淺談加筋擋土墻防洪堤的設(shè)計(jì)

郭軍輝

【摘 要】某加筋擋土墻防洪堤工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)，是加筋土技術(shù)應(yīng)用于水利工程的一個(gè)成功典范，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。本文闡述了加筋土技術(shù)應(yīng)用于水利工程的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，旨在為加筋土這種新技術(shù)在水利工程上的推廣和應(yīng)用起到積極的推動(dòng)作用。

【關(guān)鍵詞】防洪堤設(shè)計(jì)；水利工程特點(diǎn)；加筋土技術(shù)應(yīng)用；經(jīng)濟(jì)效益顯著

【Abstract】Design and construction of a retaining wall reinforced levees engineering， is a successful example of reinforced soil technology in water conservancy projects， has significant economic benefits. This paper describes the features and design elements of reinforced earth technology for water conservancy projects， designed to reinforced earth promotion and application of this new technology on water conservancy projects play a positive role in promoting.

【Key words】Levees design；Hydraulic engineering characteristics；Reinforced earth technology；Significant economic benefits

1. 工程慨況

某防洪工程主要建筑物為防洪堤。防洪堤作了漿砌石重力式防洪堤和加筋擋土墻防洪堤兩種堤型方案的經(jīng)濟(jì)比較。 經(jīng)過(guò)比較，漿砌石重力式防洪堤直接工程投資為6097萬(wàn)元，而加筋土防洪堤為3084萬(wàn)元，其工程造價(jià)比傳統(tǒng)的漿砌石重力式防洪堤節(jié)約49.4%。可見(jiàn)，采用加筋擋土墻防洪堤，可以大大節(jié)省工程投資。因此，我們采用加筋擋土墻作為防洪工程的防洪堤型。

2. 地質(zhì)條件

2.1 防洪工程地貌類型以中山和低山丘陵河谷盆地為主。出露的地層主要有前震旦系板溪群清水江組灰綠色層狀娟云母板巖及粉砂質(zhì)板巖，上白堊系紅色礫石泥巖，第四系殘坡積和沖洪積層，與工程密切相關(guān)的是第四系的砂質(zhì)土層和砂礫石層。

2.2 工程區(qū)主要為砂質(zhì)土層及砂礫石層。砂質(zhì)土層厚2～6m，承載力[R]=150～180Kpa，抗剪強(qiáng)度f(wàn)=0.25、C=10 Kpa，滲透系數(shù)K=10-3～10-4cm/s；砂礫石層厚度8.5～12.5m，承載力[R]=250Kpa，抗剪強(qiáng)度f(wàn)=0.35、C=0， 滲透系數(shù)K=10-1～10-2cm/s。防洪堤基礎(chǔ)建于稍密實(shí)的砂質(zhì)土層及砂礫石層上。

2.3 由于砂質(zhì)土層及砂礫石層透水性較強(qiáng)，將會(huì)產(chǎn)生以下不良的工程地質(zhì)問(wèn)題：

（1）滲透變形影響地基穩(wěn)定。在洪水位情況下，水流沿基礎(chǔ)下部產(chǎn)生繞滲，應(yīng)研究地基產(chǎn)生潛蝕管涌破壞問(wèn)題。

（2）洪水期間沿基礎(chǔ)下部產(chǎn)生的繞滲，將使防洪堤內(nèi)較低洼地帶出現(xiàn)內(nèi)澇。

（3）加筋擋土墻較高時(shí)，支撐面板的基礎(chǔ)座于軟基上，須解決基礎(chǔ)承載力不足的問(wèn)題。

（4）防洪堤基礎(chǔ)置于砂質(zhì)土層及砂礫石層上，各段性狀不均，壓縮變形較大，須防止地基不均勻沉降對(duì)墻體的影響。

（5）須防止洪水對(duì)砂質(zhì)土層、砂礫石層堤基迎水面的沖刷（掏空）導(dǎo)致墻體破壞。

上述問(wèn)題是加筋土擋墻防洪堤設(shè)計(jì)上的最主要特點(diǎn)，這些特點(diǎn)限制了加筋擋土墻這種新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)在水利工程上的應(yīng)用。

3. 加筋擋土墻防洪堤設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

3.1.1 加筋土擋墻這種新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)，具有十分顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。它與傳統(tǒng)的砌石、混凝土材料擋墻相比可節(jié)約工程造價(jià)20%～50%，可就地取材、施工快速、工藝簡(jiǎn)單、外形美觀、基礎(chǔ)地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，被國(guó)內(nèi)外專家認(rèn)為是支擋結(jié)構(gòu)的一場(chǎng)革命，被譽(yù)為“是土木工程中繼發(fā)明混凝土和鋼筋混凝土后最重大的發(fā)明”。廣泛應(yīng)用于公路、鐵路等建筑行業(yè)，具體應(yīng)用于擋土墻和路堤等建筑物。水利建筑行業(yè)則應(yīng)用較少，而應(yīng)用于擋水的防洪堤則是少之又少了。加筋土擋墻由面板、拉筋和填土組成。其主要結(jié)構(gòu)包括：C25鋼筋砼預(yù)制面板，厚14～18cm，面板外形可為矩形、正六邊形，面板間可相互拼接，外觀漂亮，結(jié)構(gòu)牢固。面板后采用CAT鋼塑復(fù)合筋帶拉固，筋帶從面板預(yù)埋拉環(huán)或預(yù)留孔中穿過(guò)，折回另一端對(duì)齊，成扇幅狀鋪設(shè)在壓實(shí)整平的填料土中，依靠筋帶與碾壓回填料間摩擦阻力作用維持擋土墻的結(jié)構(gòu)平衡。填料主要采用砂類土、礫碎石土。水利工程上宜采用砂礫（卵）石作填料。

3.1.2 由于水利工程有其自身的特點(diǎn)，加筋土擋墻應(yīng)用于防洪堤時(shí)也有其不同于單純作為擋土墻或路堤等建筑物時(shí)的特點(diǎn)。把加筋土擋墻設(shè)計(jì)為防洪堤時(shí)，由于防洪堤的主要作用是“擋水”，因此必須考慮水流對(duì)加筋土防洪堤擋墻的各種影響，主要表現(xiàn)在：（1）防洪堤在外水壓力作用下的穩(wěn)定，（2） 洪水沿堤身滲透的滲透穩(wěn)定。

（3）加筋土防洪堤置于土基或砂礫石基礎(chǔ)上時(shí)，洪水期間，在洪水位作用下，水流沿基礎(chǔ)下部產(chǎn)生繞滲、潛蝕管涌破壞問(wèn)題和迎水面堤基的沖刷問(wèn)題以及墻體較高時(shí)地基承載力不足的問(wèn)題。（4）在堤身構(gòu)造上還需要設(shè)置排水反濾措施以便將洪水期間滲入堤身的滲水迅速排出堤外，以免危及堤身安全。這些即是加筋土擋墻應(yīng)用于防洪工程的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)。因此，除了加筋土擋墻結(jié)構(gòu)自身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)外，“水”對(duì)加筋土擋墻的各種影響也就成了設(shè)計(jì)要點(diǎn)。能否解決這些技術(shù)問(wèn)題是加筋土擋墻能否應(yīng)用于防洪工程的關(guān)鍵，這也是加筋土擋墻很少應(yīng)用于水利工程的主要原因。

3.2 斷面結(jié)構(gòu)型式和構(gòu)造。

（1）由于設(shè)計(jì)上的一些特點(diǎn)，使得加筋擋土墻防洪堤的斷面結(jié)構(gòu)型式不同于常規(guī)。加筋擋土墻防洪堤修建于平坦寬闊的河灘地，除了由基礎(chǔ)、面板、拉筋、填料、帽石等組成的“筋帶區(qū)”垂直體外，由于堤背無(wú)物可依，須回填一定坡度的填料護(hù)坡——“非筋帶區(qū)”三角體，堤背的坡度根據(jù)滲透穩(wěn)定以及邊坡穩(wěn)定計(jì)算確定。這與傳統(tǒng)土石壩的梯形斷面形狀相似，只不過(guò)擋水面的緩坡變?yōu)榇怪逼露选Ｒ虼?，加筋擋土墻防洪堤的斷面結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分：擋水面的“筋帶區(qū)”垂直體和背水面的“非筋帶區(qū)”三角體。擋水面的“筋帶區(qū)”垂直體是常規(guī)的加筋土擋墻結(jié)構(gòu)，背水面的“非筋帶區(qū)”三角體則為水利工程上常見(jiàn)的土體邊坡結(jié)構(gòu)。兩部分有機(jī)結(jié)合在一起，共同組成了一個(gè)路堤結(jié)合的防洪堤，既可以擋水防洪，又可以在墻頂面形成通車路面。

（2）加筋土防洪堤最大高度11.65m（含基礎(chǔ)及超高）。為滿足堤頂行車需要，設(shè)計(jì)堤頂寬7m，凈寬6.4m，墻頂設(shè)C15砼防浪墻，高0.5m，兼作路面防護(hù)欄墩。C25鋼筋砼預(yù)制矩形面板厚18cm，尺寸為500×1000或500×500（mm）。面板后并設(shè)有30cm厚的碎石反濾層以便安全的排出洪水期間滲入堤內(nèi)的洪水。設(shè)計(jì)CAT30020B鋼塑復(fù)合拉筋帶長(zhǎng)度6.5m、寬度0.3m，堤身用砂礫石料分層回填碾壓，堤背采用1：2的邊坡，并用塊石護(hù)砌。為防止發(fā)生滲流管涌，確保堤身安全穩(wěn)定，坡腳設(shè)排水棱體，高度1.0～2.0m，頂寬1.0m，兩側(cè)邊坡為1∶1。并于坡腳設(shè)置排水溝（400×300mm2）以便及時(shí)將堤身滲水排走。擋水面板基礎(chǔ)下設(shè)C15砼承臺(tái)梁，底寬1.6m，高1.6m，為矩形結(jié)構(gòu)。

（3）設(shè)計(jì)計(jì)算。加筋擋土墻防洪堤的設(shè)計(jì)計(jì)算除了根據(jù)《公路加筋土工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ015-91），進(jìn)行外部穩(wěn)定分析計(jì)算和內(nèi)部穩(wěn)定分析計(jì)算外，由于加筋擋土墻防洪堤填料大多為中低液限礫類土、砂類土、砂礫石土等具有滲透性的材料，因此還需要進(jìn)行滲透穩(wěn)定分析計(jì)算。

3.2.1 加筋擋土墻防洪堤內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算。加筋擋土墻防洪堤內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算主要是確定筋床填料的壓實(shí)密度和計(jì)算支撐擋水面板的鋼塑復(fù)合筋帶所受的拉力，目的是確定筋帶型號(hào)、斷面長(zhǎng)度及數(shù)量（一般按局部平衡法計(jì)算），以滿足加筋土的內(nèi)部穩(wěn)定，其實(shí)質(zhì)也就是筋帶的抗拉（抗拔）穩(wěn)定。

3.2.2 加筋擋土墻防洪堤外部穩(wěn)定計(jì)算。加筋擋土墻防洪堤外部穩(wěn)定計(jì)算包括加筋土的抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定、整體穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算。加筋土防洪堤外部穩(wěn)定計(jì)算時(shí)須考慮水荷載的作用。因此，加筋擋土墻防洪堤的外部穩(wěn)定計(jì)算必須考慮兩種最不利的設(shè)計(jì)工況（荷載組合），一種是墻前無(wú)水壓力，墻后堤背填土壓力情況，一種是墻前有水壓力情況。通過(guò)對(duì)兩種設(shè)計(jì)工況的計(jì)算以確定加筋擋土墻防洪堤外部穩(wěn)定計(jì)算的控制工況。

3.2.3 加筋擋土墻防洪堤的滲透穩(wěn)定計(jì)算。加筋擋土墻防洪堤的滲透穩(wěn)定計(jì)算則是在水壓力作用下，計(jì)算加筋擋土墻防洪堤的滲透穩(wěn)定（可以參照土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范中滲透穩(wěn)定的計(jì)算方法）。另外還須對(duì)水的滲透量進(jìn)行計(jì)算，以確定洪水期間，堤后滲透量的大小，相應(yīng)采取抽排措施。

（1）通過(guò)對(duì)加筋擋土墻防洪堤的具體計(jì)算，其外部穩(wěn)定和內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算均滿足有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，并通過(guò)滲透穩(wěn)定計(jì)算確定堤背回填區(qū)邊坡為1：2。須特別說(shuō)明的是，在進(jìn)行加筋土防洪堤結(jié)構(gòu)外部穩(wěn)定的地基應(yīng)力計(jì)算時(shí)，由于砂質(zhì)土層地基承載力（[R]=150～180Kpa）較小，如僅僅靠?jī)?nèi)部穩(wěn)定計(jì)算中確定的筋帶區(qū)的面積不足以提供必須的承載力，因此我們將最下部的4層筋帶延長(zhǎng)至堤背，這樣筋帶區(qū)的面積擴(kuò)大至整個(gè)基底寬度，擴(kuò)大了2～3倍，從而有效的解決了地基承載力不足的問(wèn)題，同時(shí)也增強(qiáng)了基礎(chǔ)的滲透穩(wěn)定。

（2）這樣，通過(guò)上述的設(shè)計(jì)計(jì)算，并經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的基礎(chǔ)處理以及構(gòu)造設(shè)計(jì)我們就可以解決上面提及的由于砂質(zhì)土層及砂礫石層的強(qiáng)透水性產(chǎn)生的不良工程地質(zhì)問(wèn)題以及加筋擋土墻應(yīng)用于水利上的防洪工程時(shí)所遇到的特有問(wèn)題。解決了這些問(wèn)題，在水利工程上應(yīng)用加筋土技術(shù)也就不存在困難和技術(shù)問(wèn)題。這對(duì)加筋土技術(shù)的推廣是有很重要意義的。

3.3 基礎(chǔ)處理。

（1）加筋擋土墻防洪堤的基礎(chǔ)包括兩個(gè)部分：面板基礎(chǔ)部分和筋帶區(qū)部分。前面已提及，防洪工程區(qū)主要為砂質(zhì)土層及砂礫石層，因此加筋擋土墻防洪堤基礎(chǔ)主要置于稍密實(shí)的砂質(zhì)土層及砂礫石層上。筋帶區(qū)部分基礎(chǔ)埋深1.6～2.0m，首先清除原地表0.6～1.0m厚的淤泥、腐質(zhì)土以及垃圾、廢料后，再深挖1.0m至中密實(shí)以上的砂質(zhì)土層及砂礫石層，并碾壓回填1.0m厚的砂礫石，整平壓實(shí)。面板部分基礎(chǔ)埋深2.2～2.6m，基礎(chǔ)設(shè)置在稍密至中密狀砂卵（礫）石層或砂質(zhì)土層上，下設(shè)C15砼承臺(tái)梁，底寬1.6m，高1.6m，為矩形結(jié)構(gòu)。臨水面用大石塊回填，以防洪水沖刷淘蝕堤腳。

（2）對(duì)置于砂質(zhì)土層上的面板基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)上加設(shè)了兩排直徑0.15～0.2m、長(zhǎng)度3.0～4.0m，插入砂礫石層的木樁，以防止基礎(chǔ)出現(xiàn)較大的沉降，也是增加安全性的一種措施。

（3）由于防洪堤基礎(chǔ)各段地質(zhì)性狀不一，為防止基礎(chǔ)不均勻沉降，防洪堤須設(shè)置沉降逢，間距為10m，基礎(chǔ)地質(zhì)性狀變化處，還須增設(shè)。沉降逢處敷設(shè)寬度為0.6m的復(fù)合土工布，以起到反濾的作用。

3.4 施工及施工情況。

3.4.1 加筋擋土墻防洪堤的施工分為以下幾個(gè)主要部分： （1）基礎(chǔ)工程、（2）面板的制作與安裝、（3）筋帶鋪設(shè)、（4）填料的采集、攤鋪、壓實(shí)、（5）防水、排水和其它工程。

3.4.2 施工時(shí)，基礎(chǔ)采用機(jī)械開(kāi)挖，砼面板采用預(yù)制，面板安裝用人工或機(jī)械吊裝就位。堤身采用碾壓機(jī)械分層碾壓，分層厚度為0.5m。筋帶為人工鋪設(shè)。填料就近于河灘及河床中機(jī)械采集。

3.4.3 各部分詳細(xì)施工方法和質(zhì)量控制等內(nèi)容可參見(jiàn)《公路加筋土施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ035-91），本文不再繁述。

3.4.4 實(shí)際在施工開(kāi)挖過(guò)程中，基礎(chǔ)開(kāi)挖至設(shè)計(jì)砂質(zhì)土層高程后，再往下開(kāi)挖2.0～3.0m左右即可達(dá)至較密實(shí)的砂礫石層，由于使用機(jī)械化開(kāi)挖較為容易，施工現(xiàn)場(chǎng)處理時(shí)即采取了取消木樁，開(kāi)挖至砂礫石層的措施。雖然工程量稍為增大，但卻使整個(gè)防洪堤基礎(chǔ)均置于密實(shí)的砂礫石層上，從而更好地確保了防洪堤基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定。

3.4.5 另外，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)碾壓實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，堤身砂礫石填料壓實(shí)后的滲透系數(shù)達(dá)到了K=10-3cm/s量級(jí)，比設(shè)計(jì)時(shí)的K=10-2cm/s量級(jí)減少了10倍，從而增加了滲透穩(wěn)定的安全性，也大大減少了堤身的滲透量。

3.4.6 由于采用機(jī)械化施工、且工藝簡(jiǎn)單，因此施工速度較快，施工期大為縮短， 目前，僅經(jīng)過(guò)一年的施工，加筋擋土墻防洪堤已基本建設(shè)完畢。由于施工單位的施工技術(shù)較為成熟和熟練，整個(gè)防洪工程的施工較好的體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的意圖，同時(shí)也較好的達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

4. 結(jié)語(yǔ)

4.1 將加筋土擋墻技術(shù)應(yīng)用于水利工程的防洪堤擋水建筑物，當(dāng)可以就近采用大量天然砂礫石填料時(shí)，這種堤型結(jié)構(gòu)可以大大節(jié)約工程投資，而且施工簡(jiǎn)單、快速，大大縮短施工工期，具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 加筋土技術(shù)應(yīng)用于水利工程應(yīng)根據(jù)水利工程的特點(diǎn)和工程區(qū)的地質(zhì)、地形條件等具體情況進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和斷面型式設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)，以滿足水利工程自身的特點(diǎn)和要求。這樣，加筋土技術(shù)就可以成功應(yīng)用于水利工程。

4.3 加筋擋土墻防洪堤結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)成為路堤結(jié)合的型式，不僅起到防洪的作用，同時(shí)也是城市濱河道路的建設(shè)工程，可實(shí)現(xiàn)一舉兩得的建設(shè)效果。

4.4 加筋擋土墻防洪堤的設(shè)計(jì)和建設(shè)，是加筋土技術(shù)應(yīng)用于水利工程一個(gè)成功典范。希望本工程能夠?yàn)榧咏钔良夹g(shù)應(yīng)用于水利工程起到積極的推動(dòng)作用。

[文章編號(hào)]1619-2737（2015）12-08-610