四平市南北河综合治理工程中土工格栅加筋土结构新技术推广应用

纪福春 郝恩武

(吉林四平市水利勘测设计研究院 吉林四平 136000)

1 概述

四平市南、北河治理工程位于四平市区繁华风光带,对外及市区内主要交通干线均从两河穿过。具体桩号为南河4+255～12+200,北河2+750～9+193。多年以来,由于河水污染严重,河道大量淤积,致使河道行洪能力低,实际防洪标准远不满足国家标准。对市区的生态环境造成了极其不良影响。为提高市区南、北河整体防洪能力,从根本上改善市区的生态环境,提高四平市人民的生活质量,四平市委、市政府于1998年做出了彻底整治南北河的重要决定。吉林省水利厅自1999年以来先后分期分段对南北河工程的初步设计进行了批复,工程初步设计已批复概算静态总投资为3.8亿元。由于四平市财政实力不足,国家水利投资有限,因此,当时南、北河整治工程建设资金严重不足。为力求节省工程投资,解决四平市市政府市区两河建设资金严重不足的燃眉之急,四平市水利勘测设计研究院组成了攻关小组,反复优化设计方案,先后与吉林省水利厅科学研究院和北京工业大学合作。经过攻关,突破了传统的设计方案,探索和研究引进新的工程结构技术措施。通过工程的总体设计方案的技术经济比较,设计最后确定影响南北河工程投资较大的河道护岸挡土墙设计方案采用土工格栅加筋土结构新技术,并得到了上级业务主管部门专家的认可和四平市政府的采纳。目前南北河治理工程初步设计经吉林省水利厅批复的市区河段总长度为14.4km,其中,南河7.945km,北河6.443km。市区两河建设的主体工程河段长8.84km已经竣工,多数河段土工格栅加筋土护岸工程已运行一年以上。在技术效果上取得了成功,在经济和社会效益上收益巨大。该项新技术的成功引进和推广,其规模在全国水利行业中堪称首位,填补了省内空白。

2 新技术推广的主要内容及创新要点

2.1 新技术的推广的主要内容

土工格栅加筋土挡土墙作为一种新型的加筋土支挡结构由于其经济、稳定、方便,适应性强及建筑效果美观等特点,广泛地应用于欧州发达国家和世界其他部分地区,在我国的应用起步很晚,在我省水利系统城市防洪等水利工程领域的应用更是空白。土工合成材料 (HDPE土工格栅)作为一种新材料,已渗透到岩土工程和其他工程建设的各个角落。尤其是98年大水之后,有49项国家和行业标准及规范的陆续出台和实施,极大地推动了土工格栅加筋土结构这项新技术的推广应用。由于土工合成材料本身的特殊性以及加筋土结构作用机理的复杂性,目前对其设计理论和计算方法还在深入探索和完善中。

南北河加筋土护岸挡土墙采用土体加筋技术,代替传统的砼和浆砌石结构。墙体加筋材料设计选用高密度聚乙烯土工格栅,其特点是强度高、低蠕变、抗老化性能可靠。加筋材料抗老化剂炭黑掺量要求不低于2.5%,其颗粒为纳米级,在材料内部分散度良好。加筋体填筑土料,采用透水性良好的砂砾土料。加筋土护岸结构的设计计算引进目前欧州先进的设计理念和方法 (DIBT),在水利工程中既安全又最经济。该种设计方法 (DIBT)亦称双楔体法,它以极限平衡理论为基础,设计计算中在墙体结构上需假设一系列可能的破裂面,分别验算其各自的稳定性,其潜在的破裂面可能穿过加筋材料,也可能平行加筋材料。此种技术,在验算墙体外部稳定时,抗滑稳定安全系数定为1.5,地基承载力计算采用改进的太沙基承载力计算公式,以考虑合力的偏斜作用,来限定合力偏心距的大小,从而代替传统的抗倾覆稳定验算。在内部稳定分析时,着重考虑墙体加筋材料的拔出破坏的可能性,特定条件下,还需验算每层加筋材料的设计强度,以确保其不低于主动土压力在墙上产生的应力。

在充分分析和理解加筋土结构作用机理的前提下,设计中力求做到就地取材,科学利用高分子加筋材料的长期物理力学指标的变化特性,显著降低了工程造价,且较传统结构提高使用寿命一倍以上。在设计参数的选取上,理念先进,即在设计计算中采用高分子加筋材料的长期蠕变强度,经综合考虑加筋材料在施工,生物化学降解破坏等不利的环境因素后,最后科学地确定墙体加筋材料的设计物理力学参数。经过分析四平市南北河工程护岸加筋土挡墙结构工程服务寿命可达120年,该项指标已步入世界同类技术领先水平。

2.2 技术创新要点

四平市南北河工程土工格删加筋土结构新技术有以下创新要点:

1)设计理念先进,充分利用当地材料,科学利用高分子加筋材料的长期物理力学指标的变化特性,显著降低了工程投资,较传统结构节省工程费用约31%,且提高了工程使用寿命一倍以上。

2)科学有效地突破了土工格栅加筋材料回包面与墙体护面刚性料石结构的柔性连结的国际性技术难题。

3)通过对部分河段软弱不均匀地基的加筋处理,提高了墙体地基的承载力,满足了墙体结构对地基的稳定要求。

4)由于加筋体结构的柔性特点和合理地设置了墙体排水反滤系统,因此有效地解决了东北严寒地区支挡建筑物冻害问题,且提高了工程结构的抗震性能。

5)四平市南、北河治理工程护岸挡墙为新型刚性模块式HDPE土工格栅加筋土结构,为今后设计施工反馈真实可靠的实测数据、积累经验、丰富和完善现行国家规范,设计在两河均设有原型观测断面。原型观测科学研究的主要内容为:墙体变形状态,墙体内部与外部应力状态,冰胀对墙体变形及加筋材料应力应变的影响等。

3 当前国内外同类技术的现状

土工程栅加筋土结构自上世纪八十年代在欧洲问世后,就展现了其强大的技术生命力,在西方发达国家得到了快速发展。如今,以土工格栅为主的土工合成材料加筋土挡墙结构广泛地应用于欧洲各国。目前世界较常用先进的设计方法有了三种:①后拉楔体设计法;②DIBT法;③BS8006方法。其中以DIBT设计方法最为成熟,其在较高的支挡结构设计中是既安全又最经济的方法。同时它也是国内通用的设计方法无法比拟的。因此DIBT法目前已在欧洲大陆得到了广泛的推广和应用。

4 新技术推广与创新效益

四平市城市防洪南、北河治理工程成功地引进和推广了土工格栅加筋土结构新技术,显著地降低了两河建设的工程投资,整个工程共节省投资1.01亿元。同时,通过应用新型结构方案,提高了施工速度,取得了良好的建筑效果,亮化了城市,改善了招商引资及城市生态环境,提高了市民的生活质量。昔日的南北河是四平市区的两条垃圾带,经过科学治理,如今已变成了碧水、蓝天、绿带、生态、风光带,是四平市的重要景观和休闲旅游场所。南北河的及时科学治理,使沿河两岸房地产显著增值,为四平市成功申报国家级卫生城起到了至关重要的作用。真正地实现了水利、生态、文化、景观四大功能为一体的民心工程;人与自然和谐相容的工程;功在当代,利在千秋的工程。