二期上游土石圍堰度汛子堰加筋土擋墻設(shè)計研究

徐唐錦

摘 要 三峽二期上游土石圍堰第二道防滲墻按計劃在1998年6月底才能完建，已進入汛期，采取填筑于堰的臨時度汛措施保護第二道防滲墻施工。為給施工機械保留適度作業(yè)空間，在于堰背水側(cè)設(shè)置檔墻以收束子堰坡腳。為確保圍堰安全度汛，在三峽圍堰工程中首次采用加筋土工程技術(shù)，方便了施工，節(jié)約了投資，加快了進度。

關(guān)鍵詞 二期圍堰 度汛子堰 加筋土 結(jié)構(gòu)設(shè)計 施工技術(shù)

1、 概述

三峽二期土石圍堰由上、下游土石因堰組成，是三峽工程最重要的臨時建筑物之一。上游土石圍堰采用低雙墻上接土工合成材料、墻底強透水巖體帳幕灌漿的防滲方案。雙墻設(shè)在河床深槽部位(樁號0+454～0+616m，長162m)，兩墻中心距6m。防滲墻施工平臺高程73m。按照二期上游土石圍堰防滲墻施工進度安排，第二道防滲墻在6月底才能完建，已進入汛期，因此必須考慮臨時度汛措施，以保護第二道防滲墻汛期安全施工及圍堰安全度汛。設(shè)計采取在上游墻完建后，于其上游側(cè)填筑子堰的臨時度汛措施。子堰設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，相應(yīng)流量Q＝72300m3/s，相應(yīng)上游水位82.3m。子堰堰頂高程83.5m，采用土工合成材料防滲(圖1)。

子堰背水側(cè)需設(shè)置擋墻以收束子堰坡腳，以便給第二道防滲墻的施工留有適度作業(yè)空間并相機進行上游墻的帳幕灌漿施工。鑒于第二道防滲墻及上游墻墻底帳幕灌漿施工機械布置尺度的需要，以及施工環(huán)節(jié)多、施工程序復(fù)雜等原因，子堰擋墻距離上游墻軸線至少為0.6m。由于子堰向上游移，使擋墻的受力條件惡化，對其穩(wěn)定不利，如果再采用混凝土重力式擋墻方式，勢必使其尺寸加大，增加混凝土工程量，于經(jīng)濟與進度方面均不利。為此，設(shè)計經(jīng)研究比較采用加筋土直立式擋墻方案。

2、 方案比較

設(shè)計著重研究比較了混凝土重力式擋墻和加筋土直立式擋墻兩種方案。

圖一度汛子堰典型斷面

2.l 混凝土重力式擋墻

混凝土重力式擋墻是一種傳統(tǒng)的擋土墻結(jié)構(gòu)型式，在土木工程中應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，但在此工程中應(yīng)

用，存在以下缺點：

(1)承受背后填土、積水和基底揚壓力的多重作用，受力條件復(fù)雜，要保證擋墻穩(wěn)定，其斷面尺寸較大，

經(jīng)結(jié)構(gòu)計算，擋墻頂寬達(dá)3.55m，混凝土方量近4000m3。

(2)為降低擋墻背后積水，在擋墻中需專門埋設(shè)排水管。

(3)對基礎(chǔ)的要求較高，需進行專門的基礎(chǔ)處理。

(4)擋墻混凝土澆筑受溫度、齡期等多種因素制約，澆筑進度很難滿足圍堰安全度汛要求。

2.2 加筋土直立式擋墻

加筋土技術(shù)自60年代初問世以來，以其顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益，越來越廣泛地應(yīng)用于土木工程中，同時加筋土技術(shù)本身也逐漸地完善成熟了。它具有以下特點：

(1)加筋土最大的特點是可以做成很高的垂直填土，從而減少占地面積。

(2)面板、筋帶可以在工廠中定型制造、加工，在現(xiàn)場用人工或機械分層安裝。這種裝配式的方法使施工簡便、快速，可以節(jié)省勞力和縮短工期。

(3)加筋土是柔性結(jié)構(gòu)物，能夠適應(yīng)地基較大的變形，因而可用于較軟的地基上。

(4)造價低廉。據(jù)國內(nèi)部分工程資料統(tǒng)計，加筋土擋墻的造價一般為普通擋墻的40%～60%。

(5)排水通暢，不用設(shè)置專門的排水管，可用于砌豎縫的方式解決徘水問題。

由于子堰運行時間短，經(jīng)綜合比較結(jié)果認(rèn)為，從經(jīng)濟和施工進度兩方面考慮，設(shè)計優(yōu)先采用了加筋土擋

墻方案。鑒于在三峽圍堰工程中應(yīng)用加筋土工程技術(shù)尚屆首次，為慎重起見在本工程實施之前，設(shè)計、監(jiān)理

以及施工單位還專門到重慶和四川瀘洲等地加筋土工程工地進行了實地調(diào)查研究。

3、 工程設(shè)計及結(jié)構(gòu)計算

3.1 工程設(shè)計

3.1.1 加筋土擋墻構(gòu)造特點

加筋土是填土、拉筋、面板三者的結(jié)合體。填土和拉筋之間的摩擦力改善了土的物理力學(xué)性質(zhì)，而使得填土和拉筋結(jié)合成為一個整體。在這個整體中起控制作用的是填土與拉筋間的摩擦力，面板的作用是阻擋填土塌落擠出，迫使填土與拉筋結(jié)合成為整體。

加筋土擋墻一般由基礎(chǔ)、面板、拉筋、填料和帽石五個部分組成。由于本工程運行時間短，在第二道防滲墻完工后，將作為二期上游土石圍堰堰體的一部分而埋入其中，故不設(shè)帽石，僅在墻頂部鋪設(shè)0.2m厚泥結(jié)

石作為臨時施工道路路面。

3.1.2 地基處理

在上游墻施工完成后，將子堰基礎(chǔ)部位雜物清理干凈，整平至V73.0m，于其上鋪設(shè)土工合成材料，再填筑0.5m厚風(fēng)化砂，作為加筋體基礎(chǔ)。擋墻面板下部設(shè)置混凝土基礎(chǔ)，在混凝土基礎(chǔ)施工之前，先挖除上游墻頂不少于0.5m深的不合格墻體，埋設(shè)土工合成材料，將擋墻基礎(chǔ)混凝土與防滲墻蓋帽混凝土一并澆筑，擋墻基礎(chǔ)混凝土與蓋帽混凝土間不設(shè)施工縫。加筋體及擋墻面板基礎(chǔ)見圖2。

圖二加筋體及面板基礎(chǔ)

3.1.3 擋墻平面布置及斷面結(jié)構(gòu)

加筋土擋墻設(shè)置范圍為樁號0+443～0+655m，擋墻面板基礎(chǔ)沿第一道防滲墻軸線布設(shè)，其軸線總長216.97m。加筋體采用矩形斷面形式，底部高程73.5m，頂部高程78.5m，其上鋪筑20cm厚泥結(jié)石路面，路面以3%坡度向面板墻方向傾斜，以防止路面積水，也可減少雨水滲入到加筋體內(nèi)。加筋土擋墻高5.0m，共設(shè)10層面板，11層筋帶，筋帶層高0.5m；寬12.0m，靠近面板設(shè)置1.0m厚砂卵石反濾層，兼作豎向排水。加筋體底部設(shè)置1.0m厚砂卵石墊層，作為水平排水。所有的面板豎縫，包括伸縮縫和錯縫等，均干砌作為排水通道。加筋土擋墻結(jié)構(gòu)見圖3。

圖三加筋擋墻結(jié)構(gòu)圖

3.1.4 面板

面板采用C20鋼筋混凝土矩形槽板，分A型(490mm×990mm)和B型(490mm×490mm)兩種尺寸，便于施工時錯縫。面板子留穿筋孔。單塊面板重量：A型板220kg，B型板108kg，方便人工直接安裝。

3.1.5 筋帶

筋帶采用新型CAT30020B型鋼塑復(fù)合筋帶，此種筋帶變形小，強度高。設(shè)計采用的筋帶寬30mm，厚2mm，容許應(yīng)力＝100Mpa，容許拉力為6kN，相應(yīng)伸長率<1%；筋帶極限拉力>9kN，斷裂伸長率<2%。筋帶與面板的連接采用上、下穿筋方式，將筋帶的一端從上、下面板的予留孔中穿過，折回與另一端對齊(圖4)。

圖四筋帶與面板的連接

3.1.6 填料

填料采用古樹嶺骨料系統(tǒng)石屑料，經(jīng)中國長江三峽工程開發(fā)總公司試驗中心測試，其物理性質(zhì)接近風(fēng)化砂，力學(xué)性質(zhì)優(yōu)于風(fēng)化砂，與筋帶的摩阻效果好，強度穩(wěn)定性高。

本結(jié)構(gòu)采用如下設(shè)計參數(shù)：

石屑料強度指標(biāo)：φ=37°，c＝0；

石屑料壓實標(biāo)準(zhǔn)：壓實度95%；

筋帶與填料間摩擦系數(shù)：非浸水時取f'=0.4；浸水時取f"=0.3；地基承載力：[δ0]=0.5MPa。

3.2 結(jié)構(gòu)計算

加筋體筋帶的斷面積、長度以及加筋體的穩(wěn)定性等，要通過加筋體內(nèi)部、外部的穩(wěn)定性分析確定。加筋

體內(nèi)部穩(wěn)定性，按局部平衡法計算。規(guī)范要求的各項安全系數(shù)如下：

(1)筋帶抗拔安全系數(shù)kf=2.0；

(2)筋帶抗拉安全系數(shù)ks=1.0；

(3)加筋體總體抗滑穩(wěn)定系數(shù)kc=1.3；

(4)加筋體抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)ko=1.5；

(5)地基承載力要求：δmax<[δ0]且δmin>0。

3.2.1 筋帶所受拉力計算

第i層筋帶單個結(jié)點筋帶所受拉力Ti按下式計算：

對于非浸水部分，Ti＝ki(γzi+rh+δai)Sx·Sy

對于浸水部分，Ti＝ki(γz()+γzi'+rh+δai)Sx·Sy

式中：

Z_i-----第i層結(jié)點在加筋體內(nèi)的深度(m)；

k_i------深度Zi處土壓力系數(shù)；

Z₀ ------計算水位以上加筋體高度(m)。

γ ------加筋體填料及其上填土容重(t/m3)；

γ' ------加筋體填料浮容重(t/m3)√√)；

h ------加筋體上填土重力的等代土層厚度(m)；

Z_i' -----第i層結(jié)點與墻背積水位高差(m)；

δ_ai ----車輛荷載的擴散應(yīng)力；

S_x、S_y---筋帶結(jié)點的水平間距與垂直間距(m)。

3.2.2 筋帶設(shè)計斷面計算

第i層筋帶單個結(jié)點筋帶斷面積Ai按下式計算：

A_i=T_i×10⁴／[δ_L](mm²)

第i層筋帶單個結(jié)點筋帶的總寬度Bi按下式計算：

B_i=A_i／2(mm²)

3.2.3 筋帶長度計算

擬定單根筋帶總長L=12m，直接驗算其抗拔穩(wěn)定系數(shù)。

抗拔穩(wěn)定系數(shù)kf按下式計算：

對于非浸水部分，k_f＝2f'·b_i·L_i(rz_i+rh)／T_i

對于浸水部分，k_f=2f''·b_i·L_i(rz₀+rz_i'+rh)／T_i

式中：Li----第i層結(jié)點筋帶的錨固長度(m)；

根據(jù)驗算結(jié)果，通過調(diào)整各結(jié)點的筋帶根數(shù)來調(diào)整筋帶的總寬度，使筋帶抗拉、抗拔安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。將加筋體作為剛體看待，用混凝土重力式擋墻的驗算方法對其外部穩(wěn)定性，包括總體抗滑、抗傾覆以及基底底面地基應(yīng)力等進行驗算，驗算結(jié)果均符合規(guī)范要求。

4、 施工技術(shù)要點

4.1 面板安裝

面板安裝前，施工單位應(yīng)編繪全墻面板安裝拼接工作圖(示出伸縮縫和轉(zhuǎn)角處面板設(shè)置等)，由中部向兩端伸縮縫安裝，用經(jīng)緯儀定位，掛線操作，并將外口用砂漿略墊高，使面板內(nèi)傾1%。相鄰面板的錯位用低強度砂漿調(diào)整，嚴(yán)禁采用堅硬石子或鐵片支墊；水平誤差及前后錯位應(yīng)及時解決，不能安裝幾層后總調(diào)整。

4.2 筋帶鋪設(shè)

在攤鋪壓實好的填料上，人工找平，鏟坡，在筋帶設(shè)計長度處挖一淺槽，埋入10cm×10cm×300cm方木，用定位栓固定，穿筋孔處的筋帶用鐵絲捆扎固定，成輻射狀。先粗穿筋帶，然后逐根理順調(diào)整，用夾具張緊后釘上方木，并使筋帶緊貼填料，仔細(xì)檢查，保持筋帶張拉松緊程度一致，不得有折曲、卷曲和重疊，驗收合格后攤鋪填料。

4.3 填料的攤鋪與壓實

采用人工和機械相結(jié)合，用裝載機將填料從一端堆起，人工整平至虛鋪厚度，然后逐段推進，邊堆料，邊攤鋪，嚴(yán)禁壓實機械在裸露筋帶上，并保證攤鋪機械緩速行駛，不得急剎車。行駛軌道距面板不少于1.5m。填料應(yīng)分層壓實，其壓實順序從筋帶中部開始逐步碾壓至筋帶尾部，再壓實靠近面板部位，機械壓實距面板不得小于1m，并不得在未經(jīng)壓實的填料上急剎車或急劇改變運行方向。面板附近1m范圍內(nèi)用小型機械碾壓或人工夯實。填料的壓實度標(biāo)準(zhǔn)：距面板1m以外范圍為95%，距面板1m以內(nèi)范圍≥90%。

5、 施工及運行情況

本加筋土擋墻工程于1998年5月10日開始面板安裝，6月16日完建。8月3日凌晨5時，樁號0+513～0+550m長37m(總長216.97m)加筋土擋墻出現(xiàn)局部塌滑，上部5層面板及其后約1m厚砂卵石塌落，靠近面板處筋帶被拉斷而沒有拔出，子堰加筋土擋墻整體穩(wěn)定仍然良好。究其原因，主要是以下幾個方面：

(1)98年入汛以來，三峽地區(qū)雨量明顯偏多，二期上游圍堰長時間處于較高水位，而第二道防滲墻造槽施工與二期基坑抽水同時進行，致使第一道防滲墻墻頂位移過大(約290mm)，引起加筋體變形。

(2)加筋體頂部泥結(jié)石路面未按要求鋪筑，大量雨水通過加筋體頂流人加筋體內(nèi)而無法及時排出，致使加筋體填料處于飽和狀態(tài)，內(nèi)摩擦力降低，土體產(chǎn)生側(cè)向膨脹，增加了筋帶拉力。

(3)初期所用石屑料含水量偏大，不易壓實，引起加筋體沉降變形。后改用風(fēng)化砂，情況得到改善。

(4)在加筋土擋墻施工方面：擋墻面板安裝時，局部有前傾和前后錯位現(xiàn)象末及時糾正；筋帶鋪設(shè)不夠平順，有扭曲、重疊現(xiàn)象，使筋帶受力不均，應(yīng)力集中，抗拉能力減少。

加之壩區(qū)連天暴雨以及沖擊鉆造孔震動荷載等因素綜合影響，導(dǎo)致?lián)鯄μ?。由于坍塌段擋墻保護的第二道防滲墻已施工完畢，人員和施工機械均已撤離，沒有造成損失。在對其余段變形明顯的面板進行袋裝風(fēng)化砂或方木撐護后，繼續(xù)進行第二道防滲墻的施工。8月9日，第二道防滲墻全線封閉。

6、 結(jié)語

(1)本加筋土擋墻達(dá)到了保護第二道防滲墻施工和保證圍堰安全度汛的目的。

(2)通過本工程的建設(shè)，已經(jīng)顯示出加筋土技術(shù)在經(jīng)濟效益和技術(shù)效果方面的優(yōu)越性，確實具有其獨特的優(yōu)點，是一種比較新穎的土工結(jié)構(gòu)。

(3)由于加筋土擋墻具有施工方便、快速的優(yōu)點，獲得了施工單位的好評。鑒于加筋土擋墻運行條件特殊。在實施過程中，要精心組織，嚴(yán)格施工，以確保每一個環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量。

(4)加筋土工程技術(shù)正在不斷地推廣完善當(dāng)中，在三峽圍堰工程中采用此技術(shù)尚屬首次。本工程的建設(shè)為同類工程的建設(shè)積累了經(jīng)驗。