四川溪洛渡水电站加筋土高填方路基施工技术的应用

穆家朝，殷世林，刘红杰

（黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003）

0 引言

溪洛渡水电站位于四川省雷波县与云南省永善县交界处溪洛渡镇的金沙江河道上，是目前我国第二大水电站，也是金沙江上在建的四大水电站（乌东德水电站、白鹤滩水电站、溪洛渡水电站、向家坝水电站）中最大的水电站，总装机容量1 386 万kW，仅次于三峡水电站。

电站水库蓄水后，库区原溜卡路（溜筒河至卡哈洛乡）将被淹没，需要恢复重建。 新建的溜卡路在桩号K11+560～K11+620 段修建倒悬沟桥，桥梁形式为3×20 m 预应力空心板桥。 由于桥梁内侧边坡陡峭，并存在不稳定岩体，而清除不稳定岩体施工难度较大，不清除不稳定岩体，则对桥梁后期运行构成很大的安全隐患。 因此，常规的施工方法难度较大，工期较长，不能满足溪洛渡水电站蓄水前桥梁具备通车条件的需要。 加筋土高填方路基施工工期短、施工工艺简单，且桥梁内侧边坡的危岩体对加筋土填方路基危害不大，加筋土边坡坡面采用反包土袋式结构，土袋内含种植土及草籽，形成生态坡面，有利于环保。 因此，经过多方面的比较论证，该工程最终采用了加筋土高填方路基施工技术。

1 加筋土高填方路基设计方案

本方案首先在坡脚处原状山体上开挖台阶，并浇筑毛石混凝土，形成一个具有一定宽度的刚性平台。 然后，对内侧原状山体进行逐台阶开挖（台阶宽度不小于2 m），并铺设格栅。 平台以上至设计路面标高为加筋土边坡结构，坡比1∶0.42。 坡面采用反包土袋式结构，土袋内含种植土及草籽，形成生态坡面。 铺设格栅时，须将格栅铺设至台阶末端。 本方案的排水系统为： 沿开挖面铺设30 cm 厚的碎石排水层；由于路基填方较高，在水平位置设置两道碎石排水层。 路基剖面如图1 所示。

图1 加筋土高填方路基剖面图Fig.1 Reinforced soil high-fill roadbed cross section

1.1 土工格栅设计

为了起到加筋护坡的作用，采取单向主筋土工格栅和双向次加筋土工格栅联合运用的方式。 单向主筋土工格栅原材料为高密度聚乙烯 （HDPE），下面1 层间距为0.6 m，其他为1.0 m。 根据2%和5%伸长率下的拉伸强度等力学性能参数的大小以及格栅的蠕变折减系数RFcr[1]，在满足工程设计年限的前提下，选用4 种格栅型号：TGDG160、TGDG120、TGDG80、TGDG50。 下层选用容许抗拉强度较大的土工格栅型号，上层选用容许抗拉强度较小的土工格栅型号。 双向土工格栅铺设于单向土工格栅之间，原材料为聚乙烯，型号GE3030，长度为2 m，对应层间距0.3 m 和0.33 m。 另外，土工格栅炭黑含量必须满足2%～2.5%的要求[2]。 加入炭黑，可以使土工格栅具有抗紫外线辐射、抗老化的性能。

1.2 路基基础设计

路基基础用毛石混凝土浇筑。 施工前，根据地形，开挖成台阶，每20 m 设沉降缝一道，每1.5 m 间距布置直径10 cm 的PVC 排水管，排水管呈梅花形布置。

1.3 路基碎石排水层设计

为排出高填方路基内积水，减少水压力，保证路基稳定，本方案沿开挖面铺设30cm 厚碎石排水层。每10 m 高度设置碎石排水层一道，共设置3 道。

1.4 路堤坡面反包土袋设计

反包土袋用土工织物（一般为有纺布）制作，为包裹材料，尺寸一般为50 cm×40 cm×20 cm（长×宽×高）。 土工袋易于搬运，可人力施工，并具有承载力高的特点。 试验证明，40 cm×40 cm×10 cm 的土袋承载力在20 t 以上[3]，同时还可起到减震、防冻的功能。 土袋内装满适宜植物生长的有机土壤，土壤内掺入耐干旱易成活的植物种子。 施工完成后，每周对土袋洒水2 次，直到植物长出，形成绿化坡面。

1.5 路堤回填设计

土工格栅铺设完毕后，为避免阳光直接暴晒，应及时进行回填。 回填时，土工格栅覆土高度必须超过15 cm，这样才能使用机械在上面整平碾压。 按照设计要求，土工格栅回填料的内摩擦角应不小于35°，分层压实，压实度达到94%以上，回填最大料粒径不得大于15 cm，以减少机械、填料等带来的施工损伤。

2 路堤设计验算

本设计采用毕肖普（Bishop）简化条分法进行滑动面的验算，用极限状态法进行分析，即土体抗滑力矩Fres＞土体滑动力矩Fdist×安全系数。如图2 所示，首先假定一个潜在滑动破裂面，把破裂面范围内的土体划成等宽度的土条，进行受力分析。

图2 土体分条示意图Fig.2 Soil slice

2.1 设计参数的确定

根据地勘报告等资料确定设计参数，顶部荷载（活载）为20 kN/m2，土体参数如表1 所示。

表1 路堤土体参数Table 1 Embankment soil parameters

2.2 路堤加筋前的土体滑动验算

不加筋的断面通常采用计算公式（简化Bishop's 法）为

式中：c，为有效黏聚力，kN/m2；bi为第i 个土条宽度，m；Wi为第i 个土条重量，kg/m；u 为孔隙水压力,kpa；φ，为有效内摩擦角，°；αi为第i 个土条底部夹角，°；Fe为设定安全系数；F 为不加筋土体总的安全系数。

采用圆弧滑动法，一级边坡安全系数为1.3[4]。 经综合分析，求得F ＜1.3。

加筋前，高填方路基稳定性不能能满足设计要求。

2.3 加筋后的土体滑动验算

加入土工格栅后，单向土工格栅提供了很多的恢复力。 按边坡延米长度（1m）计算，格栅的强度可以是设计强度值MILTS 或者是更小的值Pai（当锚固长度不够，不能提供全部的设计强度时）。

设计强度计算公式为

式中：Pc是某设计年限和某个指定温度的格栅蠕变断面强度；γm是考虑施工、环境、蠕变等影响因素的折减系数。

锚固力由摩擦力和周围土体的黏聚力组成，而摩擦力和周围土体的黏聚力同时在格栅的上、下表面形成。 于是，锚固力Pai的计算式为

式中：L 为潜在滑动面之后的格栅长度,m；αp为土体和格栅的相互作用系数；σv，为格栅上的垂直有效应力,kPa；2 是抗拔安全系数[5]。

则极限锚固力为

取MILTS 和Pai的最小值，作为格栅所能提供的恢复力，记为T，则滑动面上格栅产生的恢复力矩等于格栅提供的恢复力乘以力臂。

如图3 所示，对于格栅j，恢复力矩Mj的计算式为

式中：Yc为圆心的Y 坐标；Yj为格栅j 的Y 坐标。

图3 格栅的恢复力矩示意图Fig.3 Restoring moment of grid

格栅总的恢复力矩为

把格栅的总恢复力矩带入到Bishop，s 公式中，则加筋后的安全系数为

根据选定的格栅型号、格栅铺设长度、层间距，计算、确定其设计强度和极限锚固力，对所有可能的滑动破裂面进行反复验算，最终得到本工程加筋土边坡的安全系数F=1.373＞1.3，满足设计要求。

3 结语

（1）选用土工格栅的型号时，不能仅从产品抗拉强度的角度考虑。 因为土工合成材料是一种黏弹性物质，在恒定力的作用下，变形会随时间缓慢增长，这种现象叫蠕变[6]。 蠕变性大的材料，影响结构的安全。 如果仅从抗拉强度来选型，实际的工程年限就得不到保证。 所以，既要考虑由蠕变影响带来的折减系数，还要考虑铺设时机械所带来的损伤系数、化学剂破坏的影响系数、生物破坏的影响系数，所有系数的乘积才是最终的折减系数。 这些系数需要实际经验确定，无经验时，其乘积宜采用2.5～5.0[5]。当施工条件差、材料蠕变性大时，宜采用大值。产品所提供的抗拉强度与折减系数的比值，才是设计所需要的容许抗拉强度。

（2）对滑动破裂面进行验算时，应充分考虑可能的破裂面。 可以借助计算机编程，从基底开始，每隔3°假设有一个滑弧，找到最可能的破裂面，进行受力分析。

（3）本工程地理环境受到限制，地势陡峭，采用包裹方式的加筋土结构对边坡坡面进行约束，可形成了一个稳定的结构。 本工程于2012 年7 月完工后，道路立即开放通行，经过几个月的运行实践，效果良好。 另外，本工程采用加筋土结构，施工工艺简单、工程成本低、工期短，坡面还可以进行绿化，利于环保。

（4）加筋土结构属柔性结构，可适用于不均匀沉降的区域，同时也适用于曲面、急弯等棘手的陡坡工况的施工。

[1]GB/T17689-2008，土工合成材料塑料土工格栅[S].

[2] 刘红杰，李正华. 锦屏水电站高填方路基中土工格栅的应用[J]. 开封：黄河水利职业技术学院学报，2009（3）：12-13.

[3] 包承纲.土工合成材料应用原理与工程实践[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[4]GB50021-2001，岩土工程勘察规范[S].

[5]GB50290-1998，土工合成材料应用技术规范[S].

[6] 王正宏，包承纲.土工合成材料应用技术知识[M].北京：中国水利水电出版社，2008.