘土，用作滤层的土工织物应通过专门试验确定。
土工织物的厚度和强度与工程条件、施工方法有关。从构造要求考虑，采用非织造土工织物时，其单位面积质量一般不应小于400g/m2，抗拉强度不小于10kN/m。织物的原材料以聚酯(PER)和聚丙烯(PP)为主。
(四) 土工织物滤层护坡的抗滑稳定
按极限平衡法计算护坡沿土工织物层的抗滑稳定安全系数：
Fs＝f/tga |
(4-7) |
式中：Fs为安全系数，土基按GB50286—98规定的土堤抗滑稳定安全系数(表4-2)取值；f为垫层材料(或混凝土板)与土工织物或土工织物与坡土之间的摩擦系数；a为堤岸坡角。
表4-2 |
土基上织物滤层护坡安全系数 |
工程等级 |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 防洪标准 [重现期（年）] |
〉100 |
〈100且≥50 | 〈50且≥30 | 〈530且≥20 | 〈20且≥10 |
| 正常运用条件 | 1.35 | 1.3 | 1.25 | 1.2 | 1.15 |
非常运用条件 |
1.2 | 1.15 | 1.1 | 1.05 | 1.05 |
| (五) 土工织物的铺设、连接和锚固 土工织物幅间的连接方法有缝接、搭接或粘接。一般应尽量采用缝接。缝接方式可根据具体情况取图4-2中的一种。搭接宽度不宜小于30cm，搭接方式应采取上游幅的下游边压下游幅的上游边。 |
|
土工织物的铺设方式有顺坡全长铺设和顺水流方向铺设两种。前者往往受施工速度限制，暴露时间过长，后者则需在顺坡方向进行布幅间的连接。因此，应根据具体情况确定铺设方式。当采取顺水流方向铺设时，顺坡方向的幅间缝接强度应大于母体强度的80％。
土工织物在坡顶的一端必须锚因，以加强护坡沿土工织物与基土面之间的抗滑稳定，同时防止堤顶雨水或其他作用对基土的冲蚀和破坏。锚固方式可在护坡顶部挖槽，沿槽边和槽底将土工织物端头铺好，再填土或加石夯实，必要时在槽底中加打短桩。槽深和宽不宜小于40cm。
护坡与下部护脚部分必须连接良好，表面平顺，底部严实，使两部分构成整体护岸结构。护坡段土工织物的坡脚端应与软体排的土工织物排布缝接，并埋入软体排的锚固槽内压紧。无护底软体排的护坡，土工织物在坡脚一端必须压紧在护坡齿墙下面。
(六) 土工织物滤层护坡施工要点
(1) 平整和夯实坡面，清除树根和尖刺物。
(2) 铺设宜在无大风天进行。铺设时顺卷打开，不要牵拉过紧，但也不宜过松，以适应坡面地形变化和紧贴坡面为度。
(3) 不得在坡面上穿硬质带钉鞋行走。
(4) 铺好土工织物后应尽快铺设垫层和面层，不得长时间在阳光下暴露，否则应加覆盖保护。
(5) 块石不得沿土工织物坡面下滚，铺块石时尽可能轻放。
(6) 护面块石应平面朝下，必须砌筑紧密，咬合良好，填缝密实，以保护土工织物和护坡的稳定。
二、混凝土模袋护坡
(一) 模袋的类型和适用条件
混凝土模袋按其充填材料不同分为充填砂浆型和充填混凝土型两种。前者适用于一般坡面、渠道、江河和水库的护坡以及码头工程等，后者适用于有较强水流和波浪作用的岸坡、海堤等。
模袋的类型已如第一章所述，即按所用的材质和加工工艺不同可分为机织模袋和简易模袋。机织模袋主要由锦纶、涤纶和丙纶长丝织物制成，强度高，孔径均匀，充填时基本不漏水泥，可以制成带反滤点形式，可以用泵充灌砂浆或细砾混凝土。简易模袋系我国东北某些省份创造的一种群众性护坡形式，目前均用聚丙烯编织物缝制，袋体本身不具备反滤功能，需在坡面上加铺非织造织物滤层，袋内只充灌砂浆和采取人工自流灌填方式。
机织模袋混凝土护坡可在最大坡度1:1甚至更陡的条件下应用，较佳的坡度为1:1.5，在水中充灌时允许水流流速一般小于1.5m/s。简易模袋混凝土较适于坡度1:1.5～1:3.0的水上或较浅的静水下护坡，其施工设备简单，工程造价较机织模袋低。
国外机织模袋已基本定型化。国内的混凝土模袋技术是从日本引进和研究发展起来的，其种类与国外的相仿。表4-3为国内部分模袋产品及其与日本产品的对照。简易模袋目前只有一种形式，类似于FP型。
表4-3 |
部分土工模袋基本特性表 |
| 型号 | FP-100 | CY-100 | CYZ-3 | WYS-100 | 模S和模C系列 | |
| 原料 | 锦 纶 66 | 锦纶6 | 锦纶+涤纶+丙纶 | |||
| 单层质量(g/m2) | 241.6 | 240.8 | 273.2 | 331.5 | 340.0 | |
| 单层厚度(mm) | 0.334 | 0.356 | 0.485 | 0.536 | 0.55 | |
| 抗拉强度 (n/3cm) |
经向 | 1332～1432 | 1265～1342 | 1427～1546 | 1064～2003 | 1839～2158 |
| 纬向 | 1587～1605 | 1599～1615 | 1478～1482 | 1757～1984 | 1786～2003 | |
| 伸长率(%) | 经向 | 10.3～11.4 | 10.4～12.9 | 12.2～12.5 | 15.8～20.4 | 14.5～21.0 |
| 纬向 | 10.6～10.8 | 10.8～11.0 | 12.2～15.3 | 17.1～18.7 | 16.9～18.5 | |
| 顶破强度(N) | 1546 | 1572 | 1281 | 1584 | 5000 | |
| 等效孔径O90(mm) | 0.1 | 0.12 | 0.12 | 0.091 | 〈0.2且≥0.043 | |
| 渗透系数(cm/s) | 3×10-3 | 1.0×10-2 | 2.87×10-2 | 4×10-3 | 1×10-2 8.6×10-4 |
|
| 灌注后成型厚度 | 砂浆:10cm | 混凝土:15cm | 混凝土:15cm | 砂浆:10cm | 砂浆:10～20cm 混凝土:5～70cm |
|
(二) 模袋混凝土的配合比设计
机织模袋混凝土护坡采用泵送方法施工，要求所用混凝土或水泥砂浆除具有可泵性外，还要具有适宜的流动性，使之在模袋内能顺利流淌扩散，充满整个模袋，不发生分离。因此，对其材料的配合比和外加剂的应用比一般泵送混凝土要求更高。必要时应根据具体工程情况通过试验确定。
表4-4和表4-5为日本蝶理公司提出的泵送充填料配合比，可供参考。
表4-4 |
充 灌 砂 浆 标准 配 合比 |
| 调合 种类 |
水泥和砂 比率C/S |
水灰比 W/C(%) |
流动值 (s) |
单位质量(kg/m3) | 备注 | ||
| 水泥C | 细粒料S | 水W | |||||
| M-2 M-3 |
1:2.0 1:3.0 |
60 70 |
20±2 | 600 461 |
1200 1383 |
360 323 |
FM=2.8混合剂、AE剂、减水剂 |
| 表4-5 | 充 灌 混 凝 土 配 合 比 |
配合 |
粗粒料 |
坍落度 |
空气 |
水灰比 W/C （%） |
细粒料 |
单位质量（kg/m3） | 备注 |
|||
| 水泥 C |
细粒料S | 粗粒料 G |
水 W |
|||||||
| C-10 C-15 |
10 15 |
23±2 | 8 7 |
65 | 65 60 |
382 365 |
938 963 |
637 654 |
248 237 |
混合剂、AE剂、减水剂 |
| C-25 C-25W |
25 | 21±2 | 5 | 65 55 |
50 55 |
326 386 |
851 909 |
867 785 |
212 212 |
|
由于充填料灌入模袋后，其中多余的水分可以从模袋的孔隙中渗出，从而水灰比可降至0.4或更低，使混凝土或砂浆的凝固速度加快，强度大大提高。如表4-4中的M一2砂浆在标准养护条件下，模袋混凝土R28＝54MPa，比普通混凝土强度高50％以上。表4-5中细砾混凝土R28比普通混凝土强度高30％以上。
表中所列的AE剂为复合减水剂，具有引气和减水双重作用。国内有些单位采用PC一2型松香热聚物引气剂，掺量4.5％，含气量5％左右，外加减水剂0.6％左右，视减水剂的具体性能而定。
对于抗冻要求较低的护坡工程，可以考虑掺粉煤灰以降低水泥用量，但要通过试验，且掺量一般不得大于20％。
(三) 模袋混凝土护坡结构设计
1．模袋形式的选择
用于堤岸护坡的混凝土模袋应根据工程等级、施工条件、风浪和水流状况、所能提供的资金和施工设备以及外观要求等确定选用机织模袋或简易模袋。模袋的形式宜选用带排水点型。
2．厚度确定
模袋混凝土护坡主要承受风浪荷载。在寒冷地区还有冬季冰推力作用。抗波浪稳定要求的板厚可按式(4-4)计算。从构造上要求，混凝土护坡的厚度不宜小于10cm。
抗冰冻稳定计算可按护坡混凝土体顺坡整体上报情况和有无配筋两种情况。
为加强混凝土的整体性和抗冰推能力，常常在混凝土中加入一根纵向钢筋。此时，抗冰推计算简图如图4-3所示，稳定按下式计算：
|
(4-8) |
当混凝土中无配筋时，可按式(4-9)计算：
|
(4-9) |
式中： |
|
3．抗滑稳定性校核
按前述块石和混凝土板的抗滑稳定计算方法进行。计算时取模袋与坡面土之间的界面为滑动面进行校核。
4．排渗核算
机织模袋的每个排水点面积仅4cm2，其排渗能力应满足下式要求：
qg≥Fsq |
(4-10) |
qg＝naKgi |
(4-11) |
式中：qg为每延米宽度模袋排水点的单宽排水量，m3/s；Fs为安全系数，可取Fs≥1.2；q为每延米坡长的单宽出流量，m3/s；n为每延米有效排水的排水点个数；a为排水点的面积，m2；Kg为排水点的渗透系数，m/s；i为排水点处的作用平均水力比降。
当排水点的排水能力不足时应加设排水孔。排水孔的间距可取3～4m，孔径可取50mm，孔底应设土工织物滤层。
5．顶部和底脚结构
| 模袋混凝土护坡的顶部应牢固封顶，以防止水流冲蚀坡土，并增加护坡的稳定。封顶形式可采取平封或锚封。平封延伸长度可取0.5～1.0m，锚封入土深度不宜小于0.5m。封顶形式如图4-4(a)所示。底脚必须埋入士中，入土深度不应小于冲刷深度以下0.5m，如图4-4(b)所示。护坡与软体排之间的连接必须平顺整齐，紧密牢固，可按图4-4(c)所示方式将模袋混凝土伸入软体排锚固槽内或贴紧软体排的顶部平台。护坡范围内上下游两侧与不护坡段之间的接头必须处理良好。接头处理可采取顺坡开槽，将模袋混凝土埋人槽中的方式。接头分界处的坡面必须连接平顺。开槽埋入深度上游端不小于0.5m，下游端不小于0.7m。 |  图4-4
模袋混凝土护坡封顶固脚示意图 |
(四) 简易模袋的设计和制作
1．编织物的选择
模袋宜用抗老化聚丙烯织造(编织)型土工织物制作。在保证强度损失不大的条件下，也可选用一般聚丙烯织造土工织物。
渗透系数宜为K＝1×10-2～×10-3cm/s。为了防止漏浆，等效孔径要比细骨料的d85，即允许有少量水泥渗出而不允许砂粒流失。一般取O90＝0.5～0.9mm。
织造土工织物强度T视护坡平均厚度及一次充填高度大小而定。厚度及一次充填高度越大，模袋所承受的压力越大，要求织造土工织物的抗拉强度越高，可以用下式估算：
T＝βγch1h2 |
(4-12) |
式中：β为混凝土或砂浆的侧压力系数，β＝0.8；γc为混凝土或砂浆的容重，kN/m3(砂浆γc＝21.7kN/m3，细砾混凝土γc＝22.7kN/m3)；h1为护坡的最大厚度，m(取平均厚度的1.5倍)；h2为lh内护坡充填高度，m(h2应控制在4～5m)；T为织造土工织物的允许抗拉强度，kN/m[对于平均厚度0.15m的模袋护坡，编织布的要求强度大约在20kN/m左右(应变10％)]。
2．模袋的加工
首先是通过排水点的间距和形状来控制灌填后的平均厚度，其次是考虑织造土工织物的幅宽、纵横向收缩率及边界处理要求，确定每片模袋的总体尺寸，解决总体布局与材料充分利用问题。灌填后模袋的纵向收缩率约为1％，横向收缩率约为5％。
排水点尺寸、间距及上下片横向长度差，可按薄膜克胀成形原理计算或现场充灌和室内试验确定，表4-6为参考尺寸。排水点按空心“十”字花缝合，空心宽2cm，每个排水点的排水面积约20～40cm2。每片模袋在顶都要设一组进料口，进料口处缝上Φ15cm、长50cm的由织造土工织物缝制的软进料管。当模袋长度大于10m时，应在中间加设进料口。每组进料口不少于3个。
| 表4-6 | 排 水 点 的 尺 寸 要 求 |
| 平均厚度 | 排水点间距(cm) | 下片长度 (cm) |
上片长度 (cm) |
排水点尺寸 (cm×cm) |
编织物幅宽 (m) |
|
| 纵距a | 横距b | |||||
| 15 | 60 | 57 | 3×57 | 3×68 | 15×15 | 3.80 |
| 11 | 43 | 39 | 4×39 | 4×51 | 8×8 | 3.64 |
(五) 模袋混凝土护坡施工要点
1．施工准备
包括备足所需材料和设备、平整坡面、现场就位、放线定位、开挖顶脚基槽、测量水下施工水深和流速等。泵送施工主要设备是混凝土(砂浆)搅拌机和混凝土(砂浆)泵等。
2．铺设模袋
机织模袋应在各片连接的底面铺非织造土工织物。各片间连接底面的非织造土工织物采用缝接或搭接，搭接宽度20～30cm，土工织物在坡顶处可用8号铁丝制成的n形钉固定。顺水流方向\铺土工织物时，搭接带亦应固定。简易模袋先铺设非织造土工织物滤层，然后在其上铺模袋。一次铺设土工织物面积的大小根据充灌施工进度确定。
按预定位置顺坡准确展开模袋，扎紧下口，上下两端设桩固定。机织模袋上沿连接松紧器，挂在固定桩上，如图4～5所示。若有配筋时，则在模袋铺开后按要求插入袋内。插筋时应防止刺破模袋。
3．充灌搅拌机的内壁和模袋内事先宜用水适当润湿，再按要求的配比装料搅拌。拌和好的混凝土应测定坍落度，砂浆应测定流动度，合格后才能灌入模袋内。 机织模袋混凝土(砂浆)用特制的灌料泵充填。简易模袋则采用输浆管(Φ5cm塑料薄壁软管)插入模袋进料口将拌好的合格砂浆从出料台灌人模袋内。充填按自下而上和左、右、中的顺序进行。 模袋内有钢筋时，在充填过程中应不使钢筋沉底。充填过程中机织模袋的收缩可由松紧器控制，简易模袋则在灌上部2m模袋时松开上端的固定桩，让模袋沿坡面充分收缩，然后再灌至坡顶。如果设有排水管，可在充灌完成1h后将排水管按设计要求插入。 模袋混凝土充灌过程中主要应注意和解决如下几个问题： (1) 为防止堵塞事故，应随时检查混凝土级配和坍落度；防止过粗骨料进入和堵塞管道；防止泵人空气，造成堵管或气爆；充灌应连续，停机时间一般不得超过20min。 |
图4-5 机织模袋铺设示意图 |
(2) 泵与充灌操作人员之间应随时联系，紧密配合，充灌到位后及时停机，以防充灌过程产生鼓包或鼓破。出现鼓胀时，应及时停机，查找原因并处理。
(3) 随时检查坡顶钢桩是否牢固，以防充灌过程中模袋下滑。
灌完一片后，移动设备，按上述步骤进行下一片的充灌施工。应特别注意两片间的联接、靠紧。
施工过程中应做好记录和取样、成形，然后进行强度测定。
4．养护
全部护坡施工完成后，进行坡顶、坡脚和上下游两侧接头的回填处理，同时进行护面混凝土的养护。一般养护朗为7天，要求在此期间护坡表面处于润湿状态。
三、土工织物草皮护坡
在第一章已有叙及，草皮依靠其良好的根系而具有一定的固土、抗冲能力，因而广泛用于各种草坪和草地，在水利工程中亦有不少应用，尤其是在水土保持工程中用于防止山坡地雨水冲蚀。
土工织物草皮护坡(或称土工织物加筋草皮护坡)是土工织物与植草相结合形成的一种护坡形式。由于二者结合发挥了土工织物防冲固草和草的根系固土的作用，因而这种护坡比普通草护坡具有更高的抗冲蚀能力，如图4-6(a)(英国建筑工业研究与情报协会原型试验结果)和图4-6(b)(英国奈特龙公司资料)所示。
| 根据上述情况和已有工程经验，这种护坡目前可在各级堤防和土石坝的背水坡、3级堤防及其以下级别堤防的临水坡采用，这种护坡的优点是造价低，而且具有美化环境的独特效果。 目前，用土工织物加筋草皮有两种基本形式。一是在草籽上覆盖一层薄型土工织物，国外多用非织造土工织物。为加强护坡稳定和抗冲能力，还可加设混凝土或块石方格。草籽发芽生长后通过织物孔眼穿出形成一个抗冲体，茂密的草还可起到保护织物的作用。另一种是采用三维织物网垫，待草生长后形成整体(图4-7)。三维网垫空隙大，可往网垫内充填小石子起防冲作用，用于植草护坡时，由于它不像土工织物与坡面紧贴，在未形成草皮前有水流作用的情况下，坡面易受冲蚀。从造价来看，用三维织物网比用土工织物要高。因此，在一般情况下，以采用薄型土工织物作加筋草皮为宜。
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图4-6 普通草皮和加筋草皮护坡极限 |
土工织物草皮护坡对所用土工织物的要求主要是：应具有一定的强度，以提高抗冲能力；抗老化性能较高，以延长在外露应用条件下的使用年限。一般可采用单位面积质量为150g/m左右的非织造土工织物，也有用织造土工织物的，如卫运河护岸工程的生物护坡。
土工织物草皮护坡的施工主要应注意如下几点：
(1) 尽可能选择良好的植草期。一般情况下，暖季型草宜在春末至初夏种植，冷季型草宜在夏末种植，不应在入伏或入冬后种草。
(2) 坡面处理。适当平整坡面，当土质适宜时，可直接在坡上植土，松土厚度20cm左右；若坡面土不宜于植草，应铺土质适宜的种植层，厚度一般在50cm左右，并适当压实，同时表层应为松土。
(3) 播种和覆盖。人工直播时，草种宜拌适宜细砂，撒种应力求均匀。播种后压实坡面，再覆盖土工织物，固定在坡面上。采用三维土工网时，先铺网，再播种。
(4) 养护。播种后及时洒水养护，坡土干燥时应连续数天浇水，以保持土中适宜的水分为度。洒水时间应在早晨和日落期间，不得在中午酷热时浇水。
四、实例
[实例4-1] 半拉山嫩江堤防段护坡工程
半拉山堤防段位于内蒙古自治区扎赉特旗内蒙古东部劳改农场附近的绰尔河进入嫩江处，保护农田200多万亩，草原60多万亩，村屯和城镇近700多个，人口20多万，以及平齐铁路23.5km和公路300多km。所以，大堤安全极为重要。
1．护坡结构
此段堤防高3.5m左右，平均坡长约13m，迎水坡比为1:3。堤身为轻壤土，粒径分析结果见表4-7。土工织物直接铺设在土坡上。根据风浪计算确定表层单层干砌块石的厚度为35～40cm。为防止阳光透过块石缝隙照射土工织物，并使土工织物与土面接触均匀紧密和减弱风浪对被保护基土的作用，在护面块石与土工织物之间铺设了10cm厚的砂砾石垫层。为防止护坡底脚淘刷，坡脚设有50cm深的齿槽，土工织物铺设在槽底，再砌筑大块石护至顶部，土工织物的固定是将它埋入深30cm的沟内。用砂砾石填塞，护坡结构如图4－8所示。
表4-7 |
土 的 粒 径 指 标 (单位：mm) |
| 土号 | d10 | d50 | d85 | d90 | 分类名称① |
| 1 | 0.0027 | 0.054 | 0.125 | 0.160 | 轻壤土 |
| 2 | 0.0035 | 0.050 | 0.150 | 0.175 | 轻壤土 |
| 3 | 0.0040 | 0.062 | 0.180 | 0.220 | 轻壤土 |
| 4 | 0.0038 | 0.038 | 0.130 | 0.170 | 轻粉质壤土 |
① 本表取自原报告，土的分类未按现行标准。 |
2．土工织物的选择
孔径按O90＜d90。的原则，并考虑到块石护面与土工织物之间有砂砾石垫层，有利于减轻淤堵，孔径适当选大一些。
本工程护坡坡比为1:3，经计算，满足护面层沿土工织物垫层的抗滑稳定要求。护坡运行期间，只要护面层不被破坏；则工织物层基本处于不动状态，因此，对土工织物的抗拉强度要求不是很高，但为了满足施工应力和防止意外情况，要求不低于8kN/m。 根据上述各点，选用了4种涤纶短丝非织造土工织物和一种日本尼奇卡长丝非织造土工织物，各项指标见表4-8。 |
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| 表4-8 | 土 工 织 物 性 质 |
| 试 样 编 号 |
质量 (g/m2) |
厚度(mm) | 孔径(mm) | 抗拉强度 (N/5cm) |
延伸率 (%) |
渗透系数 (cm/s) |
|||||
| 0.2kPa | 2kPa | O50 | O90 | O95 | 经向 | 纬向 | 经向 | 纬向 | |||
| 1 | 406 | 3.30 | 2.08 | 0.11 | 0.152 | 0.160 | 368.5 | 464.5 | 101.2 | 79.6 | 4.1×10-1 |
| 2 | 378 | 3.37 | 1.90 | 0.095 | 0.138 | 0.160 | 352.8 | 556.6 | 105.2 | 76.4 | 2.4×10-1 |
| 3 | 460 | 3.87 | 1.64 | 0.080 | 0.140 | 0.155 | 390.0 | 698.7 | 100.0 | 85.4 | 1.3×10-1 |
| 4 | 440 | 2.86 | 1.77 | 0.111 | 0.152 | 0.160 | 347.9 | 484.1 | 97.2 | 75.0 | 3.7×10-1 |
| 5 | 200 | 2.00 | 0.60 | 0.074 | 0.130 | 0.150 | 337.0 | 330.0 | 72.9 | 115.8 | 1.52×10-1 |
3．护坡施工
先将坡面上的冲坑分层夯实填平，然后削坡，清除坡面的尖刺物，土工织物直接铺在整修好的坡面上，然后铺砂砾石，最后砌筑块石和用小石块塞紧块石问的空隙。
为施工方便和及时挡水，土工织物自坡脚向上呈横向逐条铺设，条(幅)问用折叠方法缝接。
4．护坡运行情况
试验段1988年施工，经过冬季最低气温一36℃，以及洪汛期最大风力7～8级条件下运行，情况正常。1989年汛后曾作部分取样检查，未发现异常现象，土工织物内的淤土量不大，分别为26g/m2(2号试样)和51g/m2(5号试样)。
[实例4-2] 深圳罗湖桥模袋混凝土护坡
罗湖桥位于深圳河与梧桐河交汇处，1995年进行桥下河底和上下游河岸加固，防护范围全长329.5m，防护结构有两种形式，如图4-9所示。施工期河流水深3.8m，共铺设模袋混凝土5520m2。
模袋采用无锡久安土工布厂生产的机织高强土工模袋，其基本性质见表4-3模S和模C系列产品。模袋充灌成型过程中的纵、横向收缩系数和整体收缩系数控1.07计算，整体为1.15。每单元成型后的宽度为3.5m。
模袋混凝土的配合比为水泥：砂：碎石＝1:2:2，水灰比为0.6～0.65，坍落度为23±2cm。材料采用425号普通硅酸盐水泥、中砂和粒径0.5～1.0cm的碎石。
混凝土充灌用泵送能力大于10m3/h的混凝土泵，充灌袖口处的喷嘴压力为2kg/cm2左右。
护坡施工首先是精确测量水上水下的坡面地形，划分充灌区和放样，然后铺设模袋和充灌。
模袋的铺设定位选在晴朗无风天和潮水位较低、水流速度小于1.5m/s时进行。铺设前仔细检查模袋质量，用Φ70～80mm的钢管穿人模袋两端的穿管于孔，卷好后运至现场。在预定坡顶每隔2m打设型钢或Φ20mm钢筋桩。钢桩与上端钢管之间用钢丝绳或双股8号铁线通过倒链(1～2t)相联接。用倒链可调节模袋的松紧度和充灌时的伸缩长度。然后，用船只配合将模袋沿一岸滚铺至另一岸。水下由潜水员配合展平模袋，并用块石或砂包将模袋压伏在河底碎石垫层上。铺设方式见图4-10和图4-11。两块模袋搭接时，未充灌的模袋留10cm左右的宽度余量，以便充灌后搭接紧密。
图4-9 模袋混凝土护坡结构 |
图4-10 模袋铺设平面图 |
| 各项准备工作就绪后，将混凝土输送管路前端的软管插入充灌袖口内，并扎紧袖口，然后开机充灌。同时，把稳袖口，不断用脚踩袖口处堆积的浆液，并注意充实边角。通过倒链随时调整 松紧度，使充灌后紧贴坡面。充灌过程中随时检查配比和出现的各种不良现象，如堵塞鼓包等，并及时处理。 |
|
该工程模袋混凝土造价为664.1元/m3，比原计划的半边导流施工费用降低39.57％，工期缩短一个月。
[实例4-3] 卫运河土工织物结合生物护坡
卫运河是海河流域典型的婉蜒型河流，海河水利委员会利用土工织物和生物工程各自的优点，于1986年开展了土工织物与生物工程措施相结合的护岸工程试验研究。试验工程位于卫运河祝屯闸下险工段内，长170m。
1．工程断面设计
试验段滩地高程28.30m，河底高程18.63m。在高程24.0m处设lm宽平台，平台以上设计边坡1:2.5，坡长10.5m，采用深栽柳护坡。柳树株行间距各为1.5m，中间加一坐地柳(柳撅)，柳间栽爬根草。平台以下设计边坡1:2.0，坡长10.5m，采用土工织物排体护坡、护基。护基按局部冲刷深度2～3m、冲后坡角45°考虑，排体向河底延伸6m。排体上面用混凝土预制构件组成的框格压载。为保护排体，防止土工织物老化，增加排体稳定，同时达到缓流促淤目的，在框格内填土0.2m，深栽柳，铺草皮，压载2000～3000N/m2，柳树株行距各1.5m。混凝土预制件长度有两种，分别为1.4m和1.5m，横截面尺寸相同，均为0.1m×0.2m,工程横断面如图4-12所示。
图4-12 护坡设计断面(单位:m) |
2．土工织物的选择
试验段土的d50＝0.028mm，d85＝0.085mm，不均匀系数Cu＝2.83，渗透系数Ks＝1.39×10-4cm/s。按090＜d85，Kg＞5Ks要求，选用了防老化聚丙烯织造土工织物，其厚度0.61mm，090＝0.05mm，Kg＝1.18×10-2cm/s，经、纬向抗拉强度分别为11.76kN/m和9.14kN/m，延伸率分别为20％和30％。
3．栽柳与种草
在24.0m高程以上的坡面上，按设计间距栽柳，栽深2.0m，外露0.2m，每两棵树之间种一墩坐地柳。在24.0m高程以下，每个框内按工程要求定位，栽一棵柳树，方法是用火或烧红的铁器，在栽柳树的地方将排体烧出或烙出一个5～8cm的洞，然套在柳杆上，这样可避免洞的四周织造土工织物脱丝而破坏其保土性。
每个框格内填土厚0.2m，踏实后植爬根草皮。
4．使用效果及经济分析
工程于1987年5月完工。经过两个汛期400m3/s流量的考验，框格内的草皮长满，且生长繁茂，柳树的成活率在95％以上，高2～3m。草皮和柳树有缓流作用，坡面已普遍落淤。据1988年10月的现场调查，过水后的坡面上落淤10cm左右，加上原来填土、土工织物理深20～30cm。护基部分发现有局部淘刷象，但土工织物排体随着冲刷而下沉、并将冲刷坑包裹住，护坡护基效果很好。
[实例4-4] 天津市海挡海堤工程
天津市海挡北起河北省涧河村，南至大港区沧浪渠入海口北堤，全长139.62km，其中有41.826km的海挡与滨海公路至海防路相结合。海挡自1941年修建，标准较低，又经多次风暴潮的侵袭，特别是受1992年16号台风的影响，海挡遭受很大破坏，部分海挡已失去防潮能力。因此，自1996年起进行险工险段的加固工程，力争到2000年使全线一般地段海挡达到防御50年一遇潮位标准。自1996年至1999年汛前已完成加固段50.9km，其中挡、路结合段占22.5km。
海挡的加固设计是在老挡基础上进行的，结构形式受老挡高程低、堤身单薄的制约，因此设计上必须因地制宜地采取不同的设计方案。从1996年海挡加固设计以来就开始采用了土工合成材料。1997年冬施工的工程以及以后的加固工程又均采用了“三面光”的设计，即迎海面、顶面、背海面均加以防护，这些设计中，在护面、堤顶和坡脚部分大量采用了土工织物做反滤层或垫层，如图4-13所示。
另外，在滩地上的新筑堤的地基面上先铺设土工织物以增加地基承载力。海挡修筑时有2.6km的大断面吹泥筑挡，其施工围堰也用了大量土工织物。
土工织物的设计要求采用300g/m2的非织造织物，幅宽4.0m，纵横向平均抗拉强度应大于400N/5cm。结合对筑堤土料的颗分试验分析，其等效孔径确定为0.06mm。
目前国内在江河岸坡和丁坝护底或护脚(根)中所用的土工合成材料防护结构形式和方法较多，概括起来有如下几种：
(1) 土工织物软体排。
(2) 土工织物土枕(袋)。
(3) 土工合成材料石笼。
在施工方式上有旱地施工、水上施工、水下施工和冰上施工等。不同的施工方式有各自不同的施工方法和要求。
一、土工织物软体排设计
(一) 软体排设计的内容和基本资料
(1) 根据SL/T225—98的规定，软体排设计内容包括：结构形式、排幅、结构稳定性校核、护底结构及锚固方式等。
(2) 设计所需的基本资料有河势及其变化，深泓线的位置；防护区域的地形，特别是水下地形图；防护区域的纵、横断面图；岸坡及河床土的物理力学性质；河流流速、流量、水深、水位等。
(3) 软体排应进行下列验算：抗浮稳定；排体边缘抗冲刷稳定；抗滑稳定；软体排需要的压载量等。
(二) 软件排的结构形式
土工织物软体排是以土工织物为基本材料作成大片排体形式的防冲护底结构。所用的土工织物大多是织造土工织物。目前所用的软体排主要可分为如下两类：
1．压载软体排
这种软体排是用土工织物缝接成一定尺寸的排布，在排布上加一定的压重形成的一种防冲结构。根据被保护基土的颗粒组成、土工织物的孔径大小、抗拉强度以及受力的大小，徘布可以采用单层、双层、单层加网绳或双层加网绳。压载材料和形式有块石、土枕、土袋、铁丝石笼、联锁混凝土板块、土工网格石笼、石笼网格充填土袋混合压载等。这种软体排是目前国内应用最广的土工合成材料护底结构形式。
根据压载方式的不同，还可将压载大致分为散抛压载软体排和整体压载软体排。前者是将排布沉入水中，然后抛填块石或混凝土压载；后者是压载与排布形成一体，整体沉放。由于排布轻，在水流中沉放和准确就位有一定困难，特别是水深流急的情况下，根据现有施工经验，散抛压载软体排宜在静水或流速较缓，水深不很大，同时水下边坡缓于1:2.5的条件下应用。
2．充砂软体排
充砂软体排是以织造土工织物为基本材料制成袋体充填砂土形成的大片防冲排体。目前国内使用的充砂软体排的基本形式有两种：一种是用两层织造土工织物按一定的间距缝合形成相互成排的模袋，通过每个模袋预留灌砂口灌人砂土；另一种是织造土工织物缝制成长条形封底的管袋，再将管袋并排与大片织造土工织物连结成一体，然后从袋口灌入砂土。这种充砂软体排模袋制作简便，砂土充填可实现机械化，可利用排体的自重沉放，无需另加压载，而且充灌材料可充分利用河滩地的砂土。但在通航河道，特别是码头附近有船只抛锚停靠，以及有流冰撞击和其他尖刺物作用等地段不应采用。
国外如荷兰在东席尔德闸墩保护中曾用4层织造土工织物充砂石反滤料做成软体排。
(三) 土工织物与网绳的选择
制作软体排的排布一般采用聚丙烯织造土工织物。排布应具有较高的强度、耐久性、一定的变形能力和满足透水保土的孔径。
软体排的土工织物排布的主要功能是保土和排水，即在铺设软体排后被保护的河床基土不再被冲蚀，而土中的水分又能排出，因此要有适宜的孔径。由于在软体排护底的条件下，水流与土工织物平行，而且在排布上又有一定厚度的压载，从而水流对河床基土的冲刷作用将大大减弱。因此，对排布孔径的要求不像一般反滤用途中所要求的那样严格。根据辽河护岸中所做的现场试验，护底软体排土工织物的孔径可考虑如下取值：
O90≤5d90(砂性土) |
(4-13) |
090≤10d90。(粘性土) |
(4-14) |
土工织物的渗透系数一般大于1×10-2cm/s，可以满足透水性要求。
排布的强度要求主要取决于施工时所受的拉力。软体排的形式不同和施工方法不同，排布承受的拉力亦不同。例如，在旱地施工和压载具有整体性(如铁丝石笼、联锁板块压载)等条件下，排布受力较小。对于用双片编织物制成的充砂软体排，采取船上放排时，所受的拉力较大，并取决于悬吊高度和充砂排体的质量。此时，织造土工织物的强度可按下式计算：
T≥Fs(h1G1+h2G2)/ι |
(4-15) |
式中：T为织造土工织物的抗拉强度，kN/m；hl为船舷至水面的距离，m；h2为沉放点的水深，m；Gl为单个砂袋水上部分单位长度的重力，kN/m；G2为单个砂袋水中部分单位长度的重力，kN/m；Fs为安全系数，一般应大于1.2；ι为排体的计算宽度，m。
由于施工中除自重产生的拉力外，还可能有水流和不均匀受力等作用，在沉排正常运行中也可能因局部冲刷变形产生局部集中拉力，因此，排布材料应选择强度较高和抗老化的产品，这也有利于延长工程的使用寿命。为适应施工和运行过程中排体的变形，排布材料伸长率宜大于15％。
为加强排布承受拉力的能力，压载软体排的排布一般在一侧或两侧设置加筋网绳。筋绳的间距在顺水流方向一般可取80～120cm，垂直水流方向密些，一般取40～60cm。其他形式的软体排根据受力情况确定是否加设筋绳。由于筋绳的伸长率比排布伸长率小，故设计时应考虑筋绳承担的荷载较大，并以此计算网绳的直径和间距。筋绳的材料目前多用聚乙烯绳，直径多用Φ6mm。排布周边的边绳一般较粗，多采用Φ8mm、Φ12mm或Φ14mm不等。网绳与排布必须牢固地连结在一起，纵横向筋绳交叉点必须拧紧，以免窜动错位，还可采取在排布上缝套筒将绳穿入其中的方法定位。排布结构如图4-14和图4-15所示。
|
|
(四) 排体宽度和长度的确定
排宽是指沿防护线方向的宽度。无论是哪种软体排，其总宽度都等于防护范围。由于河岸险工段的长度往往很大，因此，沉排常常分成多块，需要确定单块排体的适宜宽度。
单块排体的宽度大小与水流条件、施工方法、排体质量、设备等有关。排体宽度大，则排间搭接少，可以省料和加快施工速度，但施工较复杂，所需施工设备亦较多，反之则搭接多，费料，沉排整体性较差，施工时间亦长。因此，单块排体宽度应根据具体条件确定。冰上和滩地施工时，排宽可以大至数百米；在动水中施工的单块排宽则小些，一般在10～50m之间；静水中施工时排宽则可大些。各块排体之间搭接宽度的大小与水流条件、水深、沉排就位的准确度等因素有关，一般应不小于0.5m，在水深流条件下宜取l～2m。设计中还须考虑排体沉放时产生的收缩，种收缩量的大小与排型、水下地形、流速、水深、波浪、施工位和控制因素有关，例如，江都西闸抛载软体沉排实测收缩率为0.09～0.180①；辽河护岸工程中得出静水条件下为0.015～0.024，动水条件下为0.025～0.040②。排体间的搭接应顺水流方向，上游徘的下游端压在下游排的上游端上。排长是指自岸边排首至伸人河中排尾的长度。徘体的长度由枯水位(或施工水位)以下伸入河中的长度和枯水位(或施工水位)以上与护坡连接的长度(包括排首锚固长度)两部分组成。水下部分的长度按以下两种情况计算：
(1) 主流靠近岸边时，按深泓线以上的坡面长度计算。
(2) 河床不固定时，按冲刷坑底以上的坡面长度计算，同时应满足河床发生最大冲刷时，排体下沉后仍保持1:2.5的坡度。
排长的计算式为:
L＝L1＋aL2＋L3 |
(4-16) |
|
(4-17) |
式中：L为排体长度，m；上L1为枯水位以上的连接长度和锚固长度之和，m；L2为枯水位以下的边坡长度，m；L3为考虑排前冲刷的安全长度，m；H为枯水位时深泓线或冲刷坑底处的水深，m；m为枯水位以下的边坡坡率；a为考虑水下地形变化等的条件系数，按排体的形式和现场的具体情况确定。
当采取水上或水下展铺排布再补抛压载的施工方法时，水下排布的长宽尺寸除地形条件外，还应考虑沉放过程中水流的冲斜，褶皱等因素，适当增加排布的尺寸，以保证最终形成的排体满足设计要求。
丁坝的排长包括自坝脚至伸入河中末端的长度和压入坝底(或坝脚至坝坡固定点)的长度。同时，应满足坝前发生最大冲刷的情况下坝体不受破坏。
(五) 冲刷深度计算
冲刷深度与水流和河床土质等条件有关，计算公式较多，应根据具体情况选择。一般可按以下方法进行。
1．顺坝和平顺护岸
当水流平行岸坡时，冲刷深度为：
|
(4-18) |
式中：hB为从水面算起的局部冲刷深度，m；hp为冲刷处的水深，m(可取近似设计最大深度)；Vd为主河槽平均流速，m/s；Vp为河床面的允许冲刷流速，m/s；n为与防护岸坡的平面形状有关的系数，一般取l/4。
当水流斜冲岸坡时：
|
(4-19) |
式中： △hB为从河底算起的局部冲刷深度，m；a为水流流向与岸坡的夹角；d为坡角处土的计算粒径，cm(对非粘性土，取按重量大于15％的筛孔直径，对粘性土取表4-9的当量粒径值)；Vj为水流偏斜时，水流的局部冲刷流速，m/s；g为重力加速度，m/s2。
| 表4-9 | 粘 性 土 的 当 量 粒径 d 值 |
| 土的密实度 | 孔隙比 e |
干容重,γd (t/m3) |
当量粒径d(cm) |
||
| 粘土、重粘壤土 | 轻粘壤土 | 黄土 | |||
| 不密实 | 0.9～1.2 | 1.2 | 1.0 | 0.5 | 0.5 |
| 中待密实 | 0.6～0.9 | 1.2～1.6 | 4.0 | 2.0 | 2.0 |
| 密实 | 0.3～0.6 | 1.6～2.0 | 8.0 | 8.0 | 3.0 |
| 很密实 | 0.2～0.3 | 2.0～1.5 | 10.0 | 10.0 | 6.0 |
对于滩地河床，Vj可按下式计算：
Vl＝(Q1/B1H1)/(2β/1＋β) |
(4-20) |
式中： Bl为河滩宽度，从河槽边缘至坡脚的距离，m；Ql为通过河滩部分的设计流量，m3/s；Hl为河滩上的水深，m；β为水流流速分布不均匀系数，可按表4-10查得。
| 表4-10 | 水 流 流 速 不 均 匀 系 数 β 值 |
| a(°) | ≤15 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 |
| β | 1.00 | 1.25 | 1.50 | 1.75 | 2.00 | 2.25 | 2.50 | 2.75 | 3.00 |
对无滩地河床，Vj可按下式计算：
Vj＝Q/ω－ωp |
(4-21) |
式中：Q为设计流量，m3/s；ω为原河道过水断面面积，m2；ωp为河道缩窄部分的断面面积，m2。
2．非淹没丁坝
冲刷深度为：
△h＝27K1K2tg[(a/2)01·(V2/g)]-30d |
(4-22) |
|
(4-23) |
K2＝e-0.2m |
(4-24) |
式中： V为了坝前水流的行近流速， m/s；K1为与丁坝在水流法线方向的投影长度有关的系数；K2为与丁坝坡率m有关的系数；a为水流轴线与丁坝轴线的交角(当丁坝上挑大于90°时，应取tg(；a/2)＝1)；g为重力加速度，m/s2；d为河床砂粒粒径，m。
当河床砂粒较细时，可按下式计算：
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(4-25) |
式中：hB为从水面算起的局部冲刷深度，m；V为行近流速，m/s；h0为行近水流水深，m。
(六) 压载
充砂式软体排以充入袋体中的砂土质量作为压重维持排体的稳定，无需外加压重。压载式土工织物软体沉排的压重目前有如下几种：
(1) 块石和混凝土块散抛压载。这两种压载不应有尖角，以免刺坏排布。
(2) 土袋、土枕。土袋用织造土工织物缝制而成，长度一般在1m左右，袋体大小可由压重需要和便于搬运确定。充满程度以0.8～0.85为宜。袋口扎紧。
土枕亦称长管袋，是用织造土工织物制成的长条形管袋。土枕尺寸根据具体情况和用途确定，一般为直径0.6～1.0m，长度5～10m。为加强袋体，沿长度方向每隔0.5m左右可用尼龙绳捆一圈作为加强腰箍。腰箍应与枕布连结或穿入枕布预先制好的套筒内，以免窜动。有关土枕的制作在后面再作介绍。
(3)石笼。石笼是用铁丝或土工合成材料(土工格栅、土工网等)编制成的圆形或矩形框格，其中充填石料而成。石笼与排布之间用尼龙绳连结。铁丝石笼的制作与以往无大异，不多赘述。唯铁丝石笼底层的石块必须严格保证平面朝下，严禁尖角朝下，否则在石笼与排布问应加设垫层。
土工合成材料石笼所用的土工格栅、土工网材料根据所要求的网眼和强度选择，可制成圆形(如图4-16所示)或方形。后者多用土工格栅。
(4)石笼土枕组合压载。石笼土枕组合压载是在纵横向用石笼做成框格，框格内充填土枕或土袋，如图4-17所示。土枕之间和土枕与石笼、排布、网绳之间应使用尼龙绳连结紧密，形成一体，以保证良好的整体性。有的地方还采用梢捆方格充填土枕(袋)或块石。
(5)联锁板块。这种压载是将预制的混凝土块用连接钢环和图4-16圆形土工格栅石笼(单位:m)卡环或其他方式连接成排的一种压载形式，可称为铰链联锁板。板块的尺寸根据施工条件，如施工设备的能力、机械施工或人工施工等确定，但最小尺寸应满足压载重量的要求。
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铰链联锁板软体排的组装可预先组合成一定面积的排片，再运到现场沉放，也可在现场逐块组装。前者要求有大型起吊设备。
软体排压载的大小与波浪、水流流速和施工等条件有关。在波浪作用下，设计枯水位以下1倍波高范围内的压重应按水上护坡同样考虑。超过1倍波高以下可适当减小，采用抛石压重时，可取按式(4-2)计算的块石质量Q的1/5～l/10。堤前和坡脚在水流作用下单个石块的直径可按下式计算：
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(4-26) |
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(4-27) |
式中：d为按球形折算的块石直径，m；V为近岸流速，m/s；g为重力加速度；Vs为块石体积，m3；C为块石稳定系数，水平底坡取0.9，倾斜底坡取1.2；γs为块石容重，一般可取26.5kN/m3；γω为水容重。
散抛土枕(袋)压重可按下式计算：
Px≥FsF |
(4-28) |
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(4-29) |
Vy＝(y/H)n·Vs |
(4-30) |
式中：Px为水流对1m长土枕的动水压力，kN/m；F为每延米长土枕的摩擦力，kN/m；Fs为安全系数，一般可取1.3；C为水流作用的阻力系数，可采用2.32；γω为水的容重，采用10kN/m3；A为每延米土枕的阻水面积，m2；Vy为作用于土枕的近底流速，m/s；y为计算点距河底的垂距，m(可取土枕高度)；H为计算断面的水深，m；Vs为计算断面的表面流速，m/s；n为系数，取n＝1/6。
| (七) 软体排的稳定性计算 顺坡抗滑稳定当不计排首锚固力时，可按图4-18用下式验算：
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式中：ιs为斜坡长度，m；ιb为底脚外伸排长，m；a为坡角；为Φ排体的排布与基土(或压重材料与排布)之间的水下摩擦角；Fs为稳定系数，可取Fs＝1.5。
排体边缘抗冲刷稳定校核可按下式进行：
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(4-32) |
γp′＝(γm－γω)/γω |
(4-33) |
V〈Vcr |
(4-34) |
式中：V为排体上的流速，m/s；Vcr为排体搭接边缘的临界流速，m/s；θ为系数，可按表4-11确定；g为重力加速度；δm为排体厚度，m；γp′为排体在水下的相对浮容重，kN/m3；γm、γω分别为排体和水的容重，kN/m3。
| (八) 排体的锚固 由于水下坡面地形往往比较复杂，甚至局部出现陡坎，以及其他不利因素的影响，排体在坡面上的抗滑稳定性计算往往不易准确，因此，为增大排体的稳定，同时，在冰上整体沉排情况下为平衡排体下沉时的下拉力，排首一端必须锚固在枯水位以上的坡面上。 |
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在冰上施工的情况下，排体下沉过程中排体悬浮于水中，此时将出现下拉力，并在排体下沉接近坡面时拉力最大。在不计排下冰块局部浮托力的情况下，排首锚因力应大于按下式算得的下滑力。
T＝Gsina |
(4-35) |
式中：T为排体下拉力，kN；G为排体重力，kN；a为排体的坡角，可取岸坡水平夹角。
排首的锚固可采取下述一种或两种结合方法。
1. 锚固槽法(图4-19) 在锚固位置先挖一条沟槽，将排布连同筋绳首端铺在槽内，然后在其上压铁丝石笼，或浇混凝土、压混凝土梁等，预计拉力较小时亦可填土夯实。最后将排体筋绳栓紧。锚固槽的深度一般不小于50cm。 |
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2. 打桩锚固
在锚固位置顺岸沿线打一排木桩或钢(管)桩，然后将筋绳或石笼铁丝拴紧在桩上。桩的间距和打入深度根据排体的下滑力确定。
软体排锚固位置是护底与上部护坡的分界线，必须做好二者的连接，以免产生局部冲刷破坏。可将用作上部护坡垫层的土工织物下端锚入锚因槽中，锚入深度不应小于30cm，也可采取垫层土工织物与排布搭接方式，搭接宽度不宜小于50cm，二者应贴合紧密，最好加以缝合。上部护坡面层与软体排压载体之间应连接平顺，不得凹凸不平。
二、土工织物软体排施工要点
软体排的施工包括施工准备、制排和沉排等，在具体步骤上因排型和采取的施工方法不同而有所不同。
(一) 施工准备
(1) 水下地形测量。由于险工段的水下地形变化较大，施工时的地形可能与设计资料有较大差别，所以一般在正式施工前应测量水下地形，作出平面图和断面图。
(2) 坡面处理。为使排体与地面接触良好，应使之尽量平整。特别是当存在陡坎或过大的坑洼时可采取抛填土枕(袋)或不带尖刺的碎石整平。
(3) 备料。对于沉排施工，充分备料至关重要，否则由此造成停工将大大影响沉排质量。特别在深水条件下进行大面积冰上施工的情况下，排体在冰上停留时间过长将产生过大变形，甚至塌落。
(4) 施工机械设备和施工队伍。不同的沉排形式和施工方法，所需的机械设备和数量不同。如整体软排水中沉放需要大型船只，冰上沉排只需简单的工具。因此，应根据具体情况确定施工安排，准备所需的设备和组织施工队伍。
(二) 排布与网绳制作
排布可在工厂或现场制作，应采用尼龙线缝合方法连接。现场缝合宜用手提式缝合机。缝合方式见图4-2，缝合强度不宜低于母体强度80％。布排时，接缝应在受力小的方向。
冰上和浅(旱)滩地铺排时，在按设计要求范围内清除尖刺物、平整好冰面的地面后，按要求间距布设纵横网绳，再铺上事先制好的排片(或就地缝排布)，并在结点处用尼龙绳将绳网与排布缠结在一起。采取水中铺排时，则事先将网绳与徘布按同样方法连结。采用套筒固定网绳时，则将网绳穿入套筒中。
充砂模袋式软体排亦可在工厂或现场制作。模袋式软体排的制作可用类似于人工混凝土模袋的方法缝制，也可采用塑料销方法控制厚度。后者曾在汉江航道整治工程中试用，并称为砂垫软体排，如图4-20和图4-21所示③。
(三) 排体沉放
1. 浅滩作业
浅滩作业是指水流流速小，水深不大于1m或干滩条件下进行软体排施工，其中也包括例如闸下游和导流低坝上下游无水或浅水情况。
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图4-21 单个模袋尺寸(单位：cm) |
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在旱滩情况下，施工简单，各道工序都可在现场用机械或人工完成。但排布必须及时保护，不得暴露时间过长。在浅水的条件下，将排头固定在岸坡上，顺坡向河中牵拉，然后在船上抛投压载。
2. 船上沉排
水上沉徘一般都是采用船上沉排。岸坡软体排的沉放一般是单块排的排首一端固定在岸坡上，然后，沉排船逐渐后退，直至将全部排长落在岸坡上。依此自下游向上游逐块沉放。如图4-22所示。整体压载(如联锁板块)的软体排，在船上将压载与排布连好，同时沉放。若用散载，则先将拼好的单块排布放在驳船上捆扎预压块，叠好，再按以上方式沉排，然后抛压重或在沉排过程中散抛，最后补抛。充砂软体排可在排袋沉放过程中同时充砂。
船上沉排时需要注意以下几点：
(1) 移船速度应与排体沉放速度相协调，使排体在水中与垂线的悬吊角度不致过大，以减小排体的受拉力和水流的冲力。
(2) 船体的移动线路尽可能不偏离，以免造成排体就位位置偏差。为此，可在排体两侧设定位花杆或浮筒。
| (3) 施工时应尽量避免风浪和船行波及其他不利因素的作用。为使排体在水流作用下不致翻卷和大量变形，对于散载软体排，排布沉放时上游端应有足够重力的边载，同时在上游端宜设定位船牵拉。 |
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(4) 探测排体沉落地面的位置，特别是上游端的位置，以保证下一块排体下游端与其搭接的要求。必要时应由潜水员进行检查。图4-23水上定位沉排示意图
护底软排，如新建丁坝护脚、闸前护底、软体排等，宜采取自上游向下游顺水流铺排方式。图4-23所示为黄河禅房导控工程第34号丁坝护底软排的沉排方式④。在预定沉徘位置的上游和两侧设定位船，将预先拼好的排布(44.4m×100m)折叠在托布船上。徘布上游端固定在上游定位船上，然后托布船向下游缓行，同时将两侧牵拉绳拴在两侧的定位船上。待排布全部展开后，上游和两侧拴铅丝石笼压重，松开牵绳，使石笼与排布一起沉入水底。最后抛投压载。采用此法时，拉绳要有承受石笼重力的足够强度，各条石笼沉放时要做到基本同步。
3. 卷筒沉放法
当水深和流速小，排长不大(一般20m以内)时，可在船或木排上设一滚筒，将软排卷在滚筒上，一端固定于岸坡上或水底，拉动滚筒或靠自重顺坡下滑将排布展开，再抛压载。这种方法所用的排宽受卷筒宽度限制不能过大，搭接较多。
4. 冰上沉排法
我国北方寒冷地区进行河岸底脚软体排防护时，利用冬季河流结冰的特点，采取冰上沉排是最为简单有效和节省的办法，冰上施工主要应注意如下几点，
(1) 铺排、压载、沉排均在冰上一次完成，排体应连成整体和具有一定的柔性。排的前端和两侧应加重边载。
(2) 备料充足，施工不得中途停工。
(3) 冰上施工宜在冻结期或融解初期进行，此时冰层厚度逐渐增加到当地最大冰厚。进入融解期后，由于冰层温度升高和结构变化，加之冰厚逐渐减薄，承载力大为降低。若在融化期施工，应对冰层状况慎重研究；尽量缩短施工期。
(4) 施工时间不宜过长，在石笼压载的情况下，冻结期施工时的冰厚以不小于50cm为宜，施工时间以控制在10天左右为宜。
(5) 软体排沉放前，排首应牢固地锚固在岸坡上，以防排体沉放时滑入水中。
| (6) 冰上沉排宜采取强迫沉排方法，特别是在深水中和单块排体面积很大的情况下，以控制排体能均匀下沉，加快沉排速度。强迫沉排法是在排体制好后，即同时在其上下游两侧开冰槽，排尾前端约0.5m处沿宽度方向每隔2m开冰眼。冰槽和冰眼均不得打穿，根据事先测得的当地冰层厚度，留10～15cm左右。待所有冰槽和冰眼开好后，立即并同时打穿。此时，河水随之溢出。由于水的浮托力迅速减小，加之水温的作用，冰层在排体压重作用下很快断裂，排体能基本均匀地迅速下沉。 |
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(7) 在水深和流速较大的情况下，特别是排体上游端处于急流或游涡区时，为防止沉排时发生卷排事故，可在排体上游角或排角及排边设一根或多根拉绳，拉绳穿过冰底，固定在距排角一定距离的冰面上。如图4-24所示。
冰上沉排还有自然沉排方法，即在开江前几天在冰上制排，待冰融开河时排体逐步下沉。这种方法宜在流速较小(一般不大于0.6m/s)、水深不大(一般在3m以内)的情况下采用。
5. 冰下铺排
在预定沉排位置的岸边和排尾处各开一条顺水流的纵向冰槽，再垂直水流方向每隔5～10m打一道横向冰槽，纵横向冰槽
不得连通。然后将拼好的排布叠放在排尾槽外侧。排布一端捆土(石)枕，作为边载，另一端拴上拉绳并从冰底穿出岸边冰槽，将排布拉至岸边冰上。将边枕推入水中，同时顺岸边槽和横向冰槽一起投放土(石)枕，将浮起的排布压至河底。这种方法也只适用于流速和水深小的条件。
三、土枕护脚与土桃充填坝
(一) 枕袋制作
土枕可用作护底软体排的压重，常用织造土工织物制作，也有用涂膜织造土工织物或膜布复合制成。布的强度应根据装土量、充填压力和施工受力情况确定。
土枕一般为圆形，也有的制成方形，直径大小与机械设备和施工条件有关，一般为0.5～1.0m，长5～10m(或更长)，如长江下荆江后洲护岸工程所用聚丙烯塑料织造土工织物袋长10m、宽0.8m、高0.9m，单个袋体的体积为4.2m3，装土重6～7t。为加强袋体，一般沿袋长每隔0.5m左右用Φ4～5mm尼龙绳捆扎一圈。
土枕(袋)除用作软体沉排的压重和丁坝、岸坡护脚(根)外，还可用于修筑矮坝，如导流坝、锁坝、丁坝等。
(二) 充填方法
土枕的充填有人工充填、水力冲填和泥浆泵送法。
1. 人工充填
长度较短的土袋可由人工直接装土，长度较大难于直接装土时可搭设装土架、溜槽、漏斗等用人工或配合适量吊运设备装土。
2. 水力冲填法
水力冲填法是用水枪或绞刀将滩地料场砂土冲搅成稀泥浆，用泥浆泵将泥浆输送和充填进土枕袋内，然后，泥浆中的水分通过袋子的孔隙自然排出即形成土枕。本法适用于砂和亚砂土料，一般以粉粘粒(＜0.05mm)含量少于30％，大于0.1mm颗粒按重量多于50％左右为宜。冲填压力与织造土工织物强度，特别是缝合强度有关，冲填过程中压力也会有所变化，一般可取2.5～4.0kPa。在正式冲填前，宜进行冲填试验，以确定具体工程条件下适宜的冲填参数。
3. 泥浆泵送法
对粉砂和含泥量较大的土，使用稀泥浆充填时，由于粉粘粒沉降速度慢、排水困难，还易堵塞编织物孔隙，因而不但施工时间长，而且待水排出后袋内土的充满程度很低，效果不佳。在这种情况下，可将土料加水搅拌成适当浓度的泥浆用泵(如砂浆泵)充入袋内的方法。采用此法时，同样宜事先进行充填试验。
(三) 沉放方法
1. 浅滩沉放
在浅水或旱地情况下，可直接用人工装袋摆放或将枕袋末端固定在排布上，然后在袋口用泵充灌。联片充砂软排一般在铺好后用泵充灌砂土。
2. 冰上沉放
可将土枕按设计位置顺冰槽抛入水中。联片充砂软排则可用前述方法先将排布从冰下拉出到冰面或岸边，再用泵充填。
3. 船上沉放
首先定好抛投断面，作好标志，定好船位和移船线路。根据水流情况可采取不同的方法。
(1) 直接抛投。将制好的土枕顺滑板或活动抛枕架投入预定位置。在水深流急的情况下，土枕在入水沉落过程中将发生漂移，表4-12是下荆江后洲和七弓岭抛投塑膜土枕实测的漂距。可以看出，漂距的大小与水深、流速以及土枕质量和抛枕技术有关。因表4-12 抛投塑袋土枕实测漂距此，在抛枕时应估计到漂距对土枕就位的影响。
表4-12 |
抛 投 塑 袋 土 枕 实 测 漂 距 |
| 河 段 |
日期 |
测次 | 水位 （m） |
流速 （m/s） |
水深(m) | 下漂距（m） | ||||
| 平均 | 最大 | 最小 | 平均 | 最大 | 最小 | |||||
| 湖北下荆江后洲 | 1998.3.19 |
58 | 19.68～21.94 | 0.59～0.81 | 0.53 | 12 | 8 | 2.52 | 4 | 0.5 |
| 48 | 19.68～21.94 | 0.59～0.81 | 6.54 | 8 | 5 | 1.1 | 2.5 | 0.2 | ||
| 21 | 19.68～21.94 | 0.59～0.81 | 4.60 | 5 | 3 | 0.55 | 2 | 0.2 | ||
| 23 | 19.68～21.94 | 0.59～0.81 | 13.31 | 14.50 | 12.0 | 1.04 | 2 | 0.4 | ||
| 22 | 19.68～21.94 | -0.18～0.33 | 10.70 | 12.0 | 8.1 | 1.60 | 4.6 | 0.5 | ||
| 13 | 19.68～21.94 | -0.18～0.33 | 3.92 | 8.1 | 0.50 | 0.73 | 2.2 | 0.1 | ||
| 湖北下荆江七弓岭 | 1985.3.26 |
12 | 0.50～0.80 | 15.91 | 22.31 | 13.23 | 14.91 | 16.8 | 10.2 | |
| 28 | 0.80～1.00 | 17.80 | 22.34 | 10.15 | 17.42 | 19.28 | 3.4 | |||
(2) 同步施工。其基本方法是将长管袋或充砂模袋置于船边充砂斜板架上固定好后，用人工或泵充填，逐步沉入水中，或将管袋伸人到排布再充填。此法在水深流速较小时较适用。当水深流速较大时，应注意袋体的冲斜、卷摺和扭转等可能发生的现象，从而影响充填效果和就位准确度等问题。
土枕(袋)的沉放一般宜自下游向上游进行，以使上游土枕(袋)的下端压在下游枕(袋)的上端，减小水流的动力作用。
目前国内已有不少工程应用土枕护底，取得了良好的工程效益。但也还有一些不确定的问题，例如漂距冲斜如何确定和控制，散抛土枕落人河底后的贴地、排列、错位、架空和空隙大小(这种情况对无排布的散抛土枕护底尤为不利)仍需进一步研究，在具体施工工艺和施工机械方面也还需进一步改进和完善。
(四) 织物袋充填坝
| 这种形式的坝是用编织物制成的长管袋置于坝址部位用泵充砂土形成的矮坝或堤防。既可在干滩条件下，也可在有水流作用下施工，如防潮堤、丁坝、导流坝等。其施工方法一是按设计断面将各单条土枕相互连结或用成片充砂袋逐层叠放和充填，图4-25为某试验堤断面示意图；另一种是类似于冲填坝的方式在坝底部铺一层非织造土工织物，两侧用土袋充填形成两道棱体，中间用水力冲填方法填土。这种坝在施工中应及时作表面防护。 |
图4-25 织物袋充填土坝（单位：cm） |
四、实例
[实例4-5] 下荆江后洲编织物土枕护岸⑤
后洲段位于湖北监利县长江下荆江熊家洲弯道顶偏上处。近底层流速大，环流作用较强，河段迎流顶冲。1969～1987年间，平均崩塌距离为246m，累积最大崩塌宽度约1300m。1970年开始用块石护岸，但一直未能奏效。1988年春，进行了编织物土枕护岸工程试验。
土枕袋用织造土工织物上覆PE(复合土工膜)缝成。按设计要求，一个土袋的体积为4.2m3，装土质量为6～7t，土袋长度为10m，宽度为0.8m，高0.9m。沿袋长方向用13根或15根直径约5mm的尼龙绳人工加捆。
复合土工膜的极限抗拉强度为19.6～29.4kN/m，延伸率为10％时的抗拉强度为9.8kN/m。按估算和经验，所选材料可符合设计要求。
枕垫长70m，宽10m，两边用直径为10～12mm的尼龙绳作主筋。在主筋间每隔0.5m设一道直径为5～6mm尼龙筋绳，穿在与枕垫连结的套筒内。枕垫两头预留出尼龙绳长度5～12m，用作与岸上系固梅花桩和尾枕连接绳连接。枕垫结构如图4～26所示。
施工期最高水位21.14m，最低水位19.65m，变幅1.49m，最大风力为西北风5～6级。抛枕最大位移为4.6m。施工方法分有枕垫和无枕垫两种。
1. 有枕垫的施工步骤
(1) 将枕垫安放在船的外缘卷扬机上。
(2) 将船定位。一对驳船由领水锚、尾水锚和岸上拉锚定位，见图4-27。
(3) 枕垫头部筋绳穿过船底拴在已准备好的梅花桩上。
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(4) 为使枕垫逐渐平稳地贴附河床面，并尽量减小卷扬机的荷载，在枕垫边绳上加纵向和横向活结绳。
(5) 由近往远抛枕，至枕脚处抛下层枕，拉开枕垫，再集中抛枕脚边缘上枕，即完成一个断面施工。
2. 无枕垫的施工步骤
(1)先集中抛坡脚外缘的土枕袋。
(2) 由远往近抛土枕直至接坡处。根据近岸水下坡度采取堆抛或平铺抛枕。
[实例4-6] 下六家于冰上沉排护岸工程
本工程位于吉林省松原市朝阳乡下六家子屯松花江河段右岸。本区年平均气温4.5℃，极端最低气温一37.8℃，封冻期自11月上旬开始，至翌年4月上旬解冻，水面结冰层厚度最大1.2m。本处流量为4816m3/s，枯水期水深6～10m。在横向环流作用下，江岸逐年坍塌、下切，每年塌岸速度达10～15m，严重威胁防洪大堤安全。为此，1991年冬开始作护岸工程，枯水位以上用简易模袋混凝土护坡，以下采用了土工织物软体沉排结构和冰上施工方法。施工期实测最大水深13.4m，流速1.2m/s，冰层厚度0.6～0.7m。护岸总长度为1612m。
1. 沉排设计
| 冰上沉排结构除应满足一般设计要求外，还必须具有足够的整体性和柔性，从结构上保证在深水条件下冰上大面积徘体沉放过程中不发生散排、卷排、滑排或其他不良现象，又能适应河床地形变化，使排体紧贴地面。本工程采用了单层织造土工织物作排布的整体压载式软体排。排长(排体与水流正交方向的长度)根据深泓线的位置和考虑一定的安全度确定为18～28m，排宽(顺水流方向一次沉放的单块排体的宽度)根据施工和冰情等条件最大为600m。这样，单块排体面积为12000m2。护岸示意图见图4-28。 |
图4-28 下六家子软体排护岸示意图 |
冰面以上护坡用模袋混凝土下垫非织造土工织物作为滤层。排布采用Φ6mm聚乙烯绳网加强，间距为0.5m×1.0m。
压载全部用铁丝石笼。考虑到船和抛锚影响，石笼厚度取得大些，平均水下压重为3.1kN/m2。铁丝石笼与排布、网绳间用Φ10mm聚乙烯绳紧连。
由于在深水中大面积沉排，计算了下沉过程中顺排长和排宽方向上可能出现的拉力。此外，计算了排体沿坡面的抗滑稳定。分别算得安全系数大于5和1.2。为增加排体的稳定，在排首端设计了50cm×50cm的锚固槽。
2. 沉排施工
(1)施工准备。必须充分做好以下几点：①备料必须充足，保证施工连续不停。②组织好施工队伍，分组分段均匀作业。③水下地形测量，施测断面间距一般为25m，测点至少各3～5个。④岸坡处理。陡坎处采取冰上开孔抛填土袋方法，达到边坡不陡于1:2.0。
(2) 冰上铺排。铺排的步骤是：在沉排范围内清基放样、编绳网→铺排布→压石笼。每条石笼宽40cm，将事先编的网眼为13cm×13cm的铁丝网片铺好，垒砌块石，用网片包住，再用撬棍绞紧、锁口。铺压载块石时，块石底面必须平整无棱角。石笼在排首端用8号铁线与事先埋入锚固槽内的铁丝石笼绑紧。
(3) 施工观测。冰上沉排施工中首先要依靠冰层承载力承受排体荷载，而冰层承载力首先与冰厚和时间有关。由于本工程沉排荷载较大和选用强迫沉排方式，故施工时间定在1月底，此时最小冰厚为0.65m。为监测施工期间排体和冰层的变化，进行了冰温、冰厚、排体(冰层)变形观测。测得最大沉降量为62.8cm，最大挠跨比为5.6％，此时排面上已有水层。根据观测结果进行施工安排。
(4) 沉排。本工程采用强迫沉排法，即排体铺好后，在周边开冰槽，然后在正式沉排时，打透冰槽。此时，在10余分钟内排体基本均匀沉落至岸坡。
3. 工程效果
本工程于1993年春完工。经多次探测和1998年洪水考验，结果表明，水下排体稳定，排体上已大面积落淤，工程运行一直好。在本工程条件下，选用的沉排与石笼柳枝软排相比，每平方米节省造价25.7％，比抛石方案节省47.2％。
如前所述。北方寒冷地区的水工建筑物在冰推力或土的冻胀力作用下常发生破坏，即所谓冻害。为解决水工建筑物冻害问题，多年来我国进行了大量的研究，采取了多种有效的措施。其中包括合成材料防隔热保温措施。
隔热保温是指用隔热材料或其他方式防止水体或地基土冻结，从而消除冰推力或冻胀力的方法。使用隔热材料时，对所用隔热材料首先要求导热系数低，具有一定的强度，用作永久性防冻时，还应具有足够的耐久性，吸水率小。聚苯乙烯硬质泡沫塑料板是目前在隔热防冻措施中应用较多的一种土工合成材料。国内如黑龙江、山东、山西、北京、宁夏等省(市、区)已在涵闸底板、挡墙、渠道衬砌和进水塔架等类工程中用作永久性或期性的防冻材料。聚苯乙烯泡沫塑料板的价格相对较高，因此，根据工程的具体情况通过比较确定是否采用。使用这种材料防冻的设计和施工主要是材质的选择、厚度的确定和铺设方法。
一、板材选择
用作永久性防冻的聚苯乙烯硬质泡沫塑料板的物理力学性能应满足表4-13的要求，临时性防冻主要应满足表4-13中的导热系数要求。
表4-13 |
聚苯乙烯质泡沫塑料板物理力学性能 |
| 密度 （kg/m3） |
吸水性 （g/m2) |
吸缩强度 （压缩50%） （kPa） |
弯曲强度 （kPa） |
尺寸稳定性 （-40～-70℃） （%） |
导热系数 [W/(m·℃)] |
| ≤20 | 〈80 | ≥150 | ≥180 | ±0.5 | 〈0.04 |
| 20～30 | ≥200 | ≥220 |
板的厚度对于渠系涵闸、挡墙和渠道地基土等中小型工程，可按下式计算：
dt＝ψdZd |
(4-36) |
式中：dt为聚苯乙烯板厚度，m；ψd为板厚系数，ψ＝1/10～l/15(地表冻胀量较大和较重要工程取大值，其余取小值)；Zd为设计冻深，m(可按SL221—98《水工建筑物抗冰冻设计规范》附录B计算确定)。
二、板的铺设方式
涵闸防冻底板的范围除底部外，在进出口处还应伸出一定长度或垂直呈帐幕式插入一定深度。前一种铺设方式的水平伸出段长度ι和后一种铺设方式的垂直深度h应满足下列要求：
ι＝h＝Zt |
(4-37) |
式中：Zt为基础板下的冻土层厚度，m(按SL221—98附录B计算确定)。
挡墙的防冻采用聚苯乙烯板时，可将板直接贴附在墙背面，必要时亦可在墙后地面水平铺设宽度不小于1.1倍设计冻深的板，并在其上加盖一层保护土层。
渠道的防冻聚苯乙烯板铺设在衬砌体下，其铺设高度根据沿渠坡的冻胀量大小确定，渠坡上部预计不产生冻胀的部位可不铺。
三、实例
[实例4-7] 卧牛湖水库进水塔防冰
卧牛湖水库位于黑龙江省黑河市，最低温度一42℃，年平均气温一2℃，水库最大冰厚1.48m，为防止进水塔冰推破坏，采用了聚苯乙烯泡沫塑料板防冻。水库进水塔周围水体结冰10～15cm厚时，在紧贴进水塔四周的冰面上铺设宽300cm、厚15cm的聚苯乙烯泡沫塑料板，每层板间不留通缝，周围用模板固定，防止位移。为了了解板下水体冻结情况，除实际测量冰层厚度外，还在板下沿水深方向布置6组热电阻，用以推算水体冻结情况。1988～1991年3个冰期，实测板下最小冻结深度为0～5cm，见表4-14。沿板宽方向水体冻结深度如图4-29所示
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由图4-29和表4-14可见，在温度为-32.4～-39.8℃的3胩冰期里，泡沫板下的中间部位水体保持本不冻结，在建筑物周围形成一道不冻结的水槽，把建筑物与冰盖隔开，防止库冰对建筑物的破坏作用。经3个冰期试验，进水塔没有发生冻胀破坏。
由图4-29还可见，聚苯乙烯硬质泡沫板铺设防护宽度250cm左右，厚度15cm，就能满足防冻要求。地区不同，冻结条也有差别，一般情况下，保护宽度取最大冰厚的1.2～1.8倍即可。卧牛河水库试验工程，防护长度30m。在铺板厚度15cm，度2m和3m时，与人工破冰费用相比可分别节省55％和33％。
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张俭．软体沉排防冲．全国土工织物在防洪抢险中应用经验交流会文集． ② 金仲炳．土工织物在辽河护岸工程中的应用，全国土工织物在防洪抢险中应用经验交流会文集．1990：173． ③ 李传旦．汉江航道整治工程中砂垫软体排设计与施工工艺研究．全国土工织物在防洪抢险中应用经验交流会文集.1990:54。 ④ 程致道．充土织物长管袋软体排护底(根)在黄河下游护岸工程上的尝试.全国土工织物在防洪抢险中应用经验交流会文集．1990：199。 ⑤ 长江科学院.下荆江后洲塑袋土枕护岸试验性工程分析报告.全国土工织物在防洪抢险中应用经验交流会文集．1990：232。 |
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图4-13
天津海挡工程断面图（尺寸单位：cm，高程单位：m) |
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为模袋混凝土的平均厚度，m；P为设计水平冰推力，kPa；δ为计算冰盖厚度，m；m为护坡的边坡系数；f1、f2分别为水上、水下护面与土工织物滤层或土工织物滤层与基土之间的摩擦系数；Hl、H2分别为冰盖下界面以上和以下参加抗冰推的护坡高度，m；Fs为护坡抗滑安全系数，Fs≥1.1；γc为混凝土容重，kN/m3；γω为水的容重，
kN/m3；C1、C2分别为织物反滤水上和水下部分与土之间的粘聚力，kPa。
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