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互连板块在防冲护堤中的应用

作者:时泰丝网   发布:2014-12-11 21:27   阅读:2,449次  

兴修水利,利国利民。随着经济的发展,国家对水利基础建设的投入进一步加大,近年来,全国各地相继修建了众多的标准堤防。这些用混凝土砌体和块石构建成的高标准堤坝,其本身的结构是十分坚固的,但在某些恶劣的自然环境中,如在急流的冲刷和波浪的拍击之下,堤坝等水利实施的防护仍然是一个不容忽视的问题,尤其是一些特殊地段的堤坝防护,一直来成为困挠人们的一大难题。我公司研制开发的合金钢网石兜(箱)系列产品成功地解决了水利史上防冲护堤的这一难题。

1  堤坝破损的主要原因及理想防护产品的

防冲刷石笼网

1.1  堤坝破损的主要原因

在自然界中,常因暴雨、潮汐和台风等原因,短时间内水位暴涨,流速剧增,风大浪高,对堤坝安全构成极大的威胁。在常见的堤坝损坏形式中,由以下原因造成的最为居多。

(1)急流、波浪冲刷河床,造成堤趾块石、泥土的大量流失,基础被掏空,使大堤失稳,整个堤坝将出现不均匀沉降,引起坝体出现裂缝、断裂,甚至崩塌的严重后果。

(2)在防汛期间,特别是土坝,因长时间洪水浸泡,降低了坝体的承载强度,高水位对堤坝产生极大的静压力,导致坝体出现位移和滑坡。极易引起渗漏、管涌、溃堤、决口。

(3)波浪对堤面的冲击以及水位回退时产生负压的往复作用,直接破坏坝体表面,进而对坝体产生更为严重的破坏。

1.2  理想的防冲护堤产品的基本性能

(1)必须具有高的防冲能力。所谓高的防冲能力具体包括二方面的含义,即:首先在急流、涌浪的冲击之下,产品本身应有足够的抗冲击能力,不能出现破损;其次产品还必须有足够的凝结力,不能在急流和波浪的冲击下,发生破损和漂移。

(2)必须具有高的柔软性能。防冲护堤产品具有一定的柔软性,一方面可以有效地缓解急流的冲击,消能减速,提高产品本身的抗冲击性能,另一方面可以充分补偿堤防基础的塌陷,适应地基的变化,阻止急流对堤防基础的进一步掏刷。在砌体块石构建的堤坝防护中,此性能尤为重要。

(3)必须具有较高的耐磨和耐腐蚀性能。防冲护堤产品是在各种恶劣的自然环境中使用,这就要求能够经受泥砂的冲刷和各种有害化学物的侵蚀,保证该产品具有较长的使用寿命。

2  现有防冲护堤产品性能上的局限性

长久以来,人们探索出各种防冲护堤的方法和产品,如在坝基抛投块石、扭工块,使用钢筋笼、镀塑镀锌铁丝笼、竹笼装填块石实施抛投等。如果用防冲能力、柔性、耐磨耐腐蚀性能这三方面要求来衡量,这些传统方法或防冲护堤产品,均不同程度地在技术性能上存在局限性。块石或扭工块其本身具有足够的抗冲击能力,但最主要的问题是缺乏足够的凝聚力。在大气中,抛石实方比重约2.3t/m 3 ,但在水中,尤其是混沌的河水中,块石所受到的浮力约为1.1~1.2t/m 3 ,使得块石在水中实际重量将小于1.2t/m 3 ,由于块石彼此独立,当水流速度达到2.5m/s以上时,水流对块石所施加的牵引力将超过块石与地面的摩擦力,此时块石极易出现漂移,这种漂移首先使块石不能很好地起到保护堤趾的作用,其次漂移的块石会重新在水流较缓处沉积,影响江河的泄洪能力。

钢筋笼、铁丝笼、竹笼等传统产品的使用,正是为了克服散抛块石缺乏凝聚力之缺陷,但是钢筋笼、镀塑镀锌铁丝笼、格栅和竹笼,整体耐磨、耐腐蚀性能较差,容易出现锈蚀和老化。钢筋笼由于采用的是刚性框架的焊接结构,本身缺乏必要的柔性,这使得钢筋笼本身抗冲击性能下降,同时也无法紧密地与坝趾表面贴合,也就不能有效地阻止水流对坝趾基础的掏刷。

根据理想防冲护堤产品的性能要求和现有产品方法存在的种种局限性,我们设计了网石兜(箱)系列产品,并获得国家专利认证。

3 网石兜(箱)系列产品的防护机理、性能及技术优势

3.1  网石兜(箱)系列产品的防护机理

堤防防护产品的防护效果,关键取决于防护产品在水流冲击下的稳定性,石料在水流冲击下的牵引切应力可用下式计算:τ = C ( γ s - γ w ) d m

式中: C 防护系数γ s γ w 块石和水的密度 d m 块石的当量粒径由公式可知,当块石和水的密度不变的情况下,防护系数和块石当量粒径与抗漂移能力成正比。此外,石料铺设厚度与石料当量粒径的关系是1.5~2倍。

经试验,散抛块石防护系数约为0.047,网石兜(箱)装填块石时防护系数约为0.10。散抛块石按一定厚度堆放,其初期漂移具有一定的极限性,一旦基本的结构被水流冲垮,铺设厚度改变,随后便出现递增式毁坏,而用网石兜(箱)装填的块石具有良好的透水性和柔软性,经急流冲击后,可以产生蠕动,但基本结构仍保持不变,并达到新的平衡。综合以上两方面的原因,采用相同的石料和铺设厚度,用网石兜(箱)装填块石能够承受的水流速度是散抛块石的3~4倍。

3.2  网石兜(箱)系列产品的性能

网石兜(箱)系列产品选用特殊不锈钢丝,以“六角网”的形式编织而成,丝间缠绕大于2圈,网眼大小及丝径可根据具体使用要求选定。网石兜为圆形筒状,装填块石后可直接吊装实施抛投,施工方便快捷,也适应在水下施工。网石箱外形为矩形箱体状,施工方式可分为二种,一是先在施工现场定位后将网箱展开,然后装填块石并封口,二是先装填块石,使用辅助吊具吊装抛投。网石箱的外形尺寸可根据不同要求定制。

网石兜(箱)系列产品所用材料为特种不锈钢,经浙江省水利水电科学研究院检测,材料物化性能及网石兜整体性能见下表(以网眼尺寸70mm×70mm为例)

互连板块在防冲护堤中的应用

3.3  网石兜(箱)系列产品的技术优势

从表中数据可知,网石兜(箱)具有高的强度、硬度和耐腐蚀性能,由于整体为钢丝编织结构,同时具有很好的柔韧性,与传统的防冲护堤产品比较,网石兜(箱)系列产品具备

如下性能优势:

(1)由于采用特种不锈钢材料,与传统的竹笼、钢筋笼相比,具有更优良的整体物化性能,使得网兜整体抗冲、抗剪切、耐磨耐腐蚀性能更强,使用寿命是传统产品的十几倍,可有效地减少防护工程的重复施工,简化工程维护,降低工程的维护费用,综合经济效益十分可观。

(2)网石兜的使用,使相互独立的块石构成一个整体,在实施抛投后,可在兜与兜之间进一步串接,从而形成更大的整体,有了这种整体的凝结力就可以减少单个块石的质量,块石的间隙增多,块石凹凸不平的表面,起到分解波浪、减缓流速和降低冲击强度的作用,达到防冲、消能、促淤的目的,此外这种“以小拼大”的方式,也给施工带来极大的便利。

(3)网石兜所构成的整体,具有极高的柔性,一方面可有效地缓解水流的冲击,提高网石兜本身的抗冲击能力,同时,这种柔性的整体性能能够补偿和适应基础的塌陷,有效地阻止水流对基础的掏刷,保证坝趾基础的稳定性。

(4)在溪滩治理中,可把河道中的鹅卵石作为网石兜(箱)的填充料,实现就地取材,节省石料费用,又可以疏浚河道,一举两得。

(5)网石兜系列产品不仅仅可用于防冲护堤,如果采用不同的填充料,或以不同的形式组合、连接,可以适应各种复杂的水文条件和地形结构,可以实现导流等其他各种不同的防护用途。在施工中,可以带水作业,减免围堰和排水费用,适应性极强。

网石兜(箱)系列产品,目前已在各种不同环境条件下使用,均获得了满意的效果。

4  实际使用情况

1997年在浙江省衢州市三江治理中,采用网石箱并使用江中鹅卵石作填充料,对堤坝基础进行加固,有效地阻止了凹岸顶冲和崩岸,经历洪水的冲刷,网石箱整体稳定,没有出现腐蚀、断裂、破损和流失,得到当地水利部门好评。

1999年9月在浙江省温州市浅滩围垦中,作为海塘堤防、闸口等特殊地段的防冲、护趾,同样获得成功。1999年8月使用网石兜在萧山市钱塘江标准堤防防冲护趾施工中,获得成功。钱塘江的潮水天下闻名,但它对堤防的危害也十分惊人。萧山围垦十八、十九工段,是钱塘江河口潮位最高,冲击强度最大,水流速度最快的地段之一,流速为4~ 11m/s,涌浪冲击强度8t/m 2 ,潮位高度2.5m,潮差约8m,原采用散抛块石护堤,每米横断面散抛块石8~ 30m 3 ,维持时间2~3个月,块石均被潮水冲失,后采用4~6t/块的扭工块,并用钢筋串接,同样被潮水冲走、移位,在每一米的横断面上累计补抛块石的费用每年大于1000元,该地段每年仅补抛块石的费用累计在千万元以上,但仍无法保证堤防的安全。现采用网石兜单层串接护趾,经历农历七、八、九、十月最大潮位的冲刷,仍保持稳定,网石兜(箱)不锈蚀,不断裂,并出现明显的泥砂淤积,达到了消能、促淤、护趾的目的。

5 结 语

经过实际使用,证明网石兜(箱)系列产品,克服了传统护趾方式的不足,可以十分有效地达到消能防冲、促淤护趾的目的,是一项新型有效的防冲护趾技术,其综合经济效益十分可观。除此以外,网石兜(箱)系列产品,还有更为广泛的应用,在抗洪抢险中,可用于堵决口,堵漏洞,防止凹岸顶冲;在水利工程中,可用来构筑挡土墙、护坡、镇压层、丁坝、顺坝、堰坝、围垦等;在软土地基和沼泽地的治理中,可用于构建重型机械通道;在北方寒冷地区,可在冰封的河面上堆放网石箱,待冰层融化后,网箱自动下沉保护堤趾,防止急流对堤坝的冲刷;如果将网箱的高度稍加改变,用混凝土替代块石,分割浇筑,就可以形成合金钢网互连混凝土柔性板块(已获国家专利),用于小流域治理、水土保持、护坡、护底,既可以降低工程造价又可获得同样的防护效果等,限于篇幅,不一一尽述。总之,网石兜(箱)、柔性砼互连板块系列产品作为一种新型工程材料,有着优良的技术性能和极强的适应性,值得广泛推广使用。

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