加筋土擋土墻在沙河馬灣攔河閘加固工程中的應(yīng)用

□程昌奇 □程昌建(河南省水利第二工程局)

一、工程概況

馬灣攔河閘位于淮河流域沙河上游的漯河市舞陽縣馬灣村附近，始建于1959年，7孔，單孔凈寬10.0m，閘室總寬84.1m，設(shè)計流量2850m3/s。馬灣攔河閘維修加固工程是治淮骨干工程，2007年10月開工，維修加固方案為：閘底板、上游鋪蓋和下游消能設(shè)施保留，底板以上拆除重建。

二、施工中存在的問題

閘基與左岸翼墻置于地質(zhì)報告所述第②層低液限粘土及第③層級配不良砂中，第③層級配不良砂上下游連通，中等～強(qiáng)透水性。原施工圖設(shè)計上、下游翼墻均為扶壁式，若按原圖進(jìn)行開挖，就會出現(xiàn)管涌～流砂，危及閘室安全。若保留原翼墻基礎(chǔ)，則扶臂式翼墻一部分建在原基礎(chǔ)上，另一部分建在回填土上，將會產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致鋼筋混凝土翼墻位移和開裂問題。

三、處理措施

（一）處理方案

鑒于上下游翼墻存在的問題，發(fā)包人于2008年1月10日組織了有關(guān)專家共同研究，設(shè)計變更將上下游翼墻改為加筋土擋土墻。加筋土擋土墻由填料、在填料中布置的拉筋以及C25鋼筋混凝土墻面板三部分組成。

（二）處理范圍

拆除閘室上游兩側(cè)圓弧半徑為20.0m弧長16.18m的重力式漿砌石翼墻；按原結(jié)構(gòu)分縫，閘室下游左側(cè)翼墻拆除16m，右側(cè)翼墻拆除12m，原施工圖翼墻均采用扶臂式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)恢復(fù)，現(xiàn)改為加筋土擋土墻。

（三）加筋土擋土墻設(shè)計

根據(jù)國內(nèi)同類工程經(jīng)驗和有關(guān)參考資料，本工程加筋體的橫斷面采用矩形斷面，即拉筋長度在加筋體內(nèi)相同，筋材采用土工格柵，根據(jù)土體的破裂面位置（破壞角按45°+Ф/2），初步確定拉筋長度為10.7m，面板采用0.8m厚C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上游翼墻面板高10.2m，基礎(chǔ)寬1.8m，基礎(chǔ)高0.8m，加筋土高8.2m；下游面板高10.07m，基礎(chǔ)寬1.8m，基礎(chǔ)高0.63m，加筋土高8.47m。面板采用整體式現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)位于原翼墻鋼筋混凝土前趾的頂部，面板后設(shè)一道裝滿砂的砂袋，砂袋用土工格柵包裹，土工格柵與混凝土面板和砂袋之間用棒連接的方式進(jìn)行連接。

（四）加筋土擋土墻穩(wěn)定性驗算

加筋土擋土墻的穩(wěn)定性驗算分外部穩(wěn)定性驗算和內(nèi)部穩(wěn)定性驗算。

1.外部穩(wěn)定性驗算

加筋土擋土墻外部穩(wěn)定性驗算采用重力式擋土墻的穩(wěn)定計算方法進(jìn)行驗算，墻背土壓力按郎肯土壓力理論公式進(jìn)行計算。

擋土墻穩(wěn)定計算考慮以下三種工況：一是完工期：擋土墻建成使用，墻前墻后無水；二是設(shè)計工況：上游翼墻墻前為上游河道設(shè)計水位69.03m，下游翼墻墻前水位為67.47m。墻后水位與墻前相同；三是洪水驟降工況：上游按墻后正常水位65.92m，墻前水位閘底板駝峰堰頂高程61.12m；下游墻前洪水驟降至底板，翼墻前后水位差按2m（即翼墻最下排排水孔位置）計算。

根據(jù)地質(zhì)報告成果，基礎(chǔ)容許承載力標(biāo)準(zhǔn)值為130kPa；加筋土與地基的摩擦系數(shù)取f=0.33，墻后填土c=0kPa，綜合內(nèi)摩擦角Ф=26°。依據(jù)規(guī)范要求計算荷載組合包括基本荷載組合和特殊荷載組合，擋土墻穩(wěn)定計算工況荷載組合見表1。

表1 上、下游翼墻荷載組合表

擋土墻穩(wěn)定計算按《水閘設(shè)計規(guī)范》SL265-2001中有關(guān)公式?？够€(wěn)定計算采用抗剪計算公式：

式中：Kc為計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為基礎(chǔ)底面與地基之間抗剪摩擦系數(shù)；∑W為作用于基礎(chǔ)底面以上的全部豎向力之和（KN）；∑P為作用于基礎(chǔ)底面以上的全部水平向荷載。

翼墻基底壓應(yīng)力采用材力學(xué)計算公式：

式中：Pmax、Pmin為基礎(chǔ)底面的最大值和最小值（kPa）；∑G為豎向力之和（kN）；A為基礎(chǔ)底面的面積（m2）；B為底板順?biāo)鞣较虻膶挾龋╩）；e為合力矩底板中心點的偏心距（m）。

根據(jù)以上計算公式和計算參數(shù)，上下游加筋擋土墻的整體穩(wěn)定計算成果見表2、表3。

表2 上游加筋土翼墻穩(wěn)定計算成果表

表3 下游加筋土翼墻穩(wěn)定計算成果表

《水閘設(shè)計規(guī)范》SL265-2001規(guī)定：對2級建筑物，基本組合時，抗滑安全系數(shù)允許值1.30，特殊組合時，抗滑安全系數(shù)允許值為1.15，抗傾安全系數(shù)允許值為1.50。從上表可以看出，各工況下加筋擋土墻抗傾抗滑安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。各種工況情況下，擋土墻基底平均壓應(yīng)力均小于地基允許承載力設(shè)計值，且最大應(yīng)力小于允許承載力的1.2倍。

2.內(nèi)部穩(wěn)定安全驗算

內(nèi)部穩(wěn)定安全驗算包括筋材強(qiáng)度驗算和抗拔穩(wěn)定驗算。

根據(jù)《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50290-98），計算得每層土工格柵的容許抗拉力Ta與計算水平拉力Ti的比值在8.38～1.05，均＞1，說明土工格柵的間距和強(qiáng)度滿足要求。

筋材抗拔穩(wěn)定性驗算：筋材抗拔力Tpi按下式計算

式中：σVi為筋材上的有效法向應(yīng)力，kPa；f為筋材與土的摩擦系數(shù)；Lei為筋材的有效長度，按破裂面以外的長度確定，m；B為筋材寬度，m。

筋材的抗拔穩(wěn)定安全系數(shù)：

式中：Ti為每層土工格柵單位墻長所受的水平拉力；Tpi為筋材抗拔力。

第i層筋材長度Li按下式計算：

式中：L0i為第i層筋材滑動面以內(nèi)長度（m）；Lwi為第i層筋端部包裹土體所需要的長度，或筋材與墻面連接所需長度（m）；取2.8m。

計算各層土工格柵抗拔穩(wěn)定性安全系數(shù)在4.33～23.02之間，均＞1.3，滿足《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50290-98）規(guī)定要求。

四、加筋土擋土墻施工要求

根據(jù)設(shè)計，左右岸翼墻采用土工格柵加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)，處理范圍：寬10.7m，長約60m，深度8m左右。

施工時，先進(jìn)行C25鋼筋混凝土面板澆注，可分層實施，其內(nèi)側(cè)設(shè)蛇皮袋裝粗砂，蛇皮袋綁扎，并用土工格柵反包；后進(jìn)行土工格柵土方回填，土料采用附近重粉質(zhì)壤土，壓實度系數(shù)達(dá)0.95以上，每0.5m厚鋪設(shè)一層土工格柵?；靥顣r，靠近袋裝粗砂部位應(yīng)采用蛙式夯或手扶振動碾壓實，大面積可采用拖拉機(jī)壓實；加筋土外側(cè)設(shè)三道0.5m×0.5m排水粗砂帶，排水粗砂帶引到下游翼墻排水口，排水砂帶出口用0.8m×0.8m土工布（300g/m2）包裹。

五、工程投資對比及工程效果

馬灣攔河閘上下游加筋土翼墻工程概算采用發(fā)改委批復(fù)價格進(jìn)行計算，建筑工程概算92.91萬元。原施工圖該部分工程投資128.32萬元。實施工程減少投資35.41萬元，經(jīng)濟(jì)對比效果明顯。

2008年5月22日上下游翼墻全部完工，2008年6月24日通過了水利部淮委、河南省水利廳有關(guān)專家領(lǐng)導(dǎo)參加了該分部工程的驗收，截至2009年5月底，經(jīng)過一年的運行觀測，馬灣攔河閘鋼筋混凝土面板加筋土擋土墻建成后沒有發(fā)生明顯水平與垂直位移，這一工程措施適應(yīng)變形能力強(qiáng)，施工方便，既解決了本工程的復(fù)雜地基問題，還節(jié)約了投資，工程效果明顯。