新型预制装配式生态环保护坡排水系统设计

引言

2015年以来，装配式建筑规划密集出台，并且取得突破性进展。边坡防护技术也顺应工程发展潮流，逐渐展开了装配式边坡防护技术的研究，取得了许多重要的成果，如预制装配式框格梁、预制植生型多孔混凝土、新型装配式植草混凝土预制块、装配式聚氨酯砌块、装配式锚索格梁等。

现阶段，公路边坡工程的排水防护体系主要采用浆砌片石、混凝土预制块或现浇混泥土急流槽、水沟等排水结构和施工方法。在实际工程建设中，上述传统排水结构和施工方法易产生施工工期长、工作量大、工作效率低、人力劳动消耗大等问题，传统的排水结构和施工方法与工程建设的发展要求不相适应。为顺应我国公路建设更好、更快和更有保障的发展要求，有必要开发一套施工效率高、劳动力消耗小的护坡排水结构和施工方法，以解决边坡护坡排水工程严重滞后主体工程建设的问题。基于此，本文基于轻质高分子材料，对新型预制装配式生态环保护坡排水系统的材料性能、结构构件形式和施工工艺进行研究，以广东省梅州市大铺县枫朗镇境内拟建高速公路为依托，对预制装配式排水系统设计进行一系列探索。

工程概况

路堤边坡位于广东省梅州市大铺县枫朗镇境内拟建高速公路测设里程LAK2+500～LAK2+704处，长204m，最大填土高度11.7m，基本只有一个分级。该路堤区属低山丘陵地貌，微地貌为山间洼地，地势平稳，地形起伏小。

边坡采用台阶式分级边坡，分为两级，上缓下陡。第一级高8.4m，第二级高3.7m，自下向上坡率分别为：1:1.5、1:1.75，平台宽度均为2m，其中，一级平台长120m、二级平台长30m。

排水系统设计

整体布置设计

预制装配式护坡排水系统的整体布置，采用常规护坡排水系统设计的布置方式，主要包括坡顶截水沟、边坡两侧的边沟、坡脚排水沟、人行踏步和人字形排水骨架。其中，人字形排水骨架采用高分子材料预制构件，与传统护坡排水骨架不同，具有材料轻质、施工便捷、大幅度减少人工劳动和缩短工期等优点，能够解决护坡排水结构滞后于主体工程以及临时排水配套设施不及时等问题。构件总体上可分为5种类型（图1），包括节点构件1（四通接头）、横向排水构件2、纵向排水构件3、横向排水连接件4（两通接头）和铆钉5。纵向排水骨架之间的间距设计为300cm，横向排水骨架之间的间距设计为400cm。

图1 排水骨架

构件尺寸设计

（1）排水尺寸

根据《公路排水设计规范》（JTGT D33-2012），对排水骨架的通用排水尺寸进行设计。通用排水尺寸设计适用于广东省地区每级高度为10m的公路边坡，设计降雨的重现期为15年和3min降雨历时标准的护坡排水。现取边坡高度40m、坡度1:2、纵向排水骨架间距3m、纵向排水截面为矩形和高宽比为0.75进行验算。通过查表及计算可得，设计径流量Q=2.667×10-3m3/s，初选截面尺寸为0.2m×0.15m，得到流速V=1.65m/s。根据公式A=Q/V，得到面积A为1.62×10-3m2。经过3次迭代，得到截面面积A=1.381×10-3m2，截面尺寸为0.06m×0.03m。由计算可以看出，截面面积很小时即可满足排水要求。

由此可得出以下结论：坡面高度和坡度排水条件不是截面尺寸设计的控制性因素。因此，对于广东一般边坡工程排水只需从方便施工和便于生产的角度考虑，初定于纵向排水骨架的截面尺寸设计为0.2m×0.15m，横向排水骨架的截面尺寸设计为0.1m×0.15m。

（2）构件尺寸和特征

横向排水构件的尺寸和特征为：横向排水骨架整体上呈人字形，可实现收集坡面雨水，并将雨水汇集流入纵向排水骨架。考虑到高分子材料预制工艺、预制生产模具开发的经济性以及防止构件尺寸过大，产生过大温度应力和构件安装满足边坡坡面平整度要求等问题，将横向排水骨架划分为两种类型构件：横向排水构件和横向排水连接件。构件与构件之间的连接采用类似“瓦片搭接”的方式，横向排水连接件搭接在横向排水构件的上面，搭接长度约为10cm-15cm，可保证横向排水骨架收集的坡面雨水，从高而低由横向排水连接件流入横向排水构件，防止产生渗漏现象。横向排水构件采用挤出成型预制生产工艺，标准构件如图2所示。纵向排水构件的功能是将节点构件汇集的坡面雨水排入坡脚排水沟。纵向排水构件的形状规则采用挤出成型的预制生产工艺。纵向排水构件的设计尺寸如图3所示。

图2 横向排水构件

图3 纵向排水构件

构件间的连接和构件锚固

节点构件（四通接头）同时与左右的横向排水构件和上下的纵向排水构件相连接，顺着水流的方向，上部纵向构件搭接在节点构件之上，节点构件搭接在下部纵向排水构件之上，左右横向排水构件搭接在节点构件之上；横向排水构件连接件（两通接头）同时与左右两边的横向排水构件相连接，两通接头分别搭接在两边横向排水构件之上。依此重复搭接形成图4所示的装配水护坡排水骨架，由此坡面上的横向排水骨架收集边坡坡面的雨水，顺着水流的方向由节点构件（四通接头）将横向排水骨架内的雨水汇集流入纵向排水骨架之中，最终流入平台或坡脚截水沟而排泄出去，起到防止坡面雨水径流冲刷的作用。节点构件设计图见图5。

图4 构件连接

结构的铆钉布置

为了保证结构能够稳定牢固的安放在土坡沟槽中，在所有预制排水构件上预留了铆钉孔。其中，节点构件（四通接头）和横向排水构件连接件（两通接头）设置了一个铆钉孔，纵向排水构件和横向排水构件设置了两个铆钉孔。构件设置一个铆钉孔的作用是为了防止塑料类材料由于昼夜和季节性温度变化而产生的收缩和膨胀，产生温度应力；构件设置两个铆钉是考虑到纵向排水构件和横向排水构件长度过大，在一个铆钉的锚固作用下，难以形成严格意义上的稳定结构，可能在很小的外荷载作用下难以保证构件在坡面上稳定，由此纵向排水构件和横向排水构件设置了两个铆钉孔。而纵向排水构件和横向排水构件防止温度应力的办法，是使铆钉孔的内径适当大于铆钉的外径，这样构件在温差变化下产生的收缩和膨胀，可通过铆钉孔预留的盈余间隙进行协调，从而防止构件产生温度应力。各个构件上铆钉孔的位置如图6所示。

铆钉的作用是将排水构件锚固在边坡坡面上，是排水构件能够承受边坡环境下产生的外荷载，而不产生滑动、掀开和过大的变形，并对坡面土体稳定性起到一定稳固作用。因此，每个构件至少设置一个铆钉孔和铆钉，其中纵向排水构件由于长度较大，每个构件需设置2个铆钉孔和铆钉。铆钉孔和铆钉的设计形式如图6所示，铆钉孔的设计是在构件上相应的位置钻一个直径为23mm的孔，在孔的下方粘一个内径为23mm、外径为50mm和厚度为10mm的铆钉孔加固环，以防止铆钉安装时巨大冲击力对排水构件的损伤和破坏。铆钉长度为400mm-500mm，根据土层类型进行选取，保证铆钉的锚固力不小于240N，铆钉直径为20mm。

工程应用

预制装配式生态环保护坡排水系统，实现了装配式建筑在护坡中的应用。该方法可实现护坡结构构件的工厂化生产，有效提高施工效率，对生态平衡进行调节，预制装配式生态环保护坡排水系统如图7所示。工程应用表明，该预制装配式保护坡排水系统实现构件工厂化预制，有利于快速施工，能够达到排水系统的功能，具有较好的经济效益。

结论

本文对依托工程进行预制装配式生态环保护坡排水系统设计，对横向排水构件、纵向排水构件，节点连接、铆钉布置和材料选取等装配式设计关键技术进行分析，最后应用于依托工程，得到如下结论：

本文设计的预制装配式生态环保护坡排水系统合理且易于施工，既能满足护坡排水需要，又能达到高效、节能、绿色、环保的目的，具有较高的推广应用价值。

对常规进行多方面综合考虑后，认为PVC与ASA复合材料作为预制装配式护坡排水结构的生产材料，构件的截面厚度设计为3.0mm最为合适，构件的重量、强度，变形性能、耐久性、耐火性和经济性，均能够满足预制装配式护坡排水结构的要求。

图6 铆钉预留孔布置图

图7 预制装配式生态环保护坡排水系统现场