蜂巢格室約束系統在河道治理修復工程中的應用研究

劉春吉　武志強

摘要：本文首先分析了生態護坡的功能和應用原理，然后結合通州區涼水河治理工程實例，闡述了蜂巢格室約束系統施工技術，然后對“蜂巢格室約束系統”與水工互鎖砌塊護底進行分析，為工程提供施工方面相關數據。

關鍵詞：蜂巢格室;河道治理;生態護坡;環保;施工技術

前言

水工互鎖砌塊在河道治理工程中已經應用多年，施工工藝成熟，但在當今“生態工程、保護環境”的工程理念下，其過于陳舊的工藝已經明顯不足。蜂巢格室約束系統是一種基于土工巢室技術在聚烯烴矩陣里以穩定的聚酯纖維納米光纖（聚酯纖維或尼龍）為基礎的高分子納米合金新技術集成應用系統，多用于穩固地基、邊坡防護等，具有質輕、耐磨、施工便捷等特點，但在通船航道護底中應用的可參考案例極少。

本文通過在通州區涼水河治理工程航道末端1km范圍使用“蜂巢格室約束系統”進行護底，作為試驗段與上游2km采用水工互鎖砌塊護底的標準段進行對比，記錄、分析新工藝與傳統工藝間存在的差異。

一、生態護坡技術應用原則

生態護坡技術的采用可以滿足河道護坡功能的同時，對河道生態環境平衡有著恢復保護作用。生態護坡技術可以分為植物護坡和植物工程措施復合護坡技術，在施工實踐中應遵循以下原則。

1.水力穩定性原則

邊坡防護設計應滿足岸坡穩定性要求，岸坡水力穩定性的影響因素有下面幾點： ⑴岸坡持續沖刷引起的水力失穩;⑵表面土滑動破壞導致水力失穩;⑶深層土壤滑動導成的水力失穩。所以，應分析岸坡穩定性的水力參數以及巖土參數，以實現護坡的水力穩定性設計。

2.生態原則

生態護坡設計應與生態過程相協調，盡量減少對環境的破壞。這種協調意味著設計應尊重物種多樣性，減少資源匱乏，維持營養和水循環，維持植物生存環境和動物棲息地的質量，并有助于改善生存環境和生態系統的健康。

2.1當地原則

通過對當地自然環境和文化信息進行分析，設計應與當地自然環境和文化相協調。主要體現在：適應場地的自然過程，在設計過程中考慮具有地方特色的自然因素，保持場地的健康發展，結合當地的地自然條件，盡量采用當地苗木、石料等材料。

2.2保護和節約自然資源的原則

對于自然生態系統的物流與能量流，生態設計強調的處理方案有下面幾點：首先重點保護不可再生資源;降低能源、水、土地以及生物資源的利用，采用原始材料，包括植被、石頭、土壤等提供新的功能，以盡量減少資源與能源的損失;以保證邊坡防護的良性循環，促進生態環境的可持續發展。

二、原材料性能指標

蜂窩材料設計為蜂窩約束系統，以國產HDPE為主要材料。巢室規格為330-150，錨密度為840mm×735mm梅花排列，錨釬采用φ14-850專用錨鉆機。在蜂窩約束系統最上端的橫向蜂窩室起始單元處逐格固定，并應安裝限位帽。錨鉆機應為φ14-850專用錨釬。

三、蜂巢格室系統組成解析

1.巢室結構

蜂巢格室的外觀就像蜜蜂居住的蜂巢，有著增加土體的整體性、連貫性、穩定性的作用，蜂巢格室約束系統的原理就是利用平面及立面的高度對土體進行三維立體限制。蜂巢格室是由新型的高分子合成材料，通過超聲波焊接而成的三維網狀物。將網狀物通過連接構件相互連接，再向蜂巢格室內填筑碎石，使其有較強的側向限制和剛度的結構，從而代替傳統的水工互鎖砌塊，對航道內的土壤進行固定和修復。如圖1所示。

2.蜂巢格室的連接構件

試驗段河道上口線最寬處可達160m，過水斷面大，水流較急，所以只靠蜂巢格室自身以及填筑碎石顯然不能滿足對土壤的加固及修復作用，除此以外還需要通過許多連接構件將一個個蜂巢格式連接起來，是其達到足夠的強度和剛度。如圖2所示。

2.1 使用不同抗拉強度的高強度高分子加筋帶

為滿足蜂巢格室整體的受力穩定性，需使用抗拉強度不同的加筋帶，加筋帶的作用如下：（1）提供額外穩定性抵御重力、水力及浮力。（2）可用于有高流量或有土工膜墊層、硬土/巖石阻止釬固時。

2.2限位帽

限位帽位于蜂巢格室內部，如圖3所示。用于固定高分子網片和連接件，使其連接牢固，限制連接件的水平移動，限位帽主要有兩個用途：（1）與特定外徑的錨桿組裝成專用錨釬。（2）在特定的荷載傳導節點上綁扎加筋帶，形成一個荷載傳導機制。

2.3專用錨釬

在安裝蜂巢約束系統過程中，專用錨釬可減少時間和材料成本。專用錨桿是由錨桿及限位帽組成，如圖4所示。具有以下優點：（1）比J形鉤錨釬更易操作，提高安裝生產率且用料更少。（2）加筋帶和錨釬陣列可提供額外的錨固以抵御下滑力和/或隆起力。

2.4 連鍵

連鍵安裝于蜂巢格室內部，如圖5所示。起到連接蜂巢格室網片的作用。為更快搭接與拼接巢室而設計的連鍵，可減少安裝成本與工期，而且連接強度比射針鉚接強3倍。

四、蜂巢格室約束系統施工技術

1.總體布置

航道設計標準斷面為“︺”型，試驗段護底及護坡均采用蜂巢格室約束系統，在坡腳與河底連接部位需加錨桿加固，坡頂增加C30F150鋼筋混凝土梁進行固定，如圖6、7所示。

蜂巢格室整體呈網狀，如圖8所示。按設計高程及平面位置測量放線，控制蜂巢格室整體的線性，保證約束系統的整齊、美觀。

2.施工工藝流程

蜂巢約束系統的施工工藝流程序包括：材料驗收、邊坡整平和施工準備、鋪設土工布、鋪設巢室、錨固作業、鋪設和壓實填料、噴射混凝土施工、表面維護、早期維護等。

3.基槽處理

由于航道土質要滿足一定的地基承載力，所以航道開挖采用挖掘機配合人工進行。在開挖前，根據設計高程進行開挖，開挖過程中防止欠挖，嚴禁超挖。施工時，由挖掘機將上層淤泥清理，開挖至距基面10cm處，改由人工進行開挖，避免對原地基進行擾動。

4.坡體整形

施工時所采用的挖掘機、裝載機配合人工進行整形。邊坡采用挖掘機、裝載機切割，機械無法整形的部分采用人工整形。開挖過程中按設計斷面向外開挖50～100cm至竣工線以下。坡面不能有樹根等雜物。大碎屑應采用機械清理，小碎屑應采用人工清理。邊坡地基應穩定，表面平整，不能有突出或凹陷。

5.無紡布鋪設

航道護底護坡采用300g/㎡無紡布，無紡布主要起到反濾的作用，將土體和碎石分開，在蜂巢格室過水后，能夠過濾一些泥沙。無紡布鋪設前場地上的雜物要清除干凈，鋪設要求平順，松緊適度，并與土面貼緊;無紡布上游壓下游鋪設，相鄰塊搭接長度不小于300mm，坡面頂部和底部應予固定。

6.鋪裝巢室

6.1 蜂巢格室鋪設

在人工在整理好的無紡布上布置蜂巢格室，蜂窩格室應靠近基面且光滑。鋪設時應避免張拉、折疊、起皺等現象。應光滑、有適度彈性，不能拉得太緊。如果出現任何損壞，應及時更換。拉伸幅度從相鄰中心對心進行控制。敷設后及時用地腳螺栓固定，防止滑動變形。

6.2特殊形狀巢室鋪設

⑴ 弧形巢室鋪設：通過改變垂直于單個巢室寬度方向的擴展程度，可以輕松適應弧形區域的覆蓋。此措施僅適用于安裝長度不超過單個巢室寬度的情況。⑵錐形巢室鋪設：沿長度方向逐漸改變巢室展開程度。⑶錐形巢室裁接展鋪：結合施工實際情況，將展開后的巢室切割成符合施工要求的錐形。⑷巢室彎曲切割鋪展：結合施工實際情況將巢室切割成符合施工要求的圓錐體。⑸巢室垂直彎曲鋪設：由于坡度或坡度方向的改變，導致坡度轉彎。鋪設在斜坡上的巢室需要垂直彎曲，以適應斜坡轉彎并靠近斜坡。邊坡轉折處的巢室應采用錨固措施成型，使巢室與邊坡相適應。鋪設的蜂巢格應緊貼基面、光滑，鋪設過程中不能張拉、折疊、起皺等情況。攤鋪應光滑、有適度彈性，且不得拉得太緊。

6.3巢室連接

巢室由專用連接工具進行連接。填料之前應連接所有相鄰的巢室，以保證巢室表面平整。多片巢室可在展開前預先重疊，以提高安裝施工效率。巢室端部飛邊連接、巢室壁板連接和巢室剪切端搭接。

7.蜂巢格室錨固

錨固連接件主要由錨桿、限位帽及連接鍵組成，錨桿是由熱軋帶肋鋼筋錨桿及限位帽組合而成，由其組合成的專業錨桿長度為100cm，錨桿直徑為12mm，如圖9所示，錨桿密度為1.0個/m2。限位帽的尺寸及規格要與錨桿相匹配，蜂巢格室的連接采用連接鍵，連接鍵采用尼龍材質，尺寸和規格要與蜂巢格室相配套。將各個格室連接完成后，方可進行碎石填筑。

8.混凝土梁設置

為確保蜂巢格室約束系統整體穩定性，在坡頂增加鋼筋混凝土梁，如圖10所示。蜂巢格室與混凝土梁使用錨桿固定。

9.混凝土澆筑

蜂巢格室錨固后，進行混凝土澆筑，混凝土側格室應于混凝土入倉同時填塊石，避免變形。由于混凝土梁層厚較薄，混凝土量較少，且格柵強度不夠等因素，混凝土使用人工入模。配備φ30振搗棒等小型震動設備振搗，使混凝土表面呈水平，不再顯著下沉、不再出現氣泡表面泛出灰漿為止。

10.填筑碎石

蜂巢格室內設計填充碎石，碎石粒徑200mm≥D≥40mm。為保證系統穩定不破損，碎石填充需人工進行，且均勻填充。嚴禁機械裝載直在蜂巢格室上卸料裝填。頂部超填100mm，厚度共計300mm。

11.植被和早期養護

巢室填充填料后，應及時在斜坡和底部噴灑草籽。草種選用基本不需養護、根系低矮發達的耐澇抗旱的本土植被，采用噴灌機噴播。播草籽時，用高壓噴霧器定期噴灑使坡面濕潤，養護期根據植被生長情況而定，直到巢室表面形成完整的綠化效果，通常在45天為宜。

12.蜂巢格室質量保證措施

⑴對蜂巢格室進場需對其廠家及其質量進行復檢。⑵要盡量減少蜂巢格室的搬運次數，運輸過程中要及時苫蓋，避免將格室長時間的暴露在陽光下。⑶蜂巢格室施工前，要對基面進行處理，把樹根、垃圾、雜草等雜物清理干凈，保持基面平整、密實，然后再進行蜂巢格室的鋪設。

⑷堤防邊坡根據設計斷面開挖回填后，應采用機械壓實來保證地基的穩定性，表面壓實度不應小于90%。坡面采用人工進行修坡，以保證基礎表面平整。對于淤泥質軟土邊坡，只有在開挖和更換合格土后才能鋪設蜂巢約束系統。⑸蜂巢格焊接搭接長度不小于10cm。焊接后2h內嚴禁拉伸搭接面。

⑹在鋪設蜂巢格室過程囊，錨桿應牢牢地固定在基礎邊坡中。當格室展開時應盡可能地拉動格室，并按最大展開面積盡可能地打開，并用錨桿與限制器進行固定，以保證蜂窩靠近斜坡。底腳應牢固可靠。在坡腳底部可提前挖一條50cm的溝槽，將蜂窩的邊緣鋪入溝槽內固定，然后用填料覆蓋壓實，或直接將溝槽和蜂窩與混凝土澆筑成一個整體。

⑹要檢查蜂巢格室片材的厚度及開孔率，嚴格要求其拼裝工藝及順序。⑺無紡布采用搭設形式鋪設，搭接長度不小于15cm。⑻混凝土振搗中，要避免位移、變形及時處理，澆筑完成后及時進行灑水養護。⑼檢查錨桿深度是否符合設計要求。

⑽覆土過程中按坡頂至坡底的順序，用料斗垂直均勻地振搗拋料，并確保格室內土壤飽滿均勻，高出格室面1～2cm。⑾ 蜂窩約束系統生態護坡植草完成后，應注意后期維護，定期灑水和追肥，注意噴頭與坡面的距離，確保高壓水流不影響地表草坪。

五、工藝總結

1.工藝比較

通過對航道試驗段兩種工藝施工的記錄，將“蜂巢格室約束系統”與水工互鎖砌塊護底進行對比見表1。

2.工藝成效

⑴蜂巢格室壁板有多孔和壓紋結構，通過孔穴內填充的碎石，提供強大的剪切力、摩擦力和側向排水通道，把上部載荷均勻擴散到地基，以提高地基的承載力，適應地基的不均勻沉降，便于施工期機械作業和日常機械清淤，避免船行波對航道的沖刷破壞，避免冬季的凍漲破壞。⑵兩段相同工程量航道同時施工，采用蜂巢格室約束系統施工的1km，完工時間18天，較對比段提前13天，人員設備投入為對比段的2/3。

⑶施工結束后，蜂巢格室剩余廢棄材料較少，清理簡單。

結語

與傳統的工藝相比，蜂巢格室有經濟、環保、便于施工等優勢，作用上也可以替代水工互鎖砌塊，在經歷了2016年北京“7·20”特大暴雨天氣，采用蜂巢格室約束系統施工的1km航道無任何損壞，證明了蜂巢格室應用在航道護底是有很高強度的。現蜂巢格室約束系統已經廣泛用于工程當中，在工程的生態環保中起到了重大的作用。

參考文獻：

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