用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构的制作方法

本发明涉及一种用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构，相应地，同时涉及一种该挡墙结构的设计方法，属于岩土工程领域，尤其是新型生态护坡技术的应用与推广。

背景技术：

在常见的路桥工程、水利工程、采矿工程、旅游景区以及山地城市建设中，经常会涉及到各式各样的边坡问题，其中覆盖层边坡是常见的边坡之一，主要是由各种成因的松散堆积、沉积物形成，具有较强的透水性。

对于覆盖层边坡，常见的工程措施有：1)对于小型边坡，采用削坡减载、坡脚压重、设置截排水沟等措施；2)对于中大型边坡，采用挡土墙、锚索框格梁、锚拉桩板墙等措施。通过以上不同措施的科学组合，可以有效保障边坡的稳定安全。

采用“自然积存、自然渗透、自然净化”的理念大力推进城镇化建设，并带动基础设施工程建设，从而达到节约水资源、保护和改善生态环境的目的，是当前我国实施国家生态文明建设的关键战略之一。

需要指出的是，边坡的开挖与支护本身就是对大自然环境的一种破坏行为，尤其是造成地表水及地下水的径流过程紊乱，破坏了原有生态系统的平衡。在实际工程中，上述常见的边坡加固措施(削坡减载、坡脚压重、截排水沟、挡土墙、锚索框格梁、锚拉桩板墙等)，其唯一目的是满足边坡的稳定可靠、不出现危害性的滑坡等地质灾害，忽略了景观、生态等因素。特别地，覆盖层边坡本身具有相对较强的透水性，且覆盖层内的各种堆积、沉积物中经常含有污染物，采用常规的支护措施，纵然可以保证工程本身的安全，但是与当前“河长制”所要求的“严禁污水入河”以及“海绵城市”所要求的“低影响开发”建设理念不相符。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有背景技术中存在的不足之处，提供一种用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构及其设计方法，满足边坡的整体稳定性要求；不破坏覆盖层地表径流与地下径流的流通过程；削减径流污染控制率，满足生态文明建设要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构，包括抗滑桩、预应力锚索、桩间板、反滤层、碎石下渗带、生物滞留带、雨水连接管；

抗滑桩设置于边坡外侧、并沿道路长度方向间隔设置，抗滑桩垂直打入地基中、并伸入边坡的基岩内；

预应力锚索的锚墩锚固在抗滑桩上、锚头伸入边坡的基岩内；

相邻两件抗滑桩之间通过桩间板相连接；桩间板上设置有多个排水孔；

反滤层设于桩间板背面；

碎石下渗带位于反滤层背后，沿边坡的坡体开挖、填筑；

生物滞留带位于抗滑桩与道路的路基之间，生物滞留带的顶部高程低于道路的路面高程；

雨水连接管设于生物滞留带下部，与市政管网相连。

进一步的是：抗滑桩为方形截面的钢筋混凝土结构桩。

进一步的是：预应力锚索的锚墩锚固在抗滑桩外侧，预应力锚索相对于抗滑桩倾斜向下设置。

进一步的是：桩间板为钢筋混凝土板，排水孔为水平设置的多排结构，相邻两排的排水孔交错设置，排水孔均匀间隔设置。

进一步的是：反滤层为细颗粒砂砾层。

进一步的是：碎石下渗带底部与桩间板底部齐平，碎石下渗带顶面采用斜坡面，碎石下渗带顶面两侧分别与边坡体、桩间板光滑连接。

进一步的是：生物滞留带为层状结构，从上到下依次为：草皮、种植土、中粗砂、过滤土工布、碎石、夯实素土。

进一步的是：生物滞留带下部形成集水槽，雨水连接管进口连通集水槽，雨水连接管为沿道路长度方向间隔设置的多根。

对于用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构的设计方法，采用上述的用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构，包括边坡稳定设计、边坡排水设计、生态保护设计；

边坡稳定设计包括边坡的抗滑稳定计算和加固措施设计，依据边坡设计规程规范，求解加固边坡的稳定安全系数f，以满足稳定安全要求，其中f＝阻滑力(矩)滑动力(矩)；

边坡排水设计包括降雨分析、地表径流量计算、地下水径流量计算以及排水设施规模设计，

降雨分析:采用当地年径流总量控制率α所对应的设计降雨量，其形成的径流量为:

q＝q1+q2，

式中，q为设计降雨量在覆盖层边坡所形成的径流量，其中q1为地表径流量，q2为地下水径流量；

排水设施规模设计包括碎石下渗带尺寸设计、排水孔直径与间距设计、生物滞留带尺寸设计、雨水连接管设计；

排水孔直径与间距设计时，孔径、间距与雨水径流量满足以下关系：

q＝kva，

式中，q为单宽桩间板的径流量，v为流速，a为所需的单宽总过水面积；k为常数；

求出单宽总过水面积a以后，根据所选的孔径，即可计算得到排水孔的间排距；

生物滞留带尺寸设计时，生物滞留带的调蓄容积按下式计算：

vs＝v-wp，

式中，vs为渗透设施的有效调蓄容积；v为进水量；wp为渗透量，按下式计算：

wp＝k1jast，

式中：k1为土壤渗透系数；j为水力坡降；as为有效渗透面积；t为渗透时间；

求出调蓄容积以后，再结合地形条件计算出生物滞留带的尺寸；

生态保护设计包括径流污染控制率计算、生物滞留带的污水处理能力评估，径流污染控制率按下式计算：

kw＝k2kn，

式中：kw为年径流污染总量去除率；k2为年径流总量控制率，kn为低影响开发设施对相应污染指标的平均去除率。生态保护设计时，污染物指标采用悬浮物(ss)、化学需氧量(cod)、总氮(tn)、总磷(tp)中的一种或多种。

本发明的有益效果是：

(1)工程结构更加安全可靠；

本发明并未影响原有边坡的径流过程和路径，坡体内的排水体系较传统支护措施更加顺畅，在一定程度上降低了渗流场对边坡带来的危害，更加有利于边坡的整体稳定性。

(2)水环境质量显著提高；

按照本发明所述的挡墙结构及设计方法来进行边坡工程建设，可以较好地控制覆盖层边坡表面和内部的径流污染，从而实现清水还江、绿水润城。

附图说明

图1为用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构的剖视图；

图2为用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构的三维视图；

图3为边坡排水设计流程图；

图中标记为：1-抗滑桩、2-预应力锚索、3-桩间板、4-反滤层、5-碎石下渗带、6-生物滞留带、7-雨水连接管、8-排水孔、9-道路、10-基岩、11-粘土层、12-覆盖层。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构，包括抗滑桩1、预应力锚索2、桩间板3、反滤层4、碎石下渗带5、生物滞留带6、雨水连接管7。

抗滑桩1设置于边坡外侧、并沿道路9长度方向间隔设置，抗滑桩1垂直打入地基中、并伸入边坡的基岩10内；抗滑桩1优选为方形截面(尺寸：a×b)的钢筋混凝土结构桩，边坡由上到下通常包括覆盖层12、粘土层11、基岩10，抗滑桩1应穿过覆盖层12、粘土层11，并伸入基岩10一定深度。

预应力锚索2的锚墩锚固在抗滑桩1上、锚头伸入边坡的基岩10内；为提高结构稳定性，预应力锚索2的锚墩锚固在抗滑桩1外侧，预应力锚索2相对于抗滑桩1倾斜向下设置，即预应力锚索2与抗滑桩1的底部之间的夹角呈锐角设置，锚索吨位为t。

相邻两件抗滑桩1之间通过桩间板3相连接；桩间板3上设置有多个排水孔8；桩间板3为钢筋混凝土板，单块桩间板3的宽度为50cm，厚度为b1，桩间板3的长度与抗滑桩1的间距l等同；排水孔8为水平设置的多排结构，相邻两排的排水孔8交错设置，排水孔8均匀间隔设置，排水孔8优选采用圆孔，孔的直径一般取5cm～10cm。

反滤层4设于桩间板3背面；反滤层4使得水流方向为单向流动(碎石下渗带5流向排水孔8)，可防止管涌、流土的发生；反滤层4优选为细颗粒砂砾层。

碎石下渗带5位于反滤层4背后，沿边坡的坡体开挖、填筑；碎石下渗带5优选设置方式为：底部与桩间板3底部齐平，底部宽度不宜小于50cm，碎石下渗带5顶面采用斜坡面，坡比优选为1:2，碎石下渗带5顶面两侧分别与边坡体、桩间板3光滑连接。

生物滞留带6位于抗滑桩1与道路9的路基之间，生物滞留带6的顶部高程低于道路9的路面高程，略低于道路9的路面高程即可；生物滞留带6优选为层状结构，从上到下依次为：草皮、种植土、中粗砂、过滤土工布、碎石、夯实素土。

雨水连接管7设于生物滞留带6下部，与市政管网相连；为使排水通畅，生物滞留带6下部形成集水槽，雨水连接管7进口连通集水槽，雨水连接管7为沿道路9长度方向间隔设置的多根。

用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构的设计方法，采用上述的用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构，包括边坡稳定设计、边坡排水设计、生态保护设计。

边坡稳定设计包括边坡的抗滑稳定计算和加固措施设计，依据边坡设计规程规范，求解加固边坡的稳定安全系数f，以满足稳定安全要求，其中f＝阻滑力(矩)滑动力(矩)。

边坡排水设计包括降雨分析、地表径流量计算、地下水径流量计算以及排水设施规模设计，边坡排水设计的流程如图3所示。

降雨分析:采用当地年径流总量控制率α所对应的设计降雨量，其形成的径流量为:

q＝q1+q2，

式中，q为设计降雨量在覆盖层边坡所形成的径流量，其中q1为地表径流量，q2为地下水径流量。

排水设施规模设计包括碎石下渗带5尺寸设计、排水孔8直径与间距设计、生物滞留带6尺寸设计、雨水连接管7设计。

下渗带5尺寸设计：底部与桩间板3底部齐平，底部宽度不宜小于50cm，碎石下渗带5顶面采用斜坡面，坡比优选为1:2，碎石下渗带5顶面两侧分别与边坡体、桩间板3光滑连接。

排水孔8直径与间距设计时，孔径、间距与雨水径流量满足以下关系：

q＝kva，

式中，q为单宽桩间板的径流量，v为流速，a为所需的单宽总过水面积；k为常数；

求出单宽总过水面积a以后，根据所选的孔径，即可计算得到排水孔的间排距；排水孔8优选采用圆孔，孔的直径一般取5cm～10cm；此外，最下排的排水孔8应高出桩间板3前地面0.2m。

生物滞留带6尺寸设计时，生物滞留带6的调蓄容积按下式计算：

vs＝v-wp，

式中，vs为渗透设施的有效调蓄容积；v为进水量；wp为渗透量，按下式计算：

wp＝k1jast，

式中：k1为土壤渗透系数；j为水力坡降，一般取为1；as为有效渗透面积；t为渗透时间，指降雨过程中设施的渗透历时，一般可取为2小时。

求出调蓄容积以后，再结合地形条件计算出生物滞留带6的尺寸。

雨水连接管7设计:将生物滞留带6内滞留形成的水通过雨水连接管7连接到市政管网，形成一个顺畅的排水通道。雨水连接管7的管径与数量根据所需的排水量，并结合市政管网的规划布局来综合确定，另见市政工程设计。

生态保护设计包括径流污染控制率计算、生物滞留带6的污水处理能力评估。其中，污染物指标可采用悬浮物(ss)、化学需氧量(cod)、总氮(tn)、总磷(tp)中的一种或多种。

径流污染控制率按下式计算：

kw＝k2kn，

式中：kw为年径流污染总量去除率；k2为年径流总量控制率，kn为低影响开发设施对相应污染指标的平均去除率。

生物滞留带的污水处理能力评估主要包括：断面形式选择、草皮类型选择、种植土的类型选择、土壤层厚度设计、砂层和碎石层的厚度设计。其中，断面形式主要有倒抛物线形、三角形以及梯形，应结合实际地形条件来合理布置。草皮类型和种植土类型主要结合当地的实际环境状况，选择适宜种植的草皮及其所需的种植土。土壤层厚度一般可取20cm～30cm，砂层厚度一般不小于10cm，碎石层厚度取25cm～35cm。