二期上游土石围堰度汛子堰加筋土挡墙设计研究

徐唐锦

摘 要 三峡二期上游土石围堰第二道防渗墙按计划在1998年6月底才能完建，已进入汛期，采取填筑于堰的临时度汛措施保护第二道防渗墙施工。为给施工机械保留适度作业空间，在于堰背水侧设置档墙以收束子堰坡脚。为确保围堰安全度汛，在三峡围堰工程中首次采用加筋土工程技术，方便了施工，节约了投资，加快了进度。

关键词 二期围堰 度汛子堰 加筋土 结构设计 施工技术

1、 概述

三峡二期土石围堰由上、下游土石因堰组成，是三峡工程最重要的临时建筑物之一。上游土石围堰采用低双墙上接土工合成材料、墙底强透水岩体帐幕灌浆的防渗方案。双墙设在河床深槽部位(桩号0+454～0+616m，长162m)，两墙中心距6m。防渗墙施工平台高程73m。按照二期上游土石围堰防渗墙施工进度安排，第二道防渗墙在6月底才能完建，已进入汛期，因此必须考虑临时度汛措施，以保护第二道防渗墙汛期安全施工及围堰安全度汛。设计采取在上游墙完建后，于其上游侧填筑子堰的临时度汛措施。子堰设计洪水标准为20年一遇，相应流量Q＝72300m3/s，相应上游水位82.3m。子堰堰顶高程83.5m，采用土工合成材料防渗(图1)。

子堰背水侧需设置挡墙以收束子堰坡脚，以便给第二道防渗墙的施工留有适度作业空间并相机进行上游墙的帐幕灌浆施工。鉴于第二道防渗墙及上游墙墙底帐幕灌浆施工机械布置尺度的需要，以及施工环节多、施工程序复杂等原因，子堰挡墙距离上游墙轴线至少为0.6m。由于子堰向上游移，使挡墙的受力条件恶化，对其稳定不利，如果再采用混凝土重力式挡墙方式，势必使其尺寸加大，增加混凝土工程量，于经济与进度方面均不利。为此，设计经研究比较采用加筋土直立式挡墙方案。

2、 方案比较

设计着重研究比较了混凝土重力式挡墙和加筋土直立式挡墙两种方案。

图一度汛子堰典型断面

2.l 混凝土重力式挡墙

混凝土重力式挡墙是一种传统的挡土墙结构型式，在土木工程中应用广泛，技术成熟，但在此工程中应

用，存在以下缺点：

(1)承受背后填土、积水和基底扬压力的多重作用，受力条件复杂，要保证挡墙稳定，其断面尺寸较大，

经结构计算，挡墙顶宽达3.55m，混凝土方量近4000m3。

(2)为降低挡墙背后积水，在挡墙中需专门埋设排水管。

(3)对基础的要求较高，需进行专门的基础处理。

(4)挡墙混凝土浇筑受温度、龄期等多种因素制约，浇筑进度很难满足围堰安全度汛要求。

2.2 加筋土直立式挡墙

加筋土技术自60年代初问世以来，以其显著的技术经济效益，越来越广泛地应用于土木工程中，同时加筋土技术本身也逐渐地完善成熟了。它具有以下特点：

(1)加筋土最大的特点是可以做成很高的垂直填土，从而减少占地面积。

(2)面板、筋带可以在工厂中定型制造、加工，在现场用人工或机械分层安装。这种装配式的方法使施工简便、快速，可以节省劳力和缩短工期。

(3)加筋土是柔性结构物，能够适应地基较大的变形，因而可用于较软的地基上。

(4)造价低廉。据国内部分工程资料统计，加筋土挡墙的造价一般为普通挡墙的40%～60%。

(5)排水通畅，不用设置专门的排水管，可用于砌竖缝的方式解决徘水问题。

由于子堰运行时间短，经综合比较结果认为，从经济和施工进度两方面考虑，设计优先采用了加筋土挡

墙方案。鉴于在三峡围堰工程中应用加筋土工程技术尚届首次，为慎重起见在本工程实施之前，设计、监理

以及施工单位还专门到重庆和四川泸洲等地加筋土工程工地进行了实地调查研究。

3、 工程设计及结构计算

3.1 工程设计

3.1.1 加筋土挡墙构造特点

加筋土是填土、拉筋、面板三者的结合体。填土和拉筋之间的摩擦力改善了土的物理力学性质，而使得填土和拉筋结合成为一个整体。在这个整体中起控制作用的是填土与拉筋间的摩擦力，面板的作用是阻挡填土塌落挤出，迫使填土与拉筋结合成为整体。

加筋土挡墙一般由基础、面板、拉筋、填料和帽石五个部分组成。由于本工程运行时间短，在第二道防渗墙完工后，将作为二期上游土石围堰堰体的一部分而埋入其中，故不设帽石，仅在墙顶部铺设0.2m厚泥结

石作为临时施工道路路面。

3.1.2 地基处理

在上游墙施工完成后，将子堰基础部位杂物清理干净，整平至V73.0m，于其上铺设土工合成材料，再填筑0.5m厚风化砂，作为加筋体基础。挡墙面板下部设置混凝土基础，在混凝土基础施工之前，先挖除上游墙顶不少于0.5m深的不合格墙体，埋设土工合成材料，将挡墙基础混凝土与防渗墙盖帽混凝土一并浇筑，挡墙基础混凝土与盖帽混凝土间不设施工缝。加筋体及挡墙面板基础见图2。

图二加筋体及面板基础

3.1.3 挡墙平面布置及断面结构

加筋土挡墙设置范围为桩号0+443～0+655m，挡墙面板基础沿第一道防渗墙轴线布设，其轴线总长216.97m。加筋体采用矩形断面形式，底部高程73.5m，顶部高程78.5m，其上铺筑20cm厚泥结石路面，路面以3%坡度向面板墙方向倾斜，以防止路面积水，也可减少雨水渗入到加筋体内。加筋土挡墙高5.0m，共设10层面板，11层筋带，筋带层高0.5m；宽12.0m，靠近面板设置1.0m厚砂卵石反滤层，兼作竖向排水。加筋体底部设置1.0m厚砂卵石垫层，作为水平排水。所有的面板竖缝，包括伸缩缝和错缝等，均干砌作为排水通道。加筋土挡墙结构见图3。

图三加筋挡墙结构图

3.1.4 面板

面板采用C20钢筋混凝土矩形槽板，分A型(490mm×990mm)和B型(490mm×490mm)两种尺寸，便于施工时错缝。面板子留穿筋孔。单块面板重量：A型板220kg，B型板108kg，方便人工直接安装。

3.1.5 筋带

筋带采用新型CAT30020B型钢塑复合筋带，此种筋带变形小，强度高。设计采用的筋带宽30mm，厚2mm，容许应力＝100Mpa，容许拉力为6kN，相应伸长率<1%；筋带极限拉力>9kN，断裂伸长率<2%。筋带与面板的连接采用上、下穿筋方式，将筋带的一端从上、下面板的予留孔中穿过，折回与另一端对齐(图4)。

图四筋带与面板的连接

3.1.6 填料

填料采用古树岭骨料系统石屑料，经中国长江三峡工程开发总公司试验中心测试，其物理性质接近风化砂，力学性质优于风化砂，与筋带的摩阻效果好，强度稳定性高。

本结构采用如下设计参数：

石屑料强度指标：φ=37°，c＝0；

石屑料压实标准：压实度95%；

筋带与填料间摩擦系数：非浸水时取f'=0.4；浸水时取f"=0.3；地基承载力：[δ0]=0.5MPa。

3.2 结构计算

加筋体筋带的断面积、长度以及加筋体的稳定性等，要通过加筋体内部、外部的稳定性分析确定。加筋

体内部稳定性，按局部平衡法计算。规范要求的各项安全系数如下：

(1)筋带抗拔安全系数kf=2.0；

(2)筋带抗拉安全系数ks=1.0；

(3)加筋体总体抗滑稳定系数kc=1.3；

(4)加筋体抗倾覆稳定系数ko=1.5；

(5)地基承载力要求：δmax<[δ0]且δmin>0。

3.2.1 筋带所受拉力计算

第i层筋带单个结点筋带所受拉力Ti按下式计算：

对于非浸水部分，Ti＝ki(γzi+rh+δai)Sx·Sy

对于浸水部分，Ti＝ki(γz()+γzi'+rh+δai)Sx·Sy

式中：

Z_i-----第i层结点在加筋体内的深度(m)；

k_i------深度Zi处土压力系数；

Z₀ ------计算水位以上加筋体高度(m)。

γ ------加筋体填料及其上填土容重(t/m3)；

γ' ------加筋体填料浮容重(t/m3)√√)；

h ------加筋体上填土重力的等代土层厚度(m)；

Z_i' -----第i层结点与墙背积水位高差(m)；

δ_ai ----车辆荷载的扩散应力；

S_x、S_y---筋带结点的水平间距与垂直间距(m)。

3.2.2 筋带设计断面计算

第i层筋带单个结点筋带断面积Ai按下式计算：

A_i=T_i×10⁴／[δ_L](mm²)

第i层筋带单个结点筋带的总宽度Bi按下式计算：

B_i=A_i／2(mm²)

3.2.3 筋带长度计算

拟定单根筋带总长L=12m，直接验算其抗拔稳定系数。

抗拔稳定系数kf按下式计算：

对于非浸水部分，k_f＝2f'·b_i·L_i(rz_i+rh)／T_i

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

式中：Li----第i层结点筋带的锚固长度(m)；

根据验算结果，通过调整各结点的筋带根数来调整筋带的总宽度，使筋带抗拉、抗拔安全系数满足规范要求。将加筋体作为刚体看待，用混凝土重力式挡墙的验算方法对其外部稳定性，包括总体抗滑、抗倾覆以及基底底面地基应力等进行验算，验算结果均符合规范要求。

4、 施工技术要点

4.1 面板安装

面板安装前，施工单位应编绘全墙面板安装拼接工作图(示出伸缩缝和转角处面板设置等)，由中部向两端伸缩缝安装，用经纬仪定位，挂线操作，并将外口用砂浆略垫高，使面板内倾1%。相邻面板的错位用低强度砂浆调整，严禁采用坚硬石子或铁片支垫；水平误差及前后错位应及时解决，不能安装几层后总调整。

4.2 筋带铺设

在摊铺压实好的填料上，人工找平，铲坡，在筋带设计长度处挖一浅槽，埋入10cm×10cm×300cm方木，用定位栓固定，穿筋孔处的筋带用铁丝捆扎固定，成辐射状。先粗穿筋带，然后逐根理顺调整，用夹具张紧后钉上方木，并使筋带紧贴填料，仔细检查，保持筋带张拉松紧程度一致，不得有折曲、卷曲和重叠，验收合格后摊铺填料。

4.3 填料的摊铺与压实

采用人工和机械相结合，用装载机将填料从一端堆起，人工整平至虚铺厚度，然后逐段推进，边堆料，边摊铺，严禁压实机械在裸露筋带上，并保证摊铺机械缓速行驶，不得急刹车。行驶轨道距面板不少于1.5m。填料应分层压实，其压实顺序从筋带中部开始逐步碾压至筋带尾部，再压实靠近面板部位，机械压实距面板不得小于1m，并不得在未经压实的填料上急刹车或急剧改变运行方向。面板附近1m范围内用小型机械碾压或人工夯实。填料的压实度标准：距面板1m以外范围为95%，距面板1m以内范围≥90%。

5、 施工及运行情况

本加筋土挡墙工程于1998年5月10日开始面板安装，6月16日完建。8月3日凌晨5时，桩号0+513～0+550m长37m(总长216.97m)加筋土挡墙出现局部塌滑，上部5层面板及其后约1m厚砂卵石塌落，靠近面板处筋带被拉断而没有拔出，子堰加筋土挡墙整体稳定仍然良好。究其原因，主要是以下几个方面：

(1)98年入汛以来，三峡地区雨量明显偏多，二期上游围堰长时间处于较高水位，而第二道防渗墙造槽施工与二期基坑抽水同时进行，致使第一道防渗墙墙顶位移过大(约290mm)，引起加筋体变形。

(2)加筋体顶部泥结石路面未按要求铺筑，大量雨水通过加筋体顶流人加筋体内而无法及时排出，致使加筋体填料处于饱和状态，内摩擦力降低，土体产生侧向膨胀，增加了筋带拉力。

(3)初期所用石屑料含水量偏大，不易压实，引起加筋体沉降变形。后改用风化砂，情况得到改善。

(4)在加筋土挡墙施工方面：挡墙面板安装时，局部有前倾和前后错位现象末及时纠正；筋带铺设不够平顺，有扭曲、重叠现象，使筋带受力不均，应力集中，抗拉能力减少。

加之坝区连天暴雨以及冲击钻造孔震动荷载等因素综合影响，导致挡墙坍塌。由于坍塌段挡墙保护的第二道防渗墙已施工完毕，人员和施工机械均已撤离，没有造成损失。在对其余段变形明显的面板进行袋装风化砂或方木撑护后，继续进行第二道防渗墙的施工。8月9日，第二道防渗墙全线封闭。

6、 结语

(1)本加筋土挡墙达到了保护第二道防渗墙施工和保证围堰安全度汛的目的。

(2)通过本工程的建设，已经显示出加筋土技术在经济效益和技术效果方面的优越性，确实具有其独特的优点，是一种比较新颖的土工结构。

(3)由于加筋土挡墙具有施工方便、快速的优点，获得了施工单位的好评。鉴于加筋土挡墙运行条件特殊。在实施过程中，要精心组织，严格施工，以确保每一个环节的施工质量。

(4)加筋土工程技术正在不断地推广完善当中，在三峡围堰工程中采用此技术尚属首次。本工程的建设为同类工程的建设积累了经验。