模袋混凝土护坡技术.docx

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模袋混凝土护坡技术

　　技术特点：

整体性好、抗冲刷能力强、经久耐用、技术先进、设备简单、施工快捷，可在水上、水下同时施工，各种不同连接方式，适应各种地形，价格合理（略高于浆砌块石），厚度10～50cm，护坡角20。

～28。

。

　　适用范围：

大江大河、内陆河道、湖泊、水库、海防堤坝的护坡。

模袋结构

TheStructuresofConcreteMats

长江江阴段模袋混凝土护坡工程施工现场

TheConstructionSiteoftheConcreteMatsProtectingtheSlopeoftheYangtzeRiverinJiangyinCounty

运行15年的模袋混凝土护坡工程

TheProjectoftheSlopeProtectionConstructedwithConcreteMats15YearsAgo

长江江阴段模袋混凝土

TheProjectoftheSlopeProtectionConstructedwithConcreteMatsinJiangyinCounty

----产品用途

ARMORFLEX不论在空隙内有无植草都会对下列场所提供非常好的耐久、灵活而透水性的基土保护作用：

·海岸

·暴风雨（雪）排水小沟和小溪

·挡土墙墙脚处

·湖泊和水库岸坡

·内陆河道、明渠和河口

·各种堤防和丁坝

·桥墩

·沙丘

·船舶下水坡道

·水下管道（如石油管道、海底光缆等）的保护和不同管线交叉处隔离作用

·挡水建筑物如土石坝的仰水面，造价人才网可溢流土石坝下游面

·水池和盆地的水土保持

·野生动物横越陡坡或矩形断面渠道处

1土工模袋基本情况简介

　　土工模袋是利用一种双层聚合化纤合成材料制成的连续（或单独）的袋状产品。

土工合成材料应用于工程是近二十年发展起来的一门新技术，七十年代末引进我国并研制使用。

　　模袋混凝土是通过用高压泵把混凝土或水泥砂浆灌入模袋中，混凝土或水泥砂浆的厚度通过袋内吊筋袋、吊筋绳（聚合物如尼龙等）的长度来控制，混凝土或水泥砂浆固结后形成具有一定强度的板状结构或其它状结构，能满足工程的需要。

土工模袋作为一种新型的建筑材料，可广泛用于江、河、湖、海的堤坝护坡、护岸、港湾、码头等防护工程。

具有如下优点：

（1）土工模袋施工采用一次喷灌成型，施工简便、速度快；

（2）土工模袋能适应各种复杂地形，特别在深水护岸、护底等不需填筑围堰，可直接水下施工，机械化程度高，所护坡面面积大、整体性强、稳定性好，使用寿命长；

　　（3）土工模袋具有一定的透水性，监理工程师论坛在混凝土或水泥砂浆灌入以后，多余的水分通过织物空隙渗出，可以迅速降低水灰比，加快混凝土的凝固速度，增加混凝土的抗压强度。

　　2土工模袋的类型

　　土工模袋根据其材质及加工工艺的不同，分为机制模袋和简易模袋两大类。

其中机制模袋按其有无反滤排水点和充胀后的形状可分为五种类型。

各种类型模袋的厚度范围及主要用途见表1：

　　表1模袋的类型及应用

　　3土工模袋护坡在工程中的应用

　　3.1问题的提出

　　2000年4月13～14日，东深供水流域石马河中上游的深圳及东莞地区连降暴雨，石马河河水骤涨，14日，距东江约200m处的太园抽水站反虹涵涵管处的新开河水位为6.0m，而此时的东江水位仅为1.05m，两者水头差约4.95m。

巨大的下泻流量和水头差致使新开河反虹涵下游200m范围河床遭受严重的冲刷破坏，在反虹涵涵管至交通桥之间的两岸东江大堤出现不同程度的崩塌。

险情威胁到新开河反虹涵、东江大堤以及两岸交通桥的安全。

　　新开河反虹涵是东深供水的必经之道，一旦失事，东深供水将全线瘫痪，后果不堪设想。

2001年3月广东粤港供水有限公司投资兴建新开河河口应急防护工程，对新开河反虹涵上下游河道及两岸进行防护并在河口兴建消力池。

由于河道常年有水，两岸局部护坡工程存在水下施工的问题，故我们决定对1.0m高程以下的部分护坡及护脚采用土工模袋混凝土保护。

　　3.2土工模袋护坡的参数设计

　　根据工程的性质、防护目的、地形条件、水文地质、水流条件以及工程的重要性等综合考虑选用模袋的类型，本工程选用无反滤排水点模袋（NF型），其基本参数设计包括：

模袋厚度确定、边坡稳定分析、排渗考虑及抗滑措施等。

下面结合工程实际逐一分析：

　　3.2.1模袋厚度确定

　　土工模袋的厚度应能抵抗在水下漂浮和抵抗冬季坡前水体冻胀水平力，由于本工程地处亚热带，附近博罗站多年平均气温21.9℃，故本工程无须考虑抗冰推所需要的模袋厚度。

　　抗漂浮所需厚度按式

（1）估算：

　　式中：

c——面板系数，大块混凝土护面，c＝1，护面上有滤水点，c＝15；Ｈw、Ｌw——波浪高度与长度，m；Ｌr——垂直于水边线的护面长度，m；m——坡角a的余切；γc——砂浆或混凝土有效容重，KN/m3；γw——水容重，KN/m3。

　　本工程模袋护坡采用的是无滤水点、来填材料为混凝土模袋，因工程安全性高，模袋设计厚度为40cm，而按式

（1）计算出的δ＜40cm，故本工程选择的模袋厚度满足抗漂浮要求。

　　3.2.2模袋抗滑稳定分析

　　模袋在充灌满混凝土后，由于自重产生下滑力，特别是袋内混凝土未固化时，下滑的可能性最大，因此要验算模袋与护坡面之间的摩擦力是否大于自重产生的下滑力，并满足一定的抗滑稳定安全系数。

其抗滑稳定安全系数可按式

（2）计算，在这里未考虑坡顶（水平段）的摩擦阻力和采取的抗滑措施。

　　式中：

Ｌ2、Ｌ3——模袋长度，m；α——坡角（°）；ｆcs——模袋与坡面间摩擦系数，应由试验测定，无试验资料时，可采用ｆcs=0.5；Ｆs——安全系数，应符合标准SDJ218-84的规定。

　　根据公式

（2）的计算，新开河模袋护坡抗滑稳定安全系数满足要求。

3.2.3抗滑措施

　　为增加模袋护坡的抗滑稳定，本工程采用水上锚固沟、水下不分散混凝土压重的方式进行锚固；增加了模袋护坡的抗滑稳定性。

　　3.3模袋设计与加工制造

　　3.3.1模袋材料的技术指标

　　根据不同的使用要求，模袋的型号亦有不同。

本工程所用的是江苏某工业用布公司生产的高强机织模袋，其主要技术指标见表2。

　　表2土工模袋的主要技术指标

　　3.3.2模袋的设计与加工制造

　　本工程模袋制作以24m为一个单元，每单元分成6块，每块宽4m，长度则根据坡比及坡长确定，

　　每块模袋在10高程平台靠斜坡边设注料口一个，水平间距2.0m，相邻模袋间设50cm宽搭接反滤布。

每块模袋的总体尺寸考虑坡长、纵横向收缩率和边界处理要求。

　　3.4充填材料配比

　　模袋护坡混凝土要求有良好的和易性和流动性，易于泵送。

本工程采用的混凝土配合比为：

水泥244kg、粉煤灰122kg、砂716kg、石1093kg，塌落度以23cm控制。

模袋混凝土设计抗压强度为31.5MPa，实际抗压强度为32.3MPa。

　　4模袋护坡的施工

　　4.1修坡平仓

　　用1m3反铲挖掘机在10高程平台按设计边坡1∶2.5进行水下开挖，边开挖边测量高程，开挖完成后，潜水员在水下进行平仓，高挖低填，直到仓面符合设计要求为止。

　　4.2模袋铺放

　　模袋在工厂加工成形后运输至施工现场，在岸边用缝纫机缝好，由上而下铺放，模袋平铺在坡面上，同时铺顺搭接反滤布，3寸钢管穿在模袋上端，葫芦拉住钢管栓在地锚上，整个模袋铺放顺序自上而下进行。

　　4.3.混凝土浇筑

　　模袋混凝土采用泵灌法施工。

浇筑过程中，混凝土泵管与模袋注料口用铁丝扎牢固，每一灌口的混凝土充填连续进行，并配以人工踩压平顺，水下由潜水员操作，斜坡段混凝土充填密实饱满后，松开葫芦，取出钢管，继续浇筑1.0m平台及锚固沟混凝土。

水上部分充填好的模袋混凝土及时用高庄水枪清洗表面，并按规范洒水养护。

　　5结论及建议

（1）本工程模袋护坡总长约95m，总面积900㎡，平均厚度超过设计40cm，实测混凝土抗压强度32.3MPa。

模袋表面平直美观，整体性好，满足了本工程水下护坡的要求；

（2）采用模袋混凝土护坡代替传统的块石及混凝土护坡，施工简便快捷，且能进行水下施工，，解决了块石及混凝土难以进行水下护坡施工的难题；

　　（3）模袋护坡作为一种新型的防护工具，种类多、造价低，能满足不同工程的需要，可以广泛推广使用；

　　（4）对于充填材料，应根据不同型号的模袋，在满足混凝土设计强度的前提下，应根据模袋的型号选用骨料，并通过现场试验找出满足模袋混凝土充填所要求的流动性及和易性的配合比。

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

0.091

〈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

2.0

3.0

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

种类

粗粒料

最大尺寸

（mm）

坍落度

（cm）

空气

含量

（%）

水灰比

W/C

（%）

细粒料

比率Sa

（%）

单位质量（kg/m3）

备注

水泥

细粒料S

粗粒料

水

C-10

C-15

23±2

382

365

938

963

637

654

248

237

混合剂、AE剂、减水剂

C-25

C-25W

21±2

326

386

851

909

867

785

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：

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。

图4-3 抗冰推计算简图

　　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

1一模袋混凝土；2一软体排锚固槽（或桩）；

3软体排；4—土工织物；5一冲刷后地面

　　（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

3×57

3×68

15×15

3.80

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

（a）平面图；（b）断面图

（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。

图4-7三维网垫植草护坡

图4-6 普通草皮和加筋草皮护坡极限

抗冲流速与淹没时间关系

　　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；

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