植筋式膜袋混凝土护坡在北方寒区中的应用

曲 磊

(辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

膜袋混凝土护坡技术于20世纪80年代由国外引入，目前已在国内得到广泛应用。该技术将机织膜袋作为填充载体，利用泵送混凝土充灌膜袋，待混凝土凝固后形成连续护坡、护底的结构防护型式。它具有整体性强、施工便捷、便于水下作业、机械化程度高、稳定性好，使用寿命长等优点。

1 结构组成

膜袋混凝土由机织膜袋布、混凝土填充层及下部垫层构成。机织膜袋布常用CX- 200型丙纶机制作，质量为600g/m2，膜袋布的主要参数指标见表1。膜袋内混凝土填充厚度通常为20cm，水灰比应小于0.55，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，砂为中砂，碎石最大粒径≤20mm，抗压强度P≥50MPa，坍落度一般为18～20cm。膜袋混凝土标号一般为C25，抗冻指标为F200。膜袋下部垫层通常采用500g/m2无纺布，起到反滤作用。

2 北方寒区的适用性

鉴于膜袋混凝土的诸多优点，它在有水环境的堤防护坡防护中得到大面积应用，但在北方寒区的应用过程中也暴露出其不足之处。由于北方寒区冬季严寒，极端最低气温随着纬度的升高能够达到零下十几度甚至几十度，河流、湖区或者库面结冰现象较为普遍，冰层所产生的冰推力对混凝土膜袋护坡的破坏非常显著。冰推力主要表现为动冰压力和静冰压力，其中动冰压力对坡面的破坏由初春冰层解冻、冰裂成块时，在水力和风力作用下，大量的冰块运动撞击膜袋护坡而造成的；静冰压力对坡面的破坏是指冰层受热升温，冰体膨胀施加于坡面上的力。因此，冬季结冰期膜袋混凝土护坡同时受到垂直坡面向的冰压力及沿坡面向的冰推力的双重作用，在这两种力的共同作用下，膜袋混凝土结构极易发生横向断裂，膜袋护坡受力如图1所示，其中PV和PH分别为垂直坡面和平行坡面的作用力。

断裂后的膜袋混凝土护坡不但结构整体性遭到了破坏，水流还会沿着裂缝侵入膜袋底部淘刷垫层甚至堤坡土体，最终导致膜袋混凝土护坡错位、塌陷，使其失去防护作用。

表1 混凝土模袋的主要技术参数

图1 冰盖层冰压力示意图

3 膜袋混凝土改造

为克服混凝土膜袋缺点，提高在北方寒区的易用性，充分利用施工便捷、水下适应性高的特点，经过多年的实践并不断完善，采用在膜袋内部增加钢筋的方式来增强膜袋混凝土护坡的结构强度，改善其防护能力。该结构型式能够有效增强混凝土膜袋结构的抗拉及抗剪性能，有效抵抗冰推力作用；同时亦能够抵抗因坡面不均匀沉降而引起的弯曲应力，保证膜袋混凝土护坡结构的稳定，延长使用寿命。

膜袋混凝土固结硬化后，其结构类似于素混凝土板式护坡且厚薄间隔布置呈波浪状，在外力的作用下容易产生断裂。为提高膜袋混凝土的整体强度，增加其抗剪性能，在膜袋混凝土浇筑前对其内部增设一根顺坡向钢筋，使混凝土膜袋由素混凝土结构变为钢筋混凝土结构，能够显著提高混凝土膜袋的抗拉、抗剪性能。

充灌成型后的膜袋混凝土，单陇膜袋横截面为底部偏平、上部圆弧的结构形态。为实现素混凝土膜袋钢筋混凝土化，首先需要解决纵筋的固定难题。为使植入的纵筋在混凝土膜袋浇筑后不塌落至膜袋底部，设置多个环向支架，支架内设置径向支杆用于支撑纵向钢筋。环向支架的数量视护坡长度确定，间距以2m为宜。在膜袋充灌混凝土前，将绑扎好支架的纵向钢筋由上部进料口插入膜袋内部，从而实现混凝土膜袋加筋特性。纵向钢筋一般选用Φ12号钢筋即可，纵向钢筋间距约0.3m，每隔一陇布置一根。植入钢筋后成型的膜袋混凝土示意图如图2所示。

4 应用情况

沈阳市辽中区团结大闸位于浑河的支流蒲河上，该闸为珍珠湖水库的滞洪闸，水闸两侧为挡水横堤。团结大闸于2016年进行了除险加固，对主体结构进行了拆除重建，同时对两侧挡水横堤进行了坡面防护。横堤坡面防护型式的选用，通过比选混凝土板护坡、绿滨垫护坡及植筋式混凝土膜袋护坡，充分考虑了经济性、耐用性及冻融破坏的影响，最终确定采用植筋膜袋混凝土护坡。

堤防断面形式迎水坡为带有平台的复合斜坡堤，堤顶宽度为8.5m，堤顶高程为22.80m；堤脚高程为17.30m，在高程为20.80m处设置2.5m宽的平台，平台以上、以下坡比均为2.5。平台高程以下坡面为20cm厚植筋式膜袋混凝土护坡，膜袋内部设置多个环形支架并插入Φ12螺纹钢筋，钢筋间距为30cm，模袋混凝土顶部以30cm×20cm的钢筋混凝土封顶；平台以上斜坡坡面采用20cm厚六角形混凝土框格护坡，框格空隙处植草。平台处采用30cm厚粗料石路面，20cm厚砂砾料垫层。标准断面膜袋混凝土护坡水平投影长8.72m，框格混凝土水平投影长5.25m。膜袋混凝土强度等级为C25，抗渗等级为W4，抗冻等级为F200；膜袋混凝土每15m用沥青木板分缝，分缝处设置1m宽400g/m2的土工布防止堤身填料析出。具体断面形式如图3所示。

图2 膜袋混凝土植筋示意图

图3 挡水横堤标准断面图(m)

团结大闸的植筋式膜袋混凝土护坡运行至今已经度过两个冬季的考验，护坡结构完整，无断裂错位现象的发生，护坡起到了很好的防护作用，较好解决了严寒地区开阔水面坡面防护易损、易破坏的难题，取得了良好的经济效益和工程效果。

5 不足与改进

植筋式膜袋混凝土护坡虽能够在北方寒区堤坝坡面防护中起到良好的效果，但仍未能克服传统膜袋护坡膜白化、硬化的缺点。因此，在设计中应充分兼顾工程耐久性与生态要求，水位变动区以下可采用植筋膜袋混凝土进行防护，水位变动区以上应首选生态防护措施。另外，机制膜袋风化后容易对生态环境造成一定的污染，建议在机制膜袋材料研发上加大力度，采取可降解的材料来替代现有膜袋材料，以满足环保要求。