适应河床局部形态条件的柔性挡土墙

适应河床局部形态条件的柔性挡土墙

作者：吴畏

摘 要： 应用最广的石笼箱有两种，一种是由钢筋骨架和编制网组成，一种是无骨架的编制网，编制网为六角形孔眼，石笼内装河卵石或块石

关键词： 河床 柔性 挡土墙 局部 形态

防止河岸冲刷和土地被水侵蚀的有效方法是采用柔性护岸工程。现在采用最广的是柔性挡土墙—石笼箱，石笼箱装满块石，并一个挨一个地码放。石笼的大重量保证了这类挡土墙的可靠性。

制造石笼采用的金属丝，强度极限为38-50公斤/毫米2。镀锌层密度240-275克/平米。为了防止石笼锈蚀，例如用于海洋护岸工程的石笼，可以在镀逛商店金属丝上涂以聚乙烯氯保护层，厚0.4-0.6毫米。镀锌层密度为260克/平米，运用时间可达35年，镀锌层密度为130克/平米，运用时间达20年。 装入石笼中的石料，当其抗冻性能冻融循环次数大于50，密度又大于1700公斤/立米的任何石料都可以采用。石笼中石料间的空隙，逐渐被淤泥冲满，石笼形成了砌体，增加了石笼强度。

这种挡土墙的主要缺点，是不能承受弯曲荷载，所以这种挡土墙修建的都不高。萨勒马科汰的石笼挡土墙，在大的弯曲荷载—动水压力作用在挡土墙北面时，挡土墙被破坏了。

分析护岸工程的调查表明，水流和河床的形态因素是选择护岸工程方案的客观指标。必须考虑的水流主要形成因素有流速、水深、含沙量和洪水期的持续时间。选择护岸工程方案时，应当考虑的河床主要形态因素是泥沙颗粒组成和河床纵坡。

在河床水工中重要的指标是弗劳德数，其确定公式为

式中，V —平均流速；H —最大流量时的水深；g —重力加速度；

α—流速不均匀分布系数，α=1.1。

这个指标包含了两个形态因素：流速和水深。

河床稳定性的其他重要指标，是罗赫基推荐的河床稳定性系数。这个指标与泥沙颗粒阻力和水流拖泄力的比值有关。泥沙颗粒阻力可挖地取正比于泥沙颗粒重量，即d3（d —颗粒平均粒径，毫米）。而拖泄力是作用在颗粒上的动水压力，即V2d2的乘积。因为在其他相同条件下，V2正比于纵坡I ，那么，作用在颗粒上的压力正比于d2I ，因此，比值将有下面形式

能随弯曲荷载又经济的一些石笼箱挡土墙方案已取得专利权，这类石笼呈抛物面圆柱形，并有砼护面，以及有砼护面和编制网锚固。

抛物面圆柱体石笼挡土墙的修建要一步步完成（图5）。首先在地基上放置好下层网，并要形成搭接（图4略）。在网的搭接处将金属丝拧在一起。将网全部放置好后在放置骨架，骨架也呈抛物面圆柱形。地基上的抛物线可按下式描述

式中 X、Y —地基上抛物线横坐标和竖坐标；B 石和h 石—石笼的宽和高，B 石=（2～4）h 石。

装满石料石，将骨架取下。在已放置好了的抛物面圆柱形石料的上面，可铺置上一层网，这一层铺设就容易些了，可用金属丝拧在下层网上。每一个抛物面圆柱体每延米长要有6-10个金属丝拧结，金属丝粗4-5毫米，极限抗拉强度可达800-1300公斤。接下来放置第二层石笼，这层石笼也要用金属丝同下层拧牢。第二层石笼铺置后，接着铺置第三层，这样就一步步地完成了石笼挡土墙的修建。这种石笼挡土墙可以较高，而又薄，可以承受弯曲荷载。

抛物面圆柱体石笼挡土墙 1-挡土墙；2-双拧结六角形孔眼网；3-挡土墙背水面；4-编制网；5-拧牢金属丝；6-柔性护底

石笼的合理高度在0.2-0.5米。在这个高度下石笼宽应在0.7-1.0米范围，而装在网内石料的牢固要最大限度地靠石料与网子侧表面的摩擦力。

为了加强挡土墙在弯曲荷载作用下的承载能力和防止墙体倾倒的稳定性，将挡土墙的横断面常常修建成台阶形，从上层向下层宽度减小。挡土墙背水面是支撑的土体，这样使挡土墙的重心不会移动，并增大了防止墙体倾倒的弯矩。

石笼挡土墙最大缺点是，洪水时在泥沙和其他杂物磨损下，编制网的稳定性不高。这种挡土墙最好在水流动能参数在0.5-1.0，河床稳定系数在1-5，水流中含沙量小和洪水期短的条件下使用。

混合型挡土墙，砼护面在墙的前部。有砼护面的石笼挡土墙为抛物面圆柱体，砼护面在墙的迎水面。挡土墙受压的一侧有浇注砼护面。我们知道，砼受压强度大于其受拉强度数十倍，这样就增大了墙的抗弯曲承载能力。砼层的厚度与计算弯曲力矩有关。砼护面可有效地防止泥沙磨损墙体。混合型接土墙的另一面受拉，可以用钢筋骨架加强。我们知道，钢筋在受拉时强度极限大。工作筋的直径与计算弯曲力矩值有关。这种挡土墙可以有效地应用在任何水流动能参数、稳定系数在1-5以及在高含沙量水流和洪水期常应用。有砼护面的石笼挡土墙，当采用锚固网时，墙体还可以薄一些。

有砼护面和有锚固网的石笼挡土墙，其锚固网是锚固在墙体背后的土体中。有了锚固网就可以减小墙体横断面，这样也会使接土墙更经济，因为墙不能像悬臂梁式的工作，所以计算弯曲力矩减小了。

柔性挡土墙的计算。包括挡土墙冲刷计算、挡土墙强度计算；确定挡土墙任一断面上的应力和墙基础底面应力、挡土墙倾覆计算和挡土抗滑计算。

防止柔性挡土墙地基被冲刷的主要方法，是设置柔性护底。护底的放置深度应低于河床底。按照护底的埋深，决定其所需宽度。护底应是柔性的我们的看法是，最有前景的护底应量石笼箱、加筋毛石砼和混合型。现在在切列克河上已建成并正在运用着这类护底。

挡土墙作用范围的水流水力学是个复杂问题。还没有一个概括水流同护岸建筑物相互作用的公式，还没有揭开相互作用现象的实质。推荐的护岸工程计算方法是基于经验公式。这些公式完全可以用于设计。 分析水流作用区挡土墙的工作表明，挡土墙的损坏，到逐渐完全被破坏，多数是因为没有正确的选定建筑物基础的埋置深度。在实际中有这种情况，挡土墙地上部分建造的很好，但由于其地下部分埋置深度不够，在地基附近形成冲坑，使建筑物完全损坏。因此，确定挡土墙作用区冲刷坑尺寸及减小冲坑的方法，就是我们计算的主要任务之一。

护岸工程的设计和运用实践表明，确定挡土墙护底宽度的方法，可以采用阿勒塔摩诺夫建议的方法，该方法是基于天然观测数据，可适用于山前河流。

根据阿勒塔摩诺夫的试验，在形成环流的堤防区，假定流入的流量，在流向开始偏向的开始断面处流量为Q ，则这部分流量Q0。可分成两部分：下部流量Q 下，对河底有冲刷作用，

Q 下=βQ0 （4）

上部流量Q 上，对挡土墙基础没有冲刷作用。

Q 上=Q0(1-β) （5）

系数β与挡土墙导致的水流偏向长有关，可按下式确定

β=0.25l0.25

与α角有关的连续挡土墙对环流条件有不同影响。α对冲刷坑尺寸的影响可以用系数K α计入，K α可以用试验方法确定

堤防地基的冲刷坑深度，可按下式确定

H=(h0+AR)Kα （7）

式中R —冲坑的水力学半径，可按与C 值和河床土料的允许流速V 有关的图确定

A和C —与比值ψ=d∶D 有关的系数，d 和D —水流泥沙平均直径和最大直径，或者是建筑物断面处的河床土料平均直径和最大直径；h0和V0—日常条件下水流平均水深和流速。

防止挡土墙地基冲刷的护底宽f ，可按下面关系式确定式中—冲坑面积；hp=AR-冲坑深；h1—护底埋置在平均河床底以下深。

在确定作用在挡土墙上的土压力时，认为回填土料是理想的松散体。为了挖的计算，作用在倾角不大的挡墙面上的主动土压力，可以取水平向。

为了计算挡土墙断面，可以有两种方案：挡土墙工作如悬臂梁，并以此计算墙的断面面积；另一种是挡土墙如铰接，对这种情况，可以取作双支梁计算。如有的情况，锚固网的数目多于两个，这种情况就属于静不动系统。为了得到计算简图，应建立弯矩图和横向力图，并计算最大荷载。

如果由外部荷载计算的横向力，没有超过砼的内力，那么，在横向力作用下的倾斜断面强度就有保证。用下式检验形成倾斜裂缝的条件，

Q(0.6*Rbt*b*h0) （10）

式中Rbt —砼轴向受拉时的计算强度，当砼等级为B15时，Rbt=0.75兆巴，b=1.0米。

如果满足这个条件，那么，在横向力的作用下就不会产生裂缝。

纵向筋的选取和计算应按最不利的方案—钢筋网从土体中被拉出的情况进行。在这种情况下锚固网的最大拉应力等于钢筋网摩擦力的两倍。

F=2F摩擦 （11）

式中 F—钢筋网从土体中被拉出时的最大拉应力；F 摩擦—当钢筋网从土体中被拉出时，钢筋网骨架同土体一个接触面的静摩擦力

F 摩擦=P*tgφ=γ*h*l*tgφ （12）

式中P —网上面土体重；γ—回填土料容重；h —钢筋网上面土层高；l —钢筋网长； φ—回填土料内摩擦角

当计算挡土墙温度变形时，必须确定可能的温度变形，其确定公式为

Δl=l*α*Δt （13）

式中Δl —挡土墙一个网的绝对温度变形；l —挡土墙一个网长度，l=10米； α—砼线型扩展系数α=1.5×10-5×K-1。

例如，最冷的一天和最热的一天温度差为Δt=50℃。

Δl=l*α*Δt=10*1.2*10-5*50=6毫米

这样，可能的温度变形为6-10毫米，因此，应当设置结构—变形缝。