钢纤维生态水泥加固消落带边坡的结构及施工方法与流程
本发明属于水利工程技术领域，涉及一种对消落带边坡的加固结构及其施工方法，尤其涉及一种钢纤维生态水泥加固消落带边坡的结构及施工方法。
背景技术：
传统的消落带护坡主要有浆砌或干砌块石护坡、普通混凝土护坡、预制混凝土块体护坡等。这些护坡工程的造价相对较高，且水下施工、维护工作难度较大，其最大的缺点还在于它仅仅从消落带岸坡的稳定性和行洪排涝的角度进行设计施工，很少考虑其对环境和生态的影响。主要原因是：1)传统的护坡工程将整个河岸表面封闭起来，隔绝了土壤与水体之间的物质交换，使原先生长在岸坡上的生物不能继续生存，导致生态系统的食物链断开，使土壤和水体中的生物失去了赖以生存的环境；2)传统的水泥护坡在施工中均不同程度地使用一些添加剂，如早强剂、抗冻剂、膨胀剂等，这些添加剂在水中发生反应，促进了水质的恶化。没有绿色的传统护坡失去了原有的生机，这不符合人与自然和谐相处的理念，不满足可持续发展的要求。因此，新型生态护坡技术应运而生。
生态护坡是指开挖边坡形成以后，通过种植植物，利用植物与岩土体的相互作用(根系锚固作用)产生防护、加固边坡表层的效果，使之既能满足对边坡表层稳定的要求，又能恢复被破坏的自然生态环境的护坡方式，是一种有效的护坡、固坡手段。生态护坡是既满足边坡的防护标准，又有利于消落带恢复生态平衡的系统工程，体现了人与自然和环境协调发展理念。
消落带指的是江河、水库季节性水位涨落而使周边被淹没土地周期性地出露于水面的一段特殊区域，是水陆生态系统交错的区域，是一个独立的生态系统，具有水域和陆地双重属性。由于河流受到过度开发利用，消落带的边坡稳定、生态平衡问题已经相当严重。反复周期性的裸露、浸泡和水流冲刷作用，使消落带表层土质疏松、植被覆盖率低、土壤稳定性较差、地表径流增加以及土壤大量流失。消落带岸边水位周期性涨落、风浪淘蚀和冲刷作用，导致岸坡稳定性下降，推动了滑坡、崩塌和泥石流等自然灾害的频繁发生。以三峡水利枢纽工程为例，其库区消落带的落差达到了30m，对当地的生态环境造成了严重的破坏，带来的生态环境问题不容小觑。因而需要对消落带岸堤的生态平衡、环境美化、防水防渗、强度以及整体性等方面提出较高的要求。目前国内广泛采用的砌石挡墙和生态石笼护坡结构造价和养护费用均较高，而生态护坡类型在应用上存在形式单一、不能因地制宜的问题。因此在面对力学稳定性较差的消落带土壤类型时，需要在经济成本和力学稳定性上找到平衡点，开发出一种成本低且力学稳定性满足要求的新型生态护坡技术。
技术实现要素：
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种满足消落带岸坡稳定性和河道防洪排涝功能的前提下，尽可能地用植物与岩土体的相互作用进行边坡的防护、加固，以减少材料的用量，降低造价，节省投资，同时打破传统护坡方式的单调形式，既能恢复被破坏的自然生态环境，又能优化消落带边坡景观的钢纤维生态水泥加固消落带边坡的结构及施工方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钢纤维生态水泥加固消落带边坡的结构，其特征在于：所述钢纤维生态水泥加固消落带边坡的结构包括沿消落带边坡自上而下依次设置的最高水位加固区、水位变化加固区以及常水位线加固区；所述常水位线加固区采用混凝土预制块加砂与石垫层组成的护坡结构；所述水位变化加固区采用第一生态水泥与土工格室组合的护坡结构；所述最高水位加固区采用第二生态水泥与土工格室组合的护坡结构。
作为优选，本发明所采用的混凝土预制块加砂与石垫层组成的护坡结构包括自下而上依次设置在坡表面的粗砂垫层、砾石层、石块层以及混凝土试块；所述粗砂垫层的厚度是10cm；所述砾石层的厚度是20cm；所述砾石层中砾石的粒径是1.5～3.0cm；所述石块层的厚度为50cm。
作为优选，本发明所采用的第一生态水泥与土工格室组合的护坡结构包括锚筋、土工格室、含有适合水陆两生草籽的生态水泥以及主排水沟系；所述土工格室通过锚筋锚固在消落带边坡上；所述含有适合水陆两生草籽的生态水泥填充在土工格室中；所述土工格室上设置有主排水沟系。
作为优选，本发明所采用的第一生态水泥与土工格室组合的护坡结构还包括与主排水沟系贯通的次排水沟。
作为优选，本发明所采用的主排水沟系与次排水沟之间的夹角是60°；所述主排水沟系是一条或多条；所述主排水沟系是多条时，相邻两条主排水沟系之间的距离不大于4m；所述次排水沟是一条或多条；所述次排水沟是多条时，相邻次排水沟之间的距离不大于3m；所述锚筋伸入消落带边坡内的长度不低于30cm。
作为优选，本发明所采用的第二生态水泥与土工格室组合的护坡结构包括锚筋、土工格室、含有适合陆地生长草籽的生态水泥以及主内部排水通道；所述土工格室通过锚筋锚固在消落带边坡上；所述含有适合陆地生长草籽的生态水泥填充在土工格室中；所述主内部排水通道设置在消落带边坡中并与消落带边坡顶部相贯通；所述主内部排水通道底部与第一生态水泥与土工格室组合的护坡结构中的主排水沟系相贯通。
一种钢纤维生态水泥加固消落带边坡的施工方法，其特征在于：所述施工方法包括以下步骤：
1)根据岸堤防护在水位线上下的不同特点，将消落带边坡自上而下依次分为最高水位加固区、水位变化加固区以及常水位线加固区；
2)采用混凝土预制块加砂与石垫层组成的护坡结构对常水位线加固区进行加固施工；
3)采用第一生态水泥与土工格室组合的护坡结构对水位变化加固区进行加固施工；
4)采用第二生态水泥与土工格室组合的护坡结构对最高水位加固区进行加固施工。
作为优选，本发明所采用的步骤2)的具体实现方式是：
2.1)将水位下降至所需的护坡深度处；
2.2)在护坡表面铺设粗砂垫层，所述粗砂垫层的厚度是10cm；
2.3)在粗砂垫层的上面铺设粒径为1.5～3.0cm的砾石层；所述砾石层铺垫厚度是20cm；
2.4)在砾石层上方铺设厚度为50cm的石块层；
2.5)将预制好的混凝土试块放置于石块层上。
作为优选，本发明所采用的步骤3)的具体实现方式是：
3.1)在坡体土方填筑完成一定高度后，先采用液压反铲挖机对填筑边坡进行粗略削坡，使削坡后的坝坡平整度控制在±10cm范围内，在坡面上再进行精确测量放线，包括坡面高程和土工格室铺设的平面尺寸，并在铺设边界线处打设控制桩，标识高程控制标志；
3.2)在坡体上设置主排水沟系以及与主排水沟系相贯通的次排水沟；所述主排水沟系与次排水沟之间的夹角是60°；所述主排水沟系是一条或多条；所述主排水沟系是多条时，相邻两条主排水沟系之间的距离不大于4m；所述次排水沟是一条或多条；所述次排水沟是多条时，相邻次排水沟之间的距离不大于3m；
3.3)对步骤3.1)由液压反铲挖机削坡后的削坡面进行二次人工精确削坡修整，使削坡后的坡面平整度控制在±3cm以内；
3.4)在步骤3.4)所得到的削坡面上铺设土工格室并通过锚筋固定；所述锚筋伸入削坡面内长度不低于30cm，外露10cm，并将锚筋顶端做成180°弯钩，采用捶打的方法顺焊点部位将锚筋打入削坡面内，使锚筋顶端弯钩内侧与格室板材顶面相贴；
3.5)配置含有适合水陆两生草籽的生态水泥，将配置好的含有适合水陆两生草籽的生态水泥倾倒在土工格室上；
3.6)在土工格室上覆盖无纺布，确保含有适合水陆两生草籽的生态水泥中的草籽发芽；
3.7)对填充有含有适合水陆两生草籽的生态水泥的土工格室进行喷水养护；
3.8)待草籽陆续发芽后，第一生态水泥与土工格室组合的护坡结构。
作为优选，本发明所采用的步骤4)的具体实现方式是：
4.1)在坡体土方填筑完成一定高度后，先采用液压反铲挖机对填筑边坡进行粗略削坡，使削坡后的坝坡平整度控制在±10cm范围内，在坡面上再进行精确测量放线，包括坡面高程和土工格室铺设的平面尺寸，并在铺设边界线处打设控制桩，标识高程控制标志；
4.2)在消落带边坡内部设置与消落带边坡顶部相贯通的主内部排水通道；所述主内部排水通道的底部与第一生态水泥与土工格室组合的护坡结构中的主排水沟系相贯通；
4.3)对步骤4.1)由液压反铲挖机削坡后的削坡面进行二次人工精确削坡修整，使削坡后的坡面平整度控制在±3cm以内；
4.4)在步骤4.4)所得到的削坡面上铺设土工格室并通过锚筋固定；所述锚筋伸入削坡面内长度不低于30cm，外露10cm，并将锚筋顶端做成180°弯钩，采用捶打的方法顺焊点部位将锚筋打入削坡面内，使锚筋顶端弯钩内侧与格室板材顶面相贴；
4.5)配置含有适合陆地生长草籽的生态水泥，将配置好的含有适合陆地生长草籽的生态水泥倾倒在土工格室上；
4.6)在土工格室上覆盖无纺布，确保含有适合陆地生长草籽的生态水泥中的草籽发芽；
4.7)对填充有含有适合陆地生长草籽的生态水泥的土工格室进行喷水养护；
4.8)待草籽陆续发芽后，第二生态水泥与土工格室组合的护坡结构。
本发明的优点是：
本发明提供了一种钢纤维生态水泥加固消落带边坡的结构及施工方法，本发明在满足消落带岸坡稳定性和河道防洪排涝功能的前提下，尽可能地用植物与岩土体的相互作用(根系锚固作用)进行边坡的防护、加固，以减少材料的用量，降低造价，节省投资，同时打破传统护坡方式的单调形式，既能恢复被破坏的自然生态环境，又能优化消落带边坡景观。为了减少混凝土内部裂缝末端的应力集中现象，在生态混凝土中加入钢纤维，所以生态混凝土的抗拉、抗弯、抗剪等强度显著提高。同时，由于生态水泥的表面粗糙稳固，应用消落带的边坡上可以大大减小波浪高度，达到防止斜面侵蚀的目的。
具体而言，本发明具有如下有益效果：
1)消能减水，减少坡面冲刷。采用土工格室植被护坡的坡面，在生态水泥中植被未生长时期，表层土体在格室侧壁与土体产生的摩擦力和格室对格室内填土的侧限约束力共同作用下，形成一个网状结构层。土工格室在坡面的网状结构改变了坡面水流的流向，使水流沿格室侧壁边缘流动，延长了水流的运动路线，水流的动能部分消耗在格室侧壁上，坡面水流的径流量和流速均大大降低，起到了较好的消能作用，减轻了水流对坡面的冲蚀。
2)土工格室和植物根系的加筋固坡。本发明将土工格室与生态水泥相结合，充分发挥了土工格室的加筋固土作用，将土工格室内的填充物与土工格室连成一个整体；生态水泥中有机物的使用可使植物根系更好生长，从而尽可能多地利用植物与岩土体的相互作用(根系锚固作用)进行边坡的防护、加固，不仅节省了加固边坡的锚固材料，同时增强了生态水泥边坡的整体稳定性。同时，由于生态水泥的表面粗糙稳固，应用消落带的边坡上可以大大减小波浪高度，达到防止斜面侵蚀的目的。
3)生态混凝土中加入钢纤维可以大大提高生态混凝土的抗拉、抗弯、抗剪等强度。生态混凝土的孔隙较大，所以不可避免会出现应力集中现象，而钢纤维的加入有效解决了这一问题，避免了生态混凝土内部裂缝末端集中问题。
4)植生、改善环境。在消落带中，用生态混凝土土工格室技术护坡，不仅可以防止水流冲刷作用，还可以作为包含微生物在内的动植物的栖息、生存场所，也可以起到保全自然生态系统、美化河流景观、构建自然性护岸的作用。而且附在生态水泥空隙内部和外部表面的细菌、小动物类、藻类等还可以对水质起到净化作用。
5)施工简便，工艺简单。在传统土工格室的基础上，将填土替换为现浇钢纤维生态水泥，不需要大型机械的碾压，仅需要机械倾倒和人工铺摊即可，而工业废料、垃圾焚烧灰、有机质、适合植被生长的土壤和草籽混合浆体仅需要用喷枪喷入生态混凝土空隙中即可。
附图说明
图1是本发明所提供的生态水泥土工格室护坡结构的纵向结构示意图；
图2是本发明所提供的消落带水位变化区边坡主次排水沟的结构示意图；
图中：
1-粗砂垫层；2-砾石层；3-石块层；4-混凝土试块；5-锚筋；6-含有适合水陆两生草籽的生态水泥；7-土工格室；8-含有适合陆地生长草籽的生态水泥；9-主内部排水通道；10-内部排水通道井盖；11-主排水沟系；12-次排水沟。
具体实施方式
以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。
参见图1，本发明提供了一种钢纤维生态水泥加固消落带边坡的结构，该钢纤维生态水泥加固消落带边坡的结构包括沿消落带边坡自上而下依次设置的最高水位加固区、水位变化加固区以及常水位线加固区；常水位线加固区采用混凝土预制块加砂与石垫层组成的护坡结构；水位变化加固区采用第一生态水泥与土工格室组合的护坡结构；最高水位加固区采用第二生态水泥与土工格室组合的护坡结构。
混凝土预制块加砂与石垫层组成的护坡结构包括自下而上依次设置在坡表面的粗砂垫层1、砾石层2、石块层3以及混凝土试块4；粗砂垫层1的厚度是10cm；砾石层2的厚度是20cm；砾石层2中砾石的粒径是1.5～3.0cm；石块层3的厚度为50cm。
参见图2，第一生态水泥与土工格室组合的护坡结构包括锚筋5、土工格室7、含有适合水陆两生草籽的生态水泥6以及主排水沟系11；土工格室7通过锚筋5锚固在消落带边坡上；含有适合水陆两生草籽的生态水泥6填充在土工格室7中；土工格室7上设置有主排水沟系11。第一生态水泥与土工格室组合的护坡结构还包括与主排水沟系11贯通的次排水沟12。主排水沟系11与次排水沟12之间的夹角是60°；主排水沟系11是一条或多条；主排水沟系11是多条时，相邻两条主排水沟系11之间的距离不大于4m；次排水沟12是一条或多条；次排水沟12是多条时，相邻次排水沟12之间的距离不大于3m；锚筋5伸入消落带边坡内的长度不低于30cm。
第二生态水泥与土工格室组合的护坡结构包括锚筋5、土工格室7、含有适合陆地生长草籽的生态水泥8以及主内部排水通道9；土工格室7通过锚筋5锚固在消落带边坡上；含有适合陆地生长草籽的生态水泥8填充在土工格室7中；主内部排水通道9设置在消落带边坡中并与消落带边坡顶部相贯通；主内部排水通道9底部与第一生态水泥与土工格室组合的护坡结构中的主排水沟系11相贯通。
本发明还提供了一种钢纤维生态水泥加固消落带边坡方法，根据岸堤防护在水位线上下的不同特点，将消落带边坡分为三个部分。常水位线以下采用混凝土预制块加砂与石垫层的护坡方法，水位变化区和最高水位以上区域采用生态水泥与土工格室组合护坡技术，但是排水沟以及种植植物的类型不同。
首先，常水位线以下施工：先将水位下降至所需的护坡深度处。在坡表面铺设粗砂垫层1，厚度为10cm。在粗砂垫层1上面铺设粒径为1.5～3.0cm的砾石层2，铺垫厚度为20cm。在砾石层2上方铺设厚度为50cm的石块层3。最后，将预制好的混凝土试块4放置于石块层3上。
其次，常水位线变化区采用生态水泥与土工格室组合护坡施工：
1)测量放线。在坡体土方填筑完成一定高度后，先采用液压反铲挖机对填筑边坡进行粗略削坡，并在削坡过程中，测量人员要跟进控制，使削坡后的坝坡平整度控制在±10cm范围内。而后，测量人员在坡面上再进行精确测量放线，包括坡面高程和土工格室铺设的平面尺寸，并在铺设边界线处打设控制桩，标识高程控制标志。
2)设主排水沟系11。铺装格室的边坡应设主排水沟系11，相邻两条沟之间保持4m的距离；次排水沟12与主排水沟系11的夹角为60o，相邻两条次排水沟之间的距离为3m。主排水沟系11与次排水沟12相连通，消落带边坡积水可以顺次排水沟12快速流入主排水沟系11，最后通过主排水沟系11导入河流中。
3)坡面削坡修整。为满足土工格室铺设成型后坡面的平整度要求，在进行土工格室铺设前，首先应对先前挖机削坡面(土工格室铺设基础面)进行二次人工精确削坡修整，使削坡后的坡面平整度控制在±3cm以内。削坡前，先根据测量控制桩上标识的高程控制标志精确挂线，为保证各部位的削坡平整度，应同时在对角桩上挂线。挂线后采用人工进行削坡、修面，对原先欠挖部位采用就近的削坡土料及时补填，并进行表面夯实，多余削坡土料先集中堆放在削坡范围外，而后集中装车外运。
4)土工格室7定位与铺设。待一定面积的坡面经人工削坡修整且平整度满足要求后，即可进行土工格室7的定位和铺设。首先进行定位，如果是刚开始进行第一块土工格室的铺设，应根据测量放线结果并结合坡面边线或建筑(构筑)物轮廓边线找出基准线，而后以基准线作为单块土工格室的边线开始定位、铺设。在后续的铺设过程中，则可根据已经铺设的格室边线作为定位标准。铺设时，首先将成捆的单件土工格室成品松开，而后根据其展开面积的大小采用6～8人从四边将土工格室贴着坡面均匀(拉)展开，展开时，要注意土工格室长宽两个方向的用力要尽量均匀，以保证其不会造成单向受力过大，使格室严重变形。待目测格室展开面积内均基本形成长宽均匀的小网格后，先停止拉展，用钢卷尺量测格室长宽两个方向的几何尺寸，待满足单块格室的展开尺寸后，即可进行固定。如不满足要求，及时进行调整，以保证每块格室铺设的平面几何尺寸和横平竖直，外观整齐。先在坡面横向、纵向间隔2m打入锚筋，(坡顶及坡脚处的锚筋强度大，中间锚筋强度可相对降低)将土工格室展开并固定在坡面上。格室应以主受力方向，由上向下铺设，使格室片材重垂直于坡面，绝不可横向铺设。
5)土工格室7锚固(固定)。单块土工格室定位准确后，先采用自制的
6)土工格室7连接。待一块土工格室施工完成后，接着进行相邻格室的铺设，每两块格室之间采用厂家配置的专用螺栓连接，每个连接处设两道螺栓，以充分保证每两块格室之间的连接牢固性，并能使整个坡面的土工格室连成整体，对坡面进行全面防护。相邻两块格室采用螺栓连接后，便可将开始临时固定四边的锚筋拔除，以重复利用。
7)生态水泥土6配置。生态水泥是能够适应生物生长，具有一定强度的混凝土。混凝土成型一段时间后，及时用喷枪将工业废料、垃圾焚烧灰、有机质、适合植被生长的土壤和草籽(同时合适水陆两生的草籽)混合浆体喷入生态混凝土空隙中。生态混凝土的抗拉、抗弯、抗剪等强度显著提高，有效的减少了混凝土内部裂缝末端的应力集中现象。由于生态水泥的表面粗糙稳固，应用消落带的边坡上可以大大减小波浪高度，可以防止斜面侵蚀。一段时间后，草籽即在混凝土的空隙中发芽。通常采用425#水泥，一般每立方米基质材料中的用量为100-160kg。营养土壤一般采用壤土或砂壤土(含砂量不超过8％)，土要保持干燥，粉碎过筛，符合喷锚机要求。有机质一般采用酒糟、锯末、稻壳、秸干纤维等，这些有机物持水性能强，通气性好，肥效时间长，而且能防止土壤板结，增强生态水泥基质的通透性，改善土壤物理结构。
8)搅拌并倾倒生态水泥6。根据搅拌机大小，按生态水泥6的配比计量拌和，将生态水泥6倾倒、铺摊在模板中，加水量应保持生态水泥6不流不散。
a、钢纤维生态水泥浇筑：所述钢纤维生态水泥是添加了钢纤维的且具有一定强度的混凝土。由于生态水泥的坍落度很低，施工时普遍采用机械倾倒的方法，然后人工铺摊均匀，应该特别注意边角的施工质量，根据设计构造要求确定浇筑厚度。
b、喷播草籽：混凝土成型一段时间后，及时用喷枪将工业废料、垃圾焚烧灰、有机质、适合植被生长的土壤和草籽(适合水陆两生的草籽)混合浆体喷入生态混凝土空隙中。一段时间后，草籽即在混凝土的空隙中发芽。同时注意为垂直喷洒，严禁仰喷。
9)覆盖无纺布。为了保证草籽的发芽率，选用14g/m2的无纺布从上至下进行覆盖。用竹签或u型钉固定，注意保持搭界。无纺布的覆盖起到保水保温的作用并对防止发芽期雨水对坡面的冲刷。无纺布的覆盖待苗出齐后方可揭除。
10)喷水养护。在养护期应当保持生态混凝土呈湿润状态。喷水设备应采用喷雾喷头移动喷洒，杜绝高压水头直接喷灌。一般养护期为植物覆盖地面为限(50天左右)。
11)后期管理。喷射施工完成后，经保墒养护6天，草籽陆续发芽。此时应当注意出苗率较低的区域需要及时补草籽。50天绿草成坪，完全覆盖岩石坡面。此后基本上不必人工养护，可自然生长。
最后，最高水位线以上区采用生态水泥与土工格室组合护坡施工：采用的施工方法与水位变化区相同，但是由于常水位以上的积水较小，所以无需设置主次排水沟。同时，喷射的草籽选择适合路地生长的植物草籽。在边坡顶部设置内部排水通道，避免暴雨和流水对最高水位线上边坡的冲刷破坏作用。在边坡顶部向下打设主内部排水通道9，包括竖向排水通道和水平斜向排水通道，这样边坡顶部的积水就可以通过主内部排水通道9直接导排在水位变化区的主次排水沟内。主内部排水通道9每隔5m设置一个。同时，在边坡顶部与主内部排水通道9相贯通的部位设置内部排水通道井盖10，避免通道开口造成的安全隐患。边坡顶部的积水也可以通过内部排水通道排放到水位变化处边坡的排水沟上，然后通过主次排水沟导入河流中，这可以减轻流水对最高水位线以上边坡的冲刷作用。
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