金沙水電站施工場平工程加筋土擋土墻設(shè)計(jì)研究

王曙東 張宏 彭海波 徐焰

摘要：金沙水電站毗鄰攀枝花市主城區(qū)，工程區(qū)內(nèi)地形陡峻，施工場地布置困難。為保證施工場地安全，對土工格柵加筋土擋土墻和重力式混凝土擋土墻進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。在邊坡整體穩(wěn)定分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，充分利用原503電廠堆煤場已有的漿砌石擋土墻，在其上部布置土工格柵加筋土擋土墻。施工實(shí)踐證明，該方案保證了規(guī)劃的施工場地面積，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：加筋土擋土墻; 場地平整; 土工格柵; 金沙水電站

中圖法分類號：TU476.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.010

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0046 - 06

0 引 言

加筋土擋土墻是由墻面、墻面基礎(chǔ)、加筋材料和墻體填土共同組成的一種支擋結(jié)構(gòu)。加筋的作用主要在于通過筋材與填土間界面上的摩阻力阻止土體側(cè)向位移，對土體產(chǎn)生約束，改善土體的應(yīng)力和應(yīng)變性能[1-3]。加筋土擋土墻結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的變形適應(yīng)能力，可因地制宜、就地取材，節(jié)約工程投資，且具有造型美觀、施工方便、施工速度快的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于高填方公路、鐵路路堤、機(jī)場、護(hù)岸工程、尾礦壩、渣場等，在工程所在地攀枝花地區(qū)也有較多應(yīng)用案例[4]。本文結(jié)合金沙水電站地形地質(zhì)條件和現(xiàn)場施工場地條件，合理利用施工區(qū)內(nèi)原503電廠遺留漿砌石擋土墻，通過在其上部布置加筋土擋土墻，充分發(fā)揮加筋土擋土墻特點(diǎn)，并采用拋石棱體增加了支擋體系整體穩(wěn)定性。該方法取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，可為其他類似加高抬填工程支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，上距觀音巖水電站壩址28.9 km，下距攀枝花中心城區(qū)（攀枝花水文站斷面）10.3 km[5]。

金沙水電站為Ⅱ等大（2）型工程，正常蓄水位1 022.00 m，校核洪水位為1 025.30 m，相應(yīng)靜庫容為1.08億m3，電站裝機(jī)容量56萬kW（560 MW），最大壩高66.00 m。樞紐布置方案為：右岸布置導(dǎo)流明渠，縱向圍堰壩段以左布置3個(gè)孔口尺寸為14.5 m×23.0 m（寬×高，下同）的泄洪表孔，以右布置2個(gè)孔口尺寸為14.5 m×23.0 m的泄洪表孔和1個(gè)孔口尺寸為6.0 m×15.0 m的生態(tài)泄水孔，河床及左岸布置河床式電站廠房，左岸布置魚道。施工導(dǎo)流采用三期導(dǎo)流方式。

金沙水電站壩址區(qū)屬中山峽谷地貌，兩岸山體雄厚，山高400～700 m，河谷深切，呈不對稱V型谷，兩岸坡形均呈上陡下緩狀，上部坡角為30°～50°，下部坡角20°～25°。左岸山頂高程為1 400～1 700 m，左岸上游高程1 060 m以下地形較緩，為寬100～200 m的堆積階地，總體坡角20°左右，503電廠廠區(qū)（已關(guān)停）和住宅區(qū)坐落于該階地;左岸下游為陡峻的正長巖山坡，坡角一般為30°～50°，局部達(dá)60°左右。右岸山頂高程1 400～1 500 m，坡角40°～55°;其中，高程1 400～1 300 m間和高程1 080 m以下的山坡較緩，坡角25°左右，右岸壩線下游400～1 000 m分布冷軋廠堆積體。

金沙水電站毗鄰攀枝花市主城區(qū)，工程征地較為困難。工程區(qū)內(nèi)山高、坡陡，可利用的施工場地十分有限。經(jīng)綜合考慮工程區(qū)地形地質(zhì)條件、征地難度等因素，金沙水電站主要施工場地沿左岸布置，其中主要施工臨建設(shè)施布置于左岸上游503施工區(qū)，充分利用503電廠廠區(qū)（已關(guān)停）和住宅區(qū)場地。區(qū)內(nèi)布置有金沙水電站砂石加工系統(tǒng)、混凝土拌和系統(tǒng)、系統(tǒng)污水處理廠、施工變電所、加油站、施工水廠、施工營地、綜合倉庫及綜合加工廠、機(jī)電拼裝場、金結(jié)拼裝廠等主要施工附屬企業(yè)。金沙水電站施工總布置方案如圖1所示。

因503電廠現(xiàn)有場地面積有限，且臨江側(cè)場地施工期易受度汛洪水影響，部分施工場地需通過場地抬填平整形成。

2 場地平整布置方案

503施工區(qū)場地平整（以下簡稱“場平”）工程位于金沙水電站壩軸線左岸上游 0.85～1.65 km的3號公路兩側(cè)，靠山側(cè)為A區(qū)，規(guī)劃場平高程1 035.38～1 036.26 m，場地占地面積約為0.75萬m2;臨江側(cè)為B區(qū)，為老庫灘至下游503沖溝江邊平臺，規(guī)劃場平高程不低于1 024.44 m，需形成平整場地面積4.30萬m2。503施工區(qū)場平布置方案如圖2所示。

3 地形地質(zhì)條件

3.1 地形條件

場平區(qū)地面為已關(guān)停的503電廠廠區(qū)，金沙江從場平區(qū)前緣自NW向SE流過。金沙江枯水位998.00 m，一般洪水位1 007.19 m，金沙水電站正常蓄水位1 022.00 m。

施工場地A區(qū)位于光明路北側(cè)，呈長150 m、寬80 m的矩形，為傾向金沙江的緩坡地形，高程為1 023.00～1 035.00 m。

施工場地B區(qū)位于光明路南至江邊，呈長條形順江分布，順江長770 m，寬30～60 m，總體地形為緩坡平臺，地面高程一般為1 013.00～1 023.00 m，總體坡角12°左右，上游為一臨時(shí)堆煤場，下游建筑物密集分布（已廢棄）。503電廠沿江大部分岸坡已修建有漿砌塊石擋墻防護(hù)，墻頂高程1 012.50～1 018.50 m，可見墻底高程1 003.00～1 007.00 m，墻高7～11 m，擋墻未見損毀，墻外側(cè)修有寬4～7 m的漿砌塊石護(hù)坦，多有沖毀，擋墻外側(cè)至水邊為寬緩邊灘。下游至503沖溝的260 m岸段未作防護(hù)，岸坡高20～25 m，坡角35°左右。

3.2 地質(zhì)條件

場平區(qū)地表多被第四系堆積物覆蓋，第四系堆積物按成因可分為人工堆積物、崩沖積物與沖積物。覆蓋層下伏基巖為三疊系上統(tǒng)大蕎地組、丙南組砂巖及華力西期正長巖。

3.2.1 覆蓋層

據(jù)鉆孔揭露，場平區(qū)覆蓋層厚度一般為13～48 m，前緣即臨江側(cè)厚度大，向靠山側(cè)厚度變小。其中，岸坡沿線覆蓋層厚度較大，一般厚度35～48 m，最大達(dá)50余米。

覆蓋層分兩大層，堆煤場上游施工場地B區(qū)覆蓋層上為厚7～23 m的人工堆積物、下為厚10～27 m的沖積卵石;堆煤場下游施工場地B區(qū)與施工場地A區(qū)覆蓋層上為厚4～13 m的崩沖積漂（塊）石夾卵石、下為厚5～55 m的沖積卵石。

（1） 人工堆積物層（Qs），按物質(zhì)組成不同分為兩個(gè)亞層：① 碎石夾粉土及少量塊石層，分布于老庫灘至堆煤場一帶表層，厚度為7.0～20.0 m;碎石含量為40%～70%，粒徑為2～6 cm，部分達(dá)10 cm左右;塊石含量在15%左右，粒徑為20 cm左右。碎、塊石成分主要為正長巖;土為灰黃色粉土。該層為松散至稍密狀，具強(qiáng)透水性。② 正長巖石渣層（為原503電廠洞室開挖棄渣），分布于堆煤場一帶①層之下，厚度為4.6～15.0 m，塊徑一般在10 cm左右，少量達(dá)15～30 cm，呈棱角狀。該層為松散至稍密狀結(jié)構(gòu)，具強(qiáng)透水性。

（2） 崩沖積層（Qcol+al ）：漂（塊）石夾卵石。主要分布于503沖溝溝口至取水口一帶表層，厚度為4.0～13.0 m;塊石、漂石含量為40%～60%，芯樣呈長20～40 cm的柱狀，成分為正長巖與玄武巖;塊漂石之間為卵石。該層為稍密至中密狀結(jié)構(gòu)，具強(qiáng)透水性。

（3） 沖積層（Qal）：卵石。厚度一般在25.0～40.0 m，局部厚50余米;卵石含量占70%左右，粒徑一般為3～8 cm，少量達(dá)15 cm左右，為亞圓形，成分為正長巖、玄武巖，含少量礫石和漂石，石間由粗砂填充。結(jié)構(gòu)呈稍密至中密狀，具強(qiáng)透水性。卵石層中含有礫石、粗砂及礫砂、粉土等透鏡體或薄層，場地內(nèi)分布不均勻，厚度變化大，結(jié)構(gòu)呈松散至稍密狀。

3.2.2 基巖

場平區(qū)內(nèi)未見基巖出露，僅503電廠3號洞口至上游施工場地A區(qū)北側(cè)山坡有基巖裸露。巖性為華力西期（ξ4）正長巖，為中細(xì)粒半自形結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，屬堅(jiān)硬巖。場平區(qū)下覆基巖埋深較大，一般埋深13～50余米，為華力西期正長巖與中生界三疊系上統(tǒng)大蕎地組（T3dq）、丙南組（T3b）碎屑巖，碎屑巖以薄至中厚層泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖為主，夾巖屑砂巖、細(xì)砂巖及少量灰?guī)r與煤層。

4 場地平整方案設(shè)計(jì)

4.1 方案設(shè)計(jì)

4.1.1 支擋結(jié)構(gòu)型式選擇

施工場地A區(qū)場平方案比較常規(guī)，503場地平整方案的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于B區(qū)臨江側(cè)的支擋防護(hù)。因B區(qū)規(guī)劃場平面積需達(dá)到4.3萬m2，以滿足金沙水電站施工附屬企業(yè)和施工營地布置需要，而規(guī)劃場平高程與現(xiàn)有岸坡地形高差約20余米，如采用放坡填筑岸堤則難以保證場平面積，且放坡方案坡腳伸入河床，影響工程施工期間防洪度汛，因此放坡填筑岸堤方案不予考慮。根據(jù)該場地情況，需采取直立式的支擋防護(hù)工程措施，一般考慮混凝土重力式擋土墻支擋結(jié)構(gòu)或土工格柵加筋土結(jié)構(gòu)。

（1） 混凝土擋土墻方案受擋墻高度、地基承載力的制約較大，需拆除B區(qū)上游臨江側(cè)503電廠老擋土墻，并新建擋土墻高度約20余米?？紤]施工場地B區(qū)臨江側(cè)上部主要為人工堆積物，下部為沖積卵石，承載力約260～280 kPa，覆蓋層厚度大，卵石層中含有礫石、粗砂及礫砂、粉土等透鏡體或薄層，基礎(chǔ)承載力難以滿足20 m級重力式擋土墻要求，基礎(chǔ)處理難度較大。估算擋土墻混凝土工程量達(dá)5.5萬m3，預(yù)計(jì)工程投資達(dá)3 800萬元。

（2） 土工格柵加筋土擋土墻屬于柔性結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)類型的支擋結(jié)構(gòu)相比，具有施工方法簡單、施工工期短、適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)、安全系數(shù)大、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，并可保留B區(qū)上游側(cè)503電廠現(xiàn)有的老擋土墻，在老擋土墻上部新建土工格柵加筋土擋土墻，既降低了新建支擋結(jié)構(gòu)高度，也大大節(jié)約了工程投資。土工格柵加筋土擋土墻方案的加筋土結(jié)構(gòu)混凝土工程量僅2 715 m3，需土工格柵20.7萬m2，工程投資約1 640萬元，較混凝土擋土墻方案可節(jié)約投資2 000多萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合比較，503場地B區(qū)場平支擋措施方案采用土工格柵加筋土擋土墻。

4.1.2 分段防護(hù)方案

B區(qū)場平臨江側(cè)土工格柵加筋土擋土墻防護(hù)設(shè)計(jì)穩(wěn)定安全系數(shù)Fs≥1.25。場地地震烈度7度，地震水平加速度為G=0.15 g，地震狀態(tài)下的穩(wěn)定安全系數(shù)Fs≥1.15，墻頂距墻頂外邊線0.5～11.0 m范圍內(nèi)汽車荷載按公路Ⅰ級考慮，距墻頂外邊線11.0 m范圍外按兩層建筑物考慮。

加筋土擋土墻面板采用35 cm厚L型混凝土預(yù)制塊，預(yù)留插筋孔，插筋灌水泥砂漿連接，面板后設(shè)30 cm厚碎石反濾層，面板頂部設(shè)寬度70 cm、厚度30 cm鋼筋混凝土帽石壓頂。加筋材料采用整體鋼塑土工格柵，垂直于墻面方向布置，長11 m;土工格柵采用整體成型工藝，加筋帶交叉交點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)分離力要求500 N以上;極限伸長率要求≤3%;整體鋼塑土工格柵的耐久性指標(biāo)如下。

（1） 老化指標(biāo)。整體鋼塑土工格柵在氙燈老化條件下150 h后，每延米拉伸力保持95%以上。

（2） 耐堿指標(biāo)。在2.5 g/L氫氧化鈣懸浮液浸泡72 h后，每延米拉伸力保持95%以上。

（3） 耐酸指標(biāo)。在0.025 mol/L硫酸中浸泡72 h后，每延米拉伸力保持95%以上。

（4） 炭黑含量。整體鋼塑土工格柵的外裹聚乙烯塑料要求碳黑含量必須≥2%。

土工格柵加筋土擋土墻的斷面主要分為3段，分別采用以下3種結(jié)構(gòu)型式。

（1） Ⅰ型。主要適用于B區(qū)場平上游有老擋土墻段，在原有擋土墻外側(cè)設(shè)頂寬3 m的堆石棱體，棱體坡比1∶1.5，棱體頂面距原擋墻頂面高差3 m。堆石棱體施工完畢后，原有擋土墻上部1∶2放坡填筑至加筋土擋土墻設(shè)計(jì)墻底高程，坡面采用50 cm厚干砌石護(hù)坡。加筋土擋土墻的墻高控制在11.5 m內(nèi)。該段加筋土擋土墻的墻基位于原老擋墻的墻后填土區(qū)，地基承載力較低（<200 kPa），考慮采用碎石或卵石墊層換填處理。Ⅰ型典型斷面如圖3所示。

（2） Ⅱ型。主要適用于B區(qū)場平下游段墻基高程較高且墻外地面較寬緩的可放坡填筑處，即在原地面以上放坡填筑至加筋土擋土墻設(shè)計(jì)墻底高程后，在其上修建加筋土擋土墻;墻高控制在8.0 m以內(nèi)，墻腳外采用50 cm厚干砌石護(hù)坡，護(hù)坡坡腳設(shè)80 cm×100 cm（寬×高）漿砌石腳槽封閉。Ⅱ型典型斷面如圖4所示。

（3） Ⅲ型。主要適用于B區(qū)場平下游段墻基高程較低且墻外地形較陡或地形有突變處，即在加筋土擋土墻下部設(shè)C15塊石混凝土擋土墻腳墩?；炷翐跬翂Ω?～6 m，在其上修建加筋土擋土墻，加筋土擋土墻的墻高控制在11.5 m以內(nèi)。Ⅲ型典型斷面如圖5所示。

4.2 加筋土擋土墻穩(wěn)定分析

加筋擋土墻的設(shè)計(jì)方法歸納起來主要分為極限平衡法（Limiting Equilibrium Method），極限狀態(tài)法（Limit State Method）和數(shù)值模擬法（Numerical Simulation Method）3大類。極限平衡法和極限狀態(tài)法是用于分析加筋土擋墻極限破壞時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)，數(shù)值模擬法則用于分析加筋土結(jié)構(gòu)在工作應(yīng)力狀態(tài)和極限破壞狀態(tài)時(shí)筋材材料的拉力分布與土體變形情況;數(shù)值模擬法的參數(shù)需要進(jìn)行復(fù)雜的試驗(yàn)來確定，極限平衡法簡單、易行，設(shè)計(jì)應(yīng)用方便，但其對拉筋、土體、滑動面做出了許多假定，將未知的、不定的因素都?xì)w結(jié)到安全系數(shù)上，設(shè)計(jì)結(jié)果趨于保守[6]。

503場地平整工程采用極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定安全分析計(jì)算。工程回填材料的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

施工場地B區(qū)為臨江側(cè)涉水工程，設(shè)計(jì)主要依據(jù)GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，沿江側(cè)支擋構(gòu)筑物按2級堤防防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)考慮。利用理正商業(yè)軟件對B區(qū)整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)在B區(qū)上游有老擋墻段、下游無老擋墻無混凝土腳墩段、下游無老擋墻有混凝土腳墩段各選取一個(gè)典型斷面?？紤]503場地平整工程為金沙水電站施工期臨時(shí)工程，使用期較短，正常使用工況按施工期度汛洪水驟降工況考慮，非正常使用工況按施工期常水位遭遇地震考慮。整體穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典圓弧法，并根據(jù)有關(guān)規(guī)范驗(yàn)算了加筋土擋土墻的抗滑移、抗傾覆、筋帶抗拔系數(shù)和地基應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見表2。從計(jì)算結(jié)果可知，場平工程和加筋土擋土墻是穩(wěn)定的。

4.3 施工技術(shù)要求

場地平整填筑前，清除填筑區(qū)域內(nèi)的廢棄建筑物、煤渣、植被雜草根莖、腐植土及其他軟弱土層。 加筋土擋土墻面板后12 m范圍內(nèi)為擋墻墻身填筑區(qū)，應(yīng)采用水穩(wěn)性和滲水性較好的石渣作為填料;12 m范圍外利用電站主體工程開挖所采土石料填筑。控制填料的最大粒徑≤15 cm或填料壓實(shí)厚度的2/3，且相應(yīng)粒徑的塊體總含量≤15%;避免含有尖銳棱角的粗粒料直接攤鋪在筋帶表面。場地采用分層攤鋪填筑、分層碾壓。攤鋪機(jī)械應(yīng)距面板1.5 m以上，垂直筋材運(yùn)行;在距面板1.5 m的范圍內(nèi)應(yīng)用人工攤鋪。

加筋土擋墻施工時(shí)，需嚴(yán)格控制地基土承載力，對無法滿足承載力要求的部位，在施工過程中進(jìn)行了相應(yīng)換填處理。采用級配碎石作為換填或填筑基礎(chǔ)墊層，最大粒徑≤50 mm，換填或填筑基礎(chǔ)墊層的壓實(shí)系數(shù)大于0.97，采用振動碾壓實(shí)。

整體鋼塑格柵下料長度為設(shè)計(jì)長度另加1 m的富余，以便與預(yù)制面塊連接。將鋼塑格柵的一端制作成型并夾入預(yù)制面塊后，采用鋼筋插銷連接上下兩層面塊。整體鋼塑格柵垂直于墻面，鋪設(shè)在壓實(shí)整平的填料上，不得重疊、卷曲或折曲，垂直墻面方向不得搭接，不得與硬質(zhì)棱角填料直接接觸。為避免填料在攤鋪和碾壓時(shí)擾動筋材，將筋材在格柵的尾部固定。當(dāng)擋墻沿縱向在平面上形成折線或曲線時(shí)，在轉(zhuǎn)角處設(shè)置的加強(qiáng)筋與設(shè)計(jì)的筋材不能直接接觸，須在設(shè)計(jì)的格柵鋪設(shè)好并攤鋪大于5 cm厚的填料后，再在其上鋪設(shè)加強(qiáng)筋。

Ⅰ型標(biāo)準(zhǔn)斷面在下部原有老擋墻外側(cè)設(shè)頂寬3 m的堆石棱體，拋石坡比按1∶1.5控制，堆石棱體頂面低于原擋墻頂高程的300 cm以內(nèi)。堆石棱體采用自卸車輛以端進(jìn)法向前延伸立拋，拋石料選用新鮮不易風(fēng)化的塊石，粒徑為30～70 cm，臨水面采用大塊石護(hù)面。

5 結(jié) 語

金沙水電站毗鄰攀枝花市主城區(qū)，征地較為困難。工程區(qū)內(nèi)地形陡峻，靠近金沙江岸邊的可利用場地受施工期度汛水位變化影響較大，施工場地十分有限。金沙水電站的場平方案根據(jù)現(xiàn)場地形地質(zhì)條件，充分利用原503電廠堆煤場沿金沙江岸邊已有的漿砌石擋土墻，通過在其上部布置土工格柵加筋土擋土墻、在漿砌石擋土墻外側(cè)布置堆石棱體提高其安全系數(shù)，新老擋土墻形成二級支擋結(jié)構(gòu)，有效降低了新建支擋結(jié)構(gòu)高度，并充分發(fā)揮了土工格柵加筋施工方法簡單、工期短、適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)、邊坡安全系數(shù)大、外形美觀的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)約工程投資2 000多萬元。503場地平整工程于2015年底建成并投入使用。2021年10月，金沙水電站全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，經(jīng)施工期安全監(jiān)測和日常巡視，在電站施工期間，場平工程范圍內(nèi)未發(fā)生地基沉陷、上部建筑物墻面開裂等情況，加筋土擋土墻墻面未發(fā)生鼓出、錯(cuò)位、開裂等明顯變形位移，保證了施工場地的穩(wěn)定和安全。

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（編輯：高小雲(yún)）

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