生態透水混凝土鉸接塊護坡結構在寒區輸水渠道工程中的應用

田 文，馬金龍，張萬瑞，常俊德，李佳民，蘇安雙

(1.黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163316；2.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江省季節凍土區工程凍土重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150078)

生態透水混凝土是由粗骨料、水泥、固化劑和水拌和而成，粗骨料表面包裹一層水泥漿相互黏結形成多孔透水結構。其以透水混凝土作為骨架，通過在內部填充保水性材料實現了表面種植物的功能，應用于綠化道路邊坡、河堤護岸加固[1-4]。鉸鏈式護坡在歐美等國家被稱為ACB 體系(Articulated Concrete Blocks System )，是將各種型式的混凝土砌塊體通過自身的聯鎖鍵或設置聯系纜繩形成的一種整體護坡面體系[5]。其具有施工速度快、整體穩定性強和生態景觀性好等優點，歐美國家從20世紀80年代中期開始廣泛采用此類護坡結構，尤其是在海岸、河道等水流作用環境下。 我國國內目前采用的混凝土塊鉸鏈軟體排等就是此類結構，也出版了一些標準[6-7]。混凝土塊鉸鏈軟體排通過繩纜連接，其具有良好的適應基土變形的能力，可以減少由于遇到不良土質、沉陷、膨脹土、堤防塌陷、結冰隆起等引起的破壞[8-10]。

寒區水利工程邊坡防護襯砌結構包括預制混凝土板、雷諾墊、預制混凝土連鎖板等結構，經過對某些大型工程的現場調研發現以下3個問題：

(1)剛性護坡(混凝土板)適應凍脹變形能力差。

(2)雷諾無法錨固，凍融下易引發滑塌破壞。

(3)傳統鉸接塊凍融變形不易恢復。

針對寒區襯砌工程存在凍害破壞問題，黑龍江省水利科學研究院結合工程需求和生態型工程發展趨勢，將生態透水混凝土和鉸鏈式護坡兩種理念深入融合，研發了生態透水混凝土鉸接塊材料及鉸接防護結構。

如圖1所示，生態透水混凝土鉸接塊是由水泥基膠凝材料、固化劑、堿度調節劑、高性能外加劑、骨料組成的一種無砂混凝土，采用震動壓制成型工藝，單臺設備可實現6塊/min的生產效率。

本工程突破了傳統無砂混凝土強度低、抗凍性差的缺點，強度達到C25～C30，抗凍等級F300，透水速度達到0.6～1.0 cm/s。

實現無模自然條件下養護，且無需采取附加養護措施；早期強度提升快可實現12 h搬運，24 h 拼裝，72 h吊裝施工；幾乎無堿性析出物，長期浸泡pH值為7～9，呈弱堿性利于植物生長，有利于機械化鋪裝，施工效率1～5 m2/min。生態透水混凝土鉸接塊通過繩纜在縱、橫方向上連接形成鉸鏈軟體排結構，變形適應能力強，特別適合在凍害嚴重的寒冷地區應用。

圖1 生態透水混凝土鉸接塊塊體設計和纜繩連接方案

1 應用背景

紅旗干渠為東城水庫和紅旗水庫的引水干渠，自北引總干渠烏南段尾端113+472紅旗進水閘起，向西南穿過老301國道、G015國道，途徑東城水庫，入紅旗水庫，長39.43 km。紅旗干渠現有渠道設計流量為19 m3/s。紅旗干渠坡洪主要來自右側，但右側上游有黑魚泡滯洪區，可攔洪和調蓄，但黑魚泡滯洪區下泄渠道于樁號21+729處與紅旗干渠交叉，為立交。紅旗干渠渠道上現有建筑物17座，其中進水閘2座(烏南總干紅旗干渠分水閘、紅旗水庫進水閘)，東城水庫進水閘樞紐1座(東城進水閘及節制閘，東城水庫中已實施)，橋10座(交通橋4座，農道橋6座)，跌水3座，黑魚泡平面交叉1座。

地勘資料顯示，紅旗干渠分布有廣泛的分散性土，土質條件極為惡劣，加之2016年9月紅旗干渠上段發生大量降雨，渠底外側地面形成大面積積水，造成地下水位上升，堤體內浸潤線升高，待渠道供水期結束后，水位降落，出現滑坡。2017年3月，應引嫩工程建管局邀請，現場調研了北引紅旗干渠襯砌工程的破壞情況，分析認為北引紅旗干渠部分渠段襯砌結構滑塌破壞主要有以下幾個原因。

(1)工程分布區域內凍脹性土、膨脹土、分散土等特殊土分布廣泛，幾乎所有現狀渠道的破壞都受到凍脹作用的影響，而原采用的不透水包裹分散性土的治理思路，在渠外水位較高的條件下，外水滲透入渠的通道不暢，導致土體在凍前含水量高，在強凍融循環作用下，襯砌體滑坡破壞。

(2)輸水渠道仍然承擔著渠內供水任務，導致整個施工期嚴重縮短，同時施工期內部分工序無法保證干地施工條件，工程施工質量難于控制。

(3)由于整個干渠工程以半填半挖型渠道為主，單位工程或分部工程施工完成后在供水期馬上通水，部分渠基土沒有足夠的時間完成固結既進入飽和負載狀態，對渠基土穩定產生不利影響。

(4)冬季渠內水無法完全排空，導致凍結期局部地下水位較高，凍脹作用更加強烈，同時固腳以及一定高度范圍內的護坡結構承受了額外冰推力的作用，惡化了護坡襯砌結構服役環境，加速了破壞。

(5)破壞渠段堤外地勢高且有積水，供水期水位也低于堤外水位，滲透過程以堤外向堤內滲透為主，由于堤體主要以滲透性小的黏性土為主，滲流過程緩慢，停水后至上凍前堤內滲流水位降低幅度較小，導致凍前堤體含水量很高，凍脹作用強烈。

2 示范工程

2.1 設計原則

針對紅旗干渠滑塌破壞的原因以及工程現場的特點，確定該試驗段設計理念為：采用透水型襯砌結構，盡量排出渠體內的水分，降低浸潤線和凍前含水量，減輕凍脹；采用柔性更好，能夠及時跟隨基土凍脹融化變形的襯砌結構形式，更好的適應基土的凍脹融化變形；宜采用坡頂錨固代替固腳維穩的襯砌結構方案，防止襯砌結構的滑動穩定。

2.2 設計方案

生態透水混凝土鉸接塊護坡結構示范應用在紅旗干渠2+460～2+660渠段，該區段為水毀修復渠段，固腳使用格賓網箱沿坡向向上分別為40 cm、20 cm格賓石籠，石籠下為復合土工膜。在進行生態透水混凝土鉸接塊護坡結構設計時，根據現場情況保留了格賓網箱固腳和與之相鄰的40 cm格賓石籠護坡，此外的其他結構重新進行設計。襯砌結構設計方案為渠道邊坡1∶3，從固腳沿坡向襯砌結構依次為40 cm格賓石籠、透水混凝土鉸接塊，在40 cm格賓石籠和透水混凝土鉸接塊的連接部位，采用拋石回填，避免兩種結構產生相對滑移變形時露出反濾料。襯砌結構下設20 cm中粗砂和20 cm砂礫石組成級配反濾層，在透水混凝土鉸接塊襯砌結構頂端將透水混凝土鉸接塊按照一定的角度深埋進渠坡內，形成對整個透水混凝土鉸接塊襯砌結構的提拉作用，典型斷面結構如圖2所示。

圖2 生態透水混凝土鉸接塊結構設計圖

2.3 現場施工情況

2017年11月16日—12月3日項目組在現場完成了透水混凝土鉸接塊示范工程的建設，施工是在-11～-24 ℃的氣溫條件下完成的，部分施工過程如圖3～圖6。

圖3 渠頂錨固槽鋪設

圖5 錨固端回填

圖6 施工完成后全貌

3 現場觀測結果分析

為了深入了解透水混凝土鉸接塊服役期表現，對示范段進行了觀測，參數包括現場氣溫、凍結深度、表面變形、坡面滲壓和地下水深。

3.1 現場氣溫

現場氣溫數據來源于安達氣象站提供的氣象數據，安達地區氣溫過程線如圖7所示，氣溫低于0 ℃的天數為134 d，最低氣溫為-25 ℃，凍結期平均氣溫-14.4 ℃，2017—2018年度安達地區計算凍結指數為1921 ℃·d。凍結指數的過程線如圖8所示。

圖7 安達地區2017—2018年度日氣溫過程線

圖8 安達地區2017—2018年度凍結指數發展過程線

3.2 凍 深

凍深測量采用等溫面代替凍結鋒面的方法。首先通過試驗來確定現場土體的起始凍結溫度值，在渠道堤體內埋設PT100溫度傳感器，利用內插法補充溫度數據，當溫度數據隨時間變化達到現場土體的起始凍結溫度值時，認為該土體位置處于剛好凍結狀態，即位置的豎向坐標值為凍深。為了對比生態透水混凝土鉸接塊對凍深的影響，項目組同時測量了同一地點雷諾墊和裸土邊坡的凍深發展過程，如圖9所示。實測透水混凝土鉸接塊最大凍深208.3 cm，雷諾護墊最大凍深218.8 cm，裸土邊坡最大凍深230.0 cm，由于黑色砌塊的吸熱特性，透水混凝土鉸接塊的凍深比裸土削減了9.4%。

3.3 凍脹變形

將GPS RTK技術用于測量襯砌結構的表面變形，在凍融周期內共進行了7次測量，2018年3月15日進行最后一次測量，圖10～圖11為歷次測量透水混凝土鉸接塊與雷諾墊結構表面變形情況，通過對比可以發現：

(1)透水混凝土鉸接塊護坡凍脹變形明顯小于雷諾護墊結構。

(2)馬道凍脹變形較小，靠近渠底的測點凍脹變形量較大，在適當的位置設置馬道，可減緩坡面的凍脹程度，提高邊坡整體穩定性。

圖10 透水混凝土鉸接塊凍脹變形發展

圖11 雷諾護墊凍脹變形發展

(3)由于相鄰塊體間采用的是直平面接觸方式，沒有出現鉸接塊翹起不恢復的情況，解決了傳統咬合接觸的鉸接塊變形翹起的問題。

(4)因采用了頂端深埋錨固的固頂方案，未觀測到結構因基土滑動而整體失穩的現象。

3.4 地下水位

在0+100和2+610兩個斷面，布置地下水位測井2處。其中2+610位于透水混凝土鉸接塊護坡結構背水坡一側距離迎水面堤肩約30 m。地下水位變化情況如圖12所示。從圖中可以看出：

(1)兩處地下水位年度變化趨勢相同，0+100變幅為3.52 m，2+610為2.23 m，7—8月兩處地下水位基本相同。

(2)地下水位高于渠底且進入冬季后地下水位一直降低，水分從內外渠的補水通道，向渠內流動，為渠道凍結提供補給水源，凍脹作用強烈，是本工程段凍脹破壞的重要原因。

(3)4月20日渠道進入輸水期，地下水位快速上漲，表明渠道內外有快速補水通道。

圖12 地下水位變化

3.5 滲 壓

在2+610、2+465和17+200等布置滲壓監測斷面3處，其中2+610位于透水混凝土鉸接塊護坡結構區域，17+200位于預制混凝土板護坡結構區域。滲壓監測結果如圖13和圖14所示。通過對比可以發現：4月20日通水前，透水混凝土鉸接塊襯砌的渠基土滲透壓力變化較小，呈緩慢降低趨勢，通水1個月后滲透壓力明顯增大2.6倍，退水后滲壓明顯下降，表明這種通透的襯砌結構對渠坡滲壓變化影響顯著，水分能夠快速排出。預制混凝土板襯砌的渠基土滲壓相比較高，退水后滲壓有所下降，但最終基本保持準穩定狀態，說明水分不能及時排出。

圖13 透水混凝土鉸接塊襯砌滲壓變化曲線

圖14 預制混凝土板襯砌滲壓變化曲線

4 結 論

通過在北引紅旗干渠中的應用和氣溫、凍深、凍脹變形、地下水位、滲壓等參數的監測，得出以下結論：

(1)針對北引紅旗干渠的特點設計應用的透水混凝土鉸接塊襯砌結構，滿足了工程需求，其通透性結構實現了快速排水，降低凍前含水量的目的。

(2)黑色塊體的透水混凝土鉸接塊吸熱能力強，最大凍深要小于雷諾護墊結構，加之縱橫向繩索的拉結作用使其整體變形協調能力顯著提高，總體凍脹變形也有所減小。

(3)襯砌結構采用深埋錨固的維穩方式，顯著提高了透水混凝土鉸接塊結構的抗滑穩定性，與相鄰的雷諾墊和堆石結構相比未發生明顯的滑動破壞。