一种堤坝护坡技术.pdf

本发明属于水利工程领域，特别涉及一种堤坝护坡技术。护面采用水平联锁式混凝土砌块，砌块上设有开孔，开孔率为17-23％。采用水平联锁，稳定性高且具有极高的抗风浪淘刷和顺坝冲刷能力，是保护大坝坝体或河流、湖泊岸坡安全稳定的理想护坡工程措施。通过确定砌块合理的开孔率、容重、厚度以及对垫层料的设计，可更好地实现在大波浪冲刷下堤坝的稳定安全性，同时节约工程投资。

1.  一种堤坝护坡技术，护面采用水平联锁式混凝土砌块，砌块上设有开孔，其特征在于，砌块上开孔率为17-23％。

2.  如权利要求1所述的堤坝护坡技术，其特征在于，所述开孔率为20％。

3.  如权利要求1或2所述的堤坝护坡技术，其特征在于，混凝土砌块包括砌块本体，本体的上部和下部均设有对称的左凹凸结构和右凹凸结构，所述凹凸结构的凹部和凸部形状吻合，所述凹部为梯形；开孔设置于本体中部，且本体的左右两侧还对称设置有边孔。

4.  如权利要求3所述的堤坝护坡技术，其特征在于，所述混凝土砌块厚度为24-30cm。

5.  如权利要求4所述的堤坝护坡技术，其特征在于，所述混凝土砌块的容重不小于2400kg/m³。

6.  如权利要求5所述的堤坝护坡技术，其特征在于，所述混凝土砌块由干硬性混凝土振动挤压成型，所述干硬性混凝土由下列重量份原料制成：水110-112份，42.5级水泥333-336份，粉煤灰92-96份，砂率不小于50％、细度模数满足2.2-2.3的砂810-815份，5-10mm碎石810-815份，复合外加剂4.30-4.32份。

7.  如权利要求6所述的堤坝护坡技术，其特征在于，所述原料组成如下：水112份，42.5级水泥336份，粉煤灰96份，砂815份，碎石815份，复合外加剂4.32份。

8.  如权利要求6所述的堤坝护坡技术，其特征在于，所述的振动挤压的参数为振动频率48-50Hz，压力140-160Pa。

9.  如权利要求3所述的堤坝护坡技术，其特征在于，护面下垫层料为20cm厚4-8cm的砂砾料，且不含小于5mm的泥沙。

10.  如权利要求6所述的堤坝护坡技术，其特征在于，所述砌块满足强度等级C25，抗冻指标满足F100；护面下垫层料为4-8cm的砂砾料，且不含小于5mm的泥沙。

一种堤坝护坡技术
(一)技术领域
本发明属于水利工程领域，特别涉及一种堤坝护坡技术。
(二)背景技术
堤坝护坡如水库大坝护坡或河流、湖泊护岸工程的安全直接涉及工程的防洪安全，是国计民生的大事，历来受到高度重视。水利工程中，特别是土石坝水库上游边坡护砌，按照设计规范要求坝表面为土、砂、砂砾石等材料时应设专门护坡。目前，国内外常用的护坡型式有抛石、干砌石、浆砌石、混凝土板、沥青混凝土板等。不论采用哪种形式，技术上必须满足波浪淘刷、顺坝水流冲刷、漂浮物和冰层的撞击及冻冰的挤压、抗冻融的技术安全要求。过去常用的干砌石、浆砌石护坡存在以下缺点：(1)块石材料受到限制(特别在平原地区)，投资大；(2)施工质量不容易控制；(3)外观质量差。欧美发达国家自20世纪80年代开始，越来越多地采用混凝土砌块作为堤坝和护岸的护坡材料。与传统的砌石护坡相比，混凝土砌块具有外形规则美观、对环境破坏小、易于机械化施工、施工质量易控制等优点。同时，混凝土砌块对堤身变形的适应性也优于混凝土板。因此，在石料来源匮乏或因环保原因不能开采、地基可能有明显变形的情况下，采用混凝土砌块作为岸坡护面结构是一种较好的选择。但混凝土护坡存在坝体沉降后容易出现裂缝，一旦裂缝产生必须修补，否则在波浪水流作用下就会使坝体细颗粒带走，坝坡失稳进而危及大坝安全的问题。因此开发一种保证边坡在水流风浪作用下既稳定安全、抗冲刷，又施工方便、外观整齐美观、且节约工程投资的堤坝护坡技术一直是一项难题。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种堤坝护坡技术，使得大型河渠道临水面边坡护砌、水库土石坝上游边坡护砌，湖泊边坡护砌能够达到在风浪作用下既稳定安全、抗冲刷的同时，又施工方便、外观整齐美观、且节约工程投资。
本发明采用的技术方案如下：
一种堤坝护坡技术，护面采用水平联锁式混凝土砌块，砌块上设有开孔，砌块上开孔率为17-23％。
进一步，所述开孔率为20％。
所述混凝土砌块包括砌块本体，本体的上部和下部均设有对称的左凹凸结构和右凹凸结构，所述凹凸结构的凹部和凸部形状吻合，所述凹部为梯形；开孔设置于本体中部，且本体的左右两侧还对称设置有边孔。
所述混凝土砌块厚度为24-30cm。
所述混凝土砌块的容重不小于2400kg/m³。
所述混凝土砌块由干硬性混凝土振动挤压成型，所述干硬性混凝土由下列重量份原料制成：水110-112份，42.5级水泥333-336份，粉煤灰92-96份，砂率不小于50％、细度模数满足2.2-2.3的砂810-815份，5-10mm碎石810-815份，复合外加剂4.30-4.32份。
进一步，所述原料组成如下：水112份，42.5级水泥336份，粉煤灰96份，砂815份，碎石815份，复合外加剂4.32份。
所述的振动挤压的参数为振动频率48-50Hz，压力140-160Pa。
护面下垫层料为20cm厚4-8cm的砂砾料，且不含小于5mm的泥沙。
所述砌块满足强度等级C25，抗冻指标满足F100。
护面结构的主要作用是保护垫层和基土免受波浪和水流的直接淘刷，因而需要具有一定的抗波浪和水流冲刷能力。对于面积较大、风浪较强的水库和湖泊的堤坝和护岸，波浪是护面结构设计的主要控制因素，需要考虑护面结构在波浪作用下的稳定性。混凝土砌块的形状对其稳定性有明显的影响，同时，不同混凝土砌块下部的垫层和基土条件也在很大程度上影响砌块的稳定性。对于混凝土砌块，需进行波浪作用下稳定性试验研究，对护面的破坏机理进行分析，综合考虑不同波浪动力和护坡坡度条件下砌块、垫层和基土的稳定性。从护坡结构组成方面，其失稳原因主要在四个方面：(1)波浪上托力引起的砌块失稳；(2)垫层和反滤层破坏引起的砌块失稳；(3)下层土体失稳引起的砌块失稳；(4)护面层滑动引起的砌块失稳。由于各种破坏机理并不总是单一出现的，它们可能同时存在，相互作用、相互影响。因此，在护岸设计中，应采用均衡设计的理念，综合考虑波浪荷载，将其平衡分配给护面、垫层和基土。过分偏重于某一方面的稳定，可能因其他机理的破坏，不能提高护岸的整体稳定性，而只会增加工程造价。
本发明主要针对水库大坝上游坡及河道临水坡，其采用水平连锁式预制混凝土砌块护坡，通过抗风浪试验研究确定了合理的开孔率、砌块容重及垫层颗粒级配，以最大程度的实现在风浪作用下的稳定、抗冲刷要求，可以很好的抵御风浪侵蚀、风化、冰冻、漂浮物威胁和其他生物破坏，且具有施工方便、外观整齐美观、绿色环保等特点。
在混凝土砌块上开孔能有效的增强护坡排水功能，极大减少风浪所引起的负压作用，增强砌块护坡的稳定性并减少工程量。单从增强排水效果、减小在风浪作用下的负压以增强预制混凝土砌块护坡的稳定性来说，相同厚度的砌块和垫层情况下，开孔率越大越好，因为开孔率大的砌块透水性要好一点，其所承受的波浪浮托力也相应的较小，这对其稳定性是有利的。但是，大的开孔率必然增加开孔孔径，而孔口过大将会使得护坡下的垫层容易受到破坏，开孔孔径受下部垫层料所限。在孔口一定的情况下，开孔率受孔间混凝土结构尺寸所限。根据砌块在风浪作用下的破坏机理，通过水工模型试验，一般开孔率在17-23％为最优，其中又以20％最好；通过抗风浪研究试验验证，当砌块开孔率为20％时，波浪作用时垫层中较小粒径的沙粒会随波浪作用下被掏出，但随着波浪作用时间的增加，从砌块开孔中掏出的沙粒越来越少，这主要是因为垫层料中较小粒径沙粒的含量相对较少，并且只是垫层上部的较小粒径沙粒被掏出，上层垫层又阻止了下层细颗粒砂进一步被掏出，因此坝面不会因为较小粒径砂被掏出而发生较大的变形。
砌块厚度的确定与其影响因素息息相关，具体可用如下无因次式表示：
DH=f(HL,m,Δ)]]>
式中D为砌块厚度；H为波高；L为波长；m为坡度；Δ=ρc-ρwρw;]]>ρ_c为混凝土砌块密度；ρ_w为水的密度。
因此，坡度确定、稳定垫层条件下波高是决定护面砌块厚度的最直接因素，砌块厚度与波高成正比。由于护面为开孔咬合砌块，砌块所受的波浪上托力较小；同时，在波高较大时，所对应的砌块厚度较大，砌块间的嵌固、咬合和摩擦力作用显著，这就可以有效减小护面稳定所需的厚度。
但是单纯提高护面砌块的稳定性并不能使护坡整体稳定性有较大幅度的提高。在较大波浪动力条件下，波浪对垫层和基土的作用也会增大。
垫层料的选取主要考虑垫层料的级配对冲蚀流失(稳定性)的影响，另外垫层料的密实度对砌块的稳定性也有较大的影响，如果在施工时密实很好，加上砌块之间的绞合和连接都很好，这就提高了砌块的整体稳定性；相反，如果垫层密实不是很好，在波浪作用下，坝体表面会产生变形，在波浪主要作用区域(静水位附近)会下陷，相邻的坝体上下会发生隆起，这对砌块和大坝整体的稳定性有很大的影响，施工时务必注意。垫层料中之所以尽量筛除小于5mm的泥沙是因为在垫层粒径较小时发生泥沙淘刷的护坡(实际工程中可能是出现滤层破坏)，其护面层破坏不像稳定垫层情况因波浪动力增大而失稳，而表现为与波浪作用时间有关。这种情况下，波高并不是判别护面是否稳定的唯一标准，因为护面层可能因波浪的长期作用导致垫层泥沙逐渐淘蚀而失稳。因此，在实际工程中首先应避免这种淘蚀现象的产生，当采用开孔护面砌块时，尽可能将垫层料中细颗粒泥沙筛除。
砌块采用干硬型混凝土材料，本发明提供的原料配制可以保证其容重以及抗冻性和强度；其中所述的粉煤灰优选一级粉煤灰；所述的复合外加剂是指常用的具有引气、减水功能的外加剂，即可以是复合的，也可以单独添加，添加量可按照常规做法或参照本发明添加量进行换算。本次工程的设计护面砌块四角带有凹凸部，在预制过程中应注意质量，若其在波浪作用下发生断裂将导致垫层的冲刷。
本发明相对于现有技术，有以下优点：
采用水平联锁，稳定性高且具有极高的抗风浪淘刷和顺坝冲刷能力，是保护大坝坝体或河流、湖泊岸坡安全稳定的理想护坡工程措施。通过确定砌块合理的开孔率、容重、厚度以及对垫层料的设计，可更好地实现在大波浪冲刷下堤坝的稳定安全性，同时节约工程投资；本发明堤坝护坡技术适用范围广，适用大型河(渠)道临水面边坡护砌、水库土石坝上游边坡护砌，湖泊边坡护砌及高边坡护砌等。
(四)附图说明
图1为本发明护坡技术中所述混凝土砌块形状图；
图2为图1中所示砌块组装后实现水平联锁咬合的效果图。
(五)具体实施方式：
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
实施例
堤坝护坡技术，护面采用水平联锁式混凝土砌块(参见图1)，砌块上设有开孔。混凝土砌块包括砌块本体1，本体的上部和下部均设有对称的左凹凸结构2和右凹凸结构3，所述凹凸结构的凹部和凸部形状吻合，所述凹部4为梯形；开孔5设置于本体中部，且本体的左右两侧还对称设置有边孔6。砌块上开孔率为20％。
混凝土砌块尺寸为460×340mm，采用2排4个35×140mm长方形开孔，厚度分别为20cm、24cm、30cm，混凝土砌块的容重为2400kg/m³；所述砌块满足强度等级C25，抗冻指标满足F100。
所述混凝土砌块由干硬性混凝土振动挤压成型，所述干硬性混凝土由下列重量份原料制成：水112份，42.5级水泥336份，一级粉煤灰96份，砂率不小于50％、细度模数满足2.2-2.3的砂815份，5-10mm碎石815份，高效复合型减水剂ASD-5 4.32份。所述的振动挤压的参数为振动频率48-50HZ，压力140-160pa。护面下垫层料为20cm厚的4-8cm砂砾料，其中不含小于5mm的泥沙。
建立抗风浪实验模型，波浪试验在南京水利科学研究院河港研究所波浪水槽中进行，该水槽可同时产生波浪、水流和风。水槽长64m、宽1.8m、深1.8m。水槽的工作段分割成0.6m和1.2m两部分，0.6m宽的部分用来安放模型断面并进行模型试验，水槽的另一部分用于扩散造波板的二次反射波。水槽的一端配有消浪缓坡，另一端配有丹麦水工研究所生产的推板式不规则波造波机，由计算机自动控制产生所要求模拟的波浪要素。该造波系统可根据需要产生规则波和不同谱型的不规则波。
波浪要素采用丹麦产电阻式波高仪测量，由计算机自动采集和处理。
本模型对应的原况情况如下：
与大坝轴线接近垂直(和坝轴线法线方向交角10.89°)方向的多年平均年最大风速为7.82m/s，和大坝轴线法线方向交角33.39°方向的多年平均年最大风速8.70m/s，上述两风向为夏季主要控制风向。换算成库面以上10m处风速分别为12.60m/s和13.80m/s。护坡计算时，计算风速对正常运用条件取多年平均年最大风速的2.0倍。对应正常蓄水位106m(107.4m戗台以下护坡)和设计水位114.6m(107.4m戗台以上护坡)波浪计算参数见表1。
表1风浪计算参数表(多年平均最大风速×2.0)

注：不同累积频率下的波高按“浅水分布”计算。
计算结果表明，107.4m高程戗台以下护坡由与坝轴线法线方向夹角10.89°波浪控制，107.4m高程戗台以上护坡由与坝轴线法线方向夹角33.39°波浪控制。
试验遵照《波浪模型试验规程》相关规定，采用正态模型，按照Froude数相似律设计。根据设计水位、波浪要素、试验断面及试验设备条件等因素，模型几何比尺取为10。
各物理量比尺如下：
几何比尺：LB_rB＝10
时间比尺：TB_rB＝LB_rPB^1/2P
重量比尺：WB_rB＝LB_rPB^3P
模型中试验断面包括混凝土砌块等除与原型保证几何相似外，还保证重量相似。
试验分别采用规则波和不规则波进行，以不规则波试验为主，规则波试验作为对比。规则波采用H_5％B波高和平均周期，不规则波的波谱采用海港水文规范推荐的风浪谱。模型中的波高、波周期等物理量按重力相似准则确定，由计算机控制产生所需要的波要素。为保证试验结果的可靠性，每组试验至少重复三次，每一波况累计试验持续时间不小于原型2小时，对最终选定的砌块型式累计试验时间不小于原型8小时。
关于护面砌块的稳定标准，按以往砌块护坡试验，当护面砌块在某一风浪要素作用下发生翘起且翘起高度大于砌块厚度的三分之一、坝面明显不平整的状态称为失稳。在大坝护坡抗风浪稳定性试验中采用这个标准，系列试验中称为标准一。
在系列模型试验中，为了便于与以往研究成果的对比，增加了一组更严重的破坏标准，即将一块砌块脱出即视为破坏，或称为失稳。在试验中将护面砌块在某一波浪条件下发生跳动、位移且临近滚落损坏而还没有发生损坏的状态称为临界稳定，此时的作用波高成为临界波高，这个标准称为标准二。
观察试验断面各部位在波浪作用下的稳定性情况时，每次试验均重新铺设试验断面。
模型中砌块的安放满足当周围砌块固定时，单个砌块易被拔出。试验中，在不同水位和相应的波要素作用下，观察砌块的稳定性，记录砌块松动至脱落的全过程。
由于所取的试验比尺较大，模型水深较大，试验断面分为107.4m戗台上、下两部分分别进行。
主坝护面结构稳定试验在戗台以上砌块厚度先采用30cm，戗台以下砌块厚度先采用24cm。
试验组合包括：
1)坝坡坡度分别取1∶2.5、1∶3、1∶3.5
2)波周期分别采用3.0s、3.9s、4.5s、6.0s
3)垫层分别采用天然级配，表层增加20cm厚、粒径4～8cm不含小于5mm泥沙的砂砾料。
系列试验断面采用单坡结构，由于水深只是对波长产生影响，本次试验的水深只选取一种11m(原型值)。以往研究结果表明，水位在戗台附近时，可能对护面砌块稳定产生影响，因此在试验中增加了一组水位在戗台以下40cm的砌块稳定试验。砌块临界稳定判别标准分别为标准一和标准二。具体试验组次见表2。
表2系列试验组次


*同时进行了规则波试验。
分别按不规则波和波高等于H_5％的规则波进行试验。
结果显示，107.4m戗台以上，在不规则波浪作用下，采用30cm厚度砌块的坝体表面变形较小，只有个别砌块发生翘起，随着波浪作用时间的增加(相当于原型8小时)，最大翘起4cm，处于稳定状态。在H_5％规则波作用下，坝体表面变形较小，静水位附近的砌块与不规则波作用时现象类似，最大翘起3cm，处于稳定状态。
24cm厚砌块在不规则波浪作用下，个别砌块翘起，随着波浪作用时间的增加(相当于原型3小时)，最大翘起11cm，护面砌块表面已很不平整，失稳。
在H_5％规则波作用下，坝体表面变形较小，静水位附近的砌块与不规则波作用时现象类似，最大翘起7cm，处于临界稳定状态。
107.4m戗台以下，对于24cm厚砌块，在不规则波浪作用下，静水位附近坝体表面产生变形，有个别砌块在大波的作用下发生震动，随着波浪作用时间的增加(相当于原型8小时)，个别砌块翘起，最大翘起7cm，处于临界稳定状态。
在H_5％规则波作用下，坝体表面变形较小，静水位附近的砌块与不规则波作用时现象类似，最大翘起6cm，处于稳定状态。
对于20cm厚砌块，在不规则波浪作用一次(相当于原型10分钟)时，坝体表面砌块有个别隆起；造波3次(相当于原型30分钟)时，坝体表面出现明显变形，砌块翘起幅度加大，随着波浪作用时间的增加(相当于原型2小时)，最大翘起10cm，砌块表面已很不平整，失稳。
可见，2倍多年平均年最大风速的波浪条件下，107.4m戗台以上，开孔率为20％的30cm厚护面砌块满足稳定要求。2倍多年平均年最大风速的波浪条件下，107.4m戗台以下，在正常蓄水位(106.0m)情况下，开孔率为20％的24cm厚护面砌块可以满足临界稳定要求。
实验还证明，1.5倍多年平均年最大风速的波浪条件下，107.4m戗台以上，采用开孔率为20％的30cm厚护面砌块，坝面平整度较好；107.4m戗台以下为开孔率为20％的24cm厚护面砌块，坝面平整度较好。