加筋式擋土墻在水利工程中的設(shè)計(jì)探討

涂 鵬，徐 凱

（1.南昌市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院,江西 南昌 330009；2.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330009；3.江西贛禹工程建設(shè)有限公司,江西 南昌 330009）

水工擋土墻按其受力條件可采用重力式、半重力式、衡重式、懸臂式、扶壁式、空箱式、板樁式、錨桿式或加筋式等斷面結(jié)構(gòu)型式[1]。加筋式擋土墻因其諸多優(yōu)點(diǎn)而被眾多工程項(xiàng)目采用,不少學(xué)者對加筋式擋土墻也開展過研究,并取得了一定的成果。

宋四海、汪凌、黃玉濤等人曾闡述了自嵌加筋式擋墻的構(gòu)造、優(yōu)點(diǎn)及在水利工程中的應(yīng)用。擋土墻主要計(jì)算內(nèi)容為外部穩(wěn)定、內(nèi)部穩(wěn)定、整體穩(wěn)定,局部穩(wěn)定計(jì)算主要由廠家控制[2]。岳景哲,信文彥、劉云等人也曾比較分析過加筋擋土墻與其它形式擋墻的投資,及內(nèi)部穩(wěn)定和外部穩(wěn)定計(jì)算[3～4]。水利工程設(shè)計(jì)中擋墻常規(guī)穩(wěn)定計(jì)算內(nèi)容有抗滑穩(wěn)定系數(shù)、抗傾穩(wěn)定系數(shù)、整體穩(wěn)定系數(shù)、滲透穩(wěn)定等,然加筋式擋土墻的筋材抗拉強(qiáng)度、筋材長度、抗拔穩(wěn)定等穩(wěn)定計(jì)算亦十分必要[5],設(shè)計(jì)階段經(jīng)反復(fù)試算才能確定合適的斷面結(jié)構(gòu)型式,其斷面結(jié)構(gòu)型式中筋材的相關(guān)取值直接影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與造價(jià)控制。

本文在參照前人成果的基礎(chǔ)上[6～9],以南昌市青山湖區(qū)義坊河項(xiàng)目區(qū)河道整治工程為例,將加筋式擋土墻與其它型式擋墻通過定性比較法和定量比較法更具體地進(jìn)行比選,并運(yùn)用規(guī)范公式法詳細(xì)進(jìn)行相關(guān)穩(wěn)定計(jì)算（受篇幅限制,部分常規(guī)穩(wěn)定計(jì)算本文不贅述）,可為類似項(xiàng)目加筋式擋土墻深化設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

南昌市青山湖區(qū)義坊河項(xiàng)目區(qū)河道整治工程為流域面積50 km2～200 km2的重點(diǎn)縣區(qū)河道整治工程,整治工程地處地處南昌市青山湖區(qū)東南城鄉(xiāng)結(jié)合部艾溪湖南側(cè)幸福河水系匯流區(qū)域（匯流面積約30.2 km2,河道總長約23.7 km）,河道起于五干二支渠的鐵路橋,自南向北穿過廣州路、羅城公路等東西向道路,過昌安路后匯入幸福中河。該項(xiàng)目擬整治河道1.795 km,范圍主要涉及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的部分區(qū)域,項(xiàng)目區(qū)面積約1.745 km2。根據(jù)治理河道存在的問題,為實(shí)現(xiàn)恢復(fù)河道功能,提高河道行洪排澇與輸水能力,改善區(qū)域水環(huán)境和用水條件的治理目標(biāo),項(xiàng)目區(qū)的治理工程為：結(jié)合城市景觀水面、旅游休閑、道路交通、雨污水排放等市政規(guī)劃要求,對河道進(jìn)行清淤疏浚與擴(kuò)挖、清障、岸坡整治、阻水交叉建筑物拆除等。批復(fù)主要建設(shè)內(nèi)容有：河道疏浚,卡口拓寬,并拆除部分嚴(yán)重阻水簡易箱涵,護(hù)岸固岸,草皮護(hù)坡等。因工程進(jìn)度,工程質(zhì)量,生態(tài)理念等因素,經(jīng)反復(fù)論證,確定選用加筋式擋土墻護(hù)岸方案,工程實(shí)施后,取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)等效益。并與幸福渠流域內(nèi)其它7 條水系整治共同打造了“城市綠肺”,讓幸福水系名副其實(shí)。

2 方案比選

2.1 擋墻方案

經(jīng)過調(diào)研和考察已建類似工程項(xiàng)目案例,結(jié)合項(xiàng)目區(qū)所在地實(shí)際情況,選擇加筋式擋土墻、錨桿式擋土墻、仰斜式擋墻及砼預(yù)制塊砌筑擋土墻4 種型式做方案比選。詳見比選圖。

方案一加筋式擋土墻：擋墻頂寬為0.4,臨水側(cè)1∶0.17,墻高為3.4 m,砌塊尺寸為400 mm×315（150）mm×260 mm,中間設(shè)土工格柵,間距為0.6 m,土工格柵總長3.7 m,基礎(chǔ)寬為0.7 m,兩側(cè)伸出0.2 m,基礎(chǔ)埋深為0.6 m。因西側(cè)同時(shí)施工截污箱涵,結(jié)合生態(tài)擋墻土工格柵施工,該側(cè)岸坡已經(jīng)進(jìn)行開挖施工。

方案二錨桿式擋土墻：擋墻頂寬為0.4,臨水側(cè)1∶0.17,墻高為3.4 m,砌塊尺寸為400 mm×315（150）mm×260 mm,中間設(shè)錨桿,豎向間距為1.0 m,水平間距2.55 m,錨桿長6 m,水平斜下15°插入土體,基礎(chǔ)寬為0.7 m,兩側(cè)伸出0.2 m,基礎(chǔ)埋深為0.6 m。

方案三C20砼仰斜式擋土墻：擋墻頂寬為0.8,臨水側(cè)1∶0.5,背水側(cè)1∶0.25,墻高為3.90 m,墻趾為300 mm（寬）×500 mm（高）,中間設(shè)排水孔,排水孔后有排水反濾。

方案四C20 砼預(yù)制塊砌筑擋土墻：擋墻采用C20 預(yù)制塊砌筑,標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制塊尺寸0.24 m×0.24 m×0.5 m,擋墻頂寬為0.5 m,擋土墻臺階布置,從上至下分別為：頂寬0.5 m,高1.15 m；頂寬1 m,高0.75 m；頂寬1.5 m,高0.75 m；頂寬2.0 m,高0.75 m。擋墻基礎(chǔ)寬為2.5 m,厚0.5 m,基礎(chǔ)埋深為0.5 m。

2.2 擋墻比選

（1）四個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)定性比較見表1。

表1 四種方案的缺點(diǎn)對比表

（2）四個(gè)方案造價(jià)定量比較（以10 m段擋墻計(jì)量）見表2。

表2 四種方案造價(jià)定量比較表

續(xù)表2

2.3 比選分析

從四個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)定性比較來看,各方案均有利弊,方案一優(yōu)勢相對突出,方案三和方案四為傳統(tǒng)工藝,技術(shù)成熟,施工方便,但不滿足當(dāng)前工程對生態(tài)水利的要求。從四個(gè)方案造價(jià)定量比較來看,方案二和方案四造價(jià)相對較高,相比方案一分別多27%和36%,不夠經(jīng)濟(jì)。綜合來看,本工程推薦選擇方案一,即加筋式擋土墻方案。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)勘測資料和設(shè)計(jì)要求,通過反復(fù)試算調(diào)整,擬定斷面結(jié)構(gòu)型式如下,擋墻頂寬為0.4,臨水側(cè)1∶0.17,墻高為3.40 m,中間設(shè)土工格柵,間距為0.6 m,土工格柵總長3.7 m,基礎(chǔ)寬為0.7 m,兩側(cè)伸出0.2 m,基礎(chǔ)埋深為0.6 m。見圖1方案一。

圖1 各方案擋墻斷面圖

3.2 計(jì)算參數(shù)

（1）堤頂平臺計(jì)算取附加行人荷載取3.0 kPa；

（2）生態(tài)砌塊400 mm（長）×315（150）mm（高）×260 mm（寬）；

（3）筋材擬采用PP單向土工格柵抗拉力Ts=100 kN/m,其極限抗拉強(qiáng)度Tu可取為100 kN/m；

（4）筋材節(jié)點(diǎn)的水平間距SX=1 m；

（5）加筋回填土為粉質(zhì)粘土,根據(jù)地質(zhì)報(bào)告資料,其力學(xué)性能指標(biāo)值為：容重γ=19 kN/m3,粘聚力C=40.2 kPa,內(nèi)摩擦角φ=16.5°,按GB 50286-2013 規(guī)范的計(jì)算公式D.1.2-15,計(jì)算出等值內(nèi)摩擦角φ=42.32°,為保證設(shè)計(jì)的安全性本次計(jì)算中等值內(nèi)摩擦角取值φ=30°；

（6）根據(jù)SL/T 225-1998規(guī)范附錄J.2.5規(guī)定,土工格柵與土的抗拔摩擦系數(shù)f=0.8tgφ=0.46,為保守起見,按照經(jīng)驗(yàn)取粉質(zhì)粘土與土工格柵的摩擦系數(shù)值f'土=0.25；

（7）生態(tài)擋墻基礎(chǔ)為粉質(zhì)粘土,根據(jù)地質(zhì)報(bào)告資料,其力學(xué)性能指標(biāo)值為：容重γ=19 kN/m3,,粘聚力C=40.2 kPa,內(nèi)摩擦角φ=16.5°,地基承載力特征值≥150 kPa,基底摩擦系數(shù)f土=0.25,根據(jù)報(bào)告中所提供的基礎(chǔ)（粉質(zhì)粘土）的內(nèi)摩擦角φ=16.5°,本次按經(jīng)驗(yàn)取摩擦系數(shù)值f'=0.3。按照SL/T225-1998附錄K.2.1-3規(guī)定,墻底面摩擦系數(shù)取地基土、填土摩擦角、土工格柵與地基土或填土之間的摩擦角中最小者的tg值,故基底摩擦系數(shù)f = fmin= 0.3；

（8）墻體采用矩形斷面計(jì)算；

（9）墻后回填土與加筋體填料相同；

（10）設(shè)計(jì)水位低于頂0.5 m。

3.3 穩(wěn)定計(jì)算

3.3.1 行人荷載等代土層厚度h計(jì)算

按不利工況計(jì)算,堤頂附加行人荷載,取3.0 kPa,等代土層厚度h= 3.0 /19=0.158 m。

3.3.2 加筋體上永久荷載的等代土層厚度

由斷面圖知：H = 3.56 m, m=1.5, bb=0 m, H'= 2.26 m,故等代均布土層厚度為：h=1.187 m。

3.3.3 土壓力系數(shù)計(jì)算

3.3.4 筋材抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范SL/T 225-1998計(jì)算不同深度的土壓力系數(shù)、土壓力及筋材拉力等參數(shù),擋墻不分縫,筋材平鋪,故計(jì)算按每延長米受力計(jì)算,計(jì)算按以下規(guī)定進(jìn)行：

故：Tu（min）=（FiDFcRFcDFbD）Ta

（系數(shù)乘積?。‵iDFcRFcDFbD）4.0）

計(jì)算結(jié)果見表3和表4。

表3 施工期間活載為設(shè)計(jì)滿載時(shí)筋材所受拉力計(jì)算表

表4 設(shè)計(jì)水位工況活載為設(shè)計(jì)滿載時(shí)筋材所受拉力計(jì)算表

從以上結(jié)果可知,在兩種工況下各層土工格柵的極限抗拉強(qiáng)度下限值（最大值為89.79）均小于容許抗拉強(qiáng)度Tu（值為100）,計(jì)算滿足要求。

3.3.5 筋材長度計(jì)算及抗拔驗(yàn)算

通過土工格柵所受壓力和其與填土的摩擦系數(shù)計(jì)算筋帶可產(chǎn)生的抗拔力及筋材有效錨固長度,驗(yàn)算設(shè)計(jì)筋材長度是否滿足要求。計(jì)算按規(guī)范SL/T 225-1998規(guī)定進(jìn)行：

計(jì)算結(jié)果見表5和表6。

表5 施工期間筋材長度計(jì)算表

表6 設(shè)計(jì)水位工況筋材長度計(jì)算表

從以上結(jié)果可知,在兩種工況下,設(shè)計(jì)的筋材總長度（值為3.7 m）均大于計(jì)算所得的筋材總長度值（最大值為3.01 m）,滿足規(guī)范要求。

3.4 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算,擬定的加筋式擋土墻方案在施工期和設(shè)計(jì)水位運(yùn)行期兩種工況下,各層土工格柵的極限抗拉強(qiáng)度下限值均小于容許抗拉強(qiáng)度值,設(shè)計(jì)的筋材總長度均大于計(jì)算所得的筋材總長度值,滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過對加筋式擋土墻與其它三種型型式擋墻進(jìn)行定性和定量比較,可知各方案均有利弊,方案一優(yōu)勢相對突出,方案三和方案四為傳統(tǒng)工藝,技術(shù)成熟,施工方便,但不滿足當(dāng)前工程對生態(tài)水利的要求。方案二和方案四造價(jià)相對較高,相比方案一分別多27%和36%,不夠經(jīng)濟(jì)。綜合來看,加筋式擋土墻更適合在河道整治工程項(xiàng)目更多推廣使用。

通過對加筋式擋土墻的相關(guān)穩(wěn)定計(jì)算,可知選定的斷面結(jié)構(gòu)型式,筋材抗拉強(qiáng)度、筋材長度、抗拔穩(wěn)定等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,技術(shù)可行,方案可放心應(yīng)用于工程項(xiàng)目中。

雖然加筋式擋土墻已有不少工程應(yīng)用實(shí)例,但是每個(gè)工程都各有差異,不同的擋墻高度、不同的墻后填土和筋材長度、不同的墻前水位、不同施工場地等都會影響斷面結(jié)構(gòu)型式選定,因此加筋式擋土墻在水利工程中應(yīng)用時(shí)還需結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際,綜合考慮,多方比較,試算優(yōu)化,最終選定安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的斷面結(jié)構(gòu)型式。