CN107254886A - 用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构 - Google Patents

用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构 Download PDF

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Abstract

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。本发明的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。本发明的设计方法包括边坡稳定设计、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。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。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。本发明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；可削减径流污染控制率，满足生态文明建设要求。

Description

用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构
技术领域
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。
发明内容
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。

Claims (10)

1.用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构，其特征在于：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；
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；
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)；
反滤层(4)设于桩间板(3)背面；
碎石下渗带(5)位于反滤层(4)背后，沿边坡的坡体开挖、填筑；
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；
雨水连接管(7)设于生物滞留带(6)下部，与市政管网相连。
2.如权利要求1所述的用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构，其特征在于：抗滑桩(1)为方形截面的钢筋混凝土结构桩。
3.如权利要求1所述的用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构，其特征在于：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。
4.如权利要求1所述的用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构，其特征在于：桩间板(3)为钢筋混凝土板，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。
5.如权利要求1所述的用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构，其特征在于：反滤层(4)为细颗粒砂砾层。
6.如权利要求1所述的用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构，其特征在于：碎石下渗带(5)底部与桩间板(3)底部齐平，碎石下渗带(5)顶面采用斜坡面，碎石下渗带(5)顶面两侧分别与边坡体、桩间板(3)光滑连接。
7.如权利要求1所述的用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构，其特征在于：生物滞留带(6)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。
8.如权利要求1所述的用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构，其特征在于：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。
9.用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构的设计方法，其特征在于，采用如权利要求1至8中任意一项所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(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；
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；
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；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(6)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(6)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。
10.如权利要求9所述的用于覆盖层边坡的生态友好型挡墙结构的设计方法，其特征在于：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。
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