土工格栅在南水北调进水闸边墩结构中的应用

(北京翔鲲水务建设有限公司, 北京 100192)

土工格栅在南水北调进水闸边墩结构中的应用

武雪艳

(北京翔鲲水务建设有限公司, 北京 100192)

南水北调永定河倒虹吸进口水闸位于北京市丰台区永定河卢沟桥下游大宁库区底副坝中间，水闸边墩高16.8m。为防止两侧回填土对闸墩挤压，向内变位，造成闸门启闭困难，施工中采用了土工格栅加筋挡土墙方案。本文对加筋土的力学原理、料质要求及施工工艺进行了论述，总结了土工格栅施工中若干注意事项，为在类似的结构工程中应用土工格栅加筋土技术提供了借鉴。

土工格栅； 南水北调； 边墩施工控制； 应用

南水北调工程是目前世界上在建的最大型水利工程，其倒虹吸进口水闸位于北京市丰台区永定河卢沟桥下游大宁库区底副坝中间，为4孔3.4m×3.8m带胸墙的潜孔闸，两孔一联，共两联。倒虹吸进水闸边墩结构高16.8m，是一座典型的挡土墙结构。根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(SDJ 217—87)》、《南水北调京石段应急供水工程(北京段)可行性报告》及审察意见，确定进水闸作为永定河倒虹吸的1级建筑物。

1 方案选择

因水闸边墩有16.8m高，为防止两侧回填土对闸墩挤压，造成闸墩变形、向内变位，导致闸门在运行时难以吊起，做了两个方案比较。一是闸墩两侧做钢筋混凝土挡土墙；二是闸墩两侧设置加筋土挡墙。

两个方案都能满足抵抗土压力，消除闸墩变形的要求。如选用混凝土结构来修建如此高的挡墙，地基处理和基础工作量庞大，工程造价较高，工期较长，结构抗震问题也比较突出。如采用土工格栅加筋土挡墙结构则具有以下几个方面的优点：ⓐ加筋材料成水平埋置于土中，墙体被破坏时，产生的活动区土的水平推力被稳定区土与加筋材料之间的摩擦力所平衡，整个加筋体的内部稳定性就得到保证。这种既改变受力情况，又由水平加筋材料与填土形成自身稳定的复合体的结构特点，使得加筋结构可以做成很高的挡墙；ⓑ加筋土挡土墙的施工过程是筋材铺设、填土碾压过程，适合机械化施工，边角部位可以人工补齐，相互配合。此外，土工格栅易于现场裁剪，可用聚合材料绳或棒连接，也可重叠搭接，铺设简单。施工速度快，施工质量容易保证；ⓒ在挡墙的抗震性能等方面，加筋土挡墙以其柔性挡墙的结构形式，在北京这样的八度抗震地区，提高了工程运行的可靠度和耐久性；ⓓ采用加筋土挡墙比传统毛条石、混凝土支挡结构可节省工程造价达25%～30%。

经过方案比较，土工格栅加筋挡土墙经济效益最好，决定采用加筋挡土墙方案。现简单介绍加筋挡土墙在进水闸施工中的应用。

2 简要核算

2.1 力学原理

该水闸两侧回填土体在被限制侧向应变的情况下，其抗压强度(主应力ó1)将得到很大程度的提高。加筋土技术就是利用了这一原理[1]，在土体中施加与土体有摩擦和互锁作用的加筋材料，使埋置于土体中的材料上下界面通过摩擦和互锁作用限制土体侧向位移，而给土体提供一个侧压力增量(Δó3)。侧压力增量 Δó3=Rf/Sy。(Rf为加筋材料的抗拉强度，Sy为加筋材料埋设的竖向间距)。在侧压力增量(Δó3)作用下，加筋土体被约束而处于弹性稳定状态，使之不被拉断和不沿筋材界面滑动，并使加筋土体产生破坏的最大主应力提高到比其未加筋时抗压强度更高的值(ó1f)。这就相当于对普通土体而言，加筋土可承受更高的堆载，或在加筋土为边坡的基坑中加大基坑深度。

2.2 核算

该水闸边墩的加筋挡土墙建在大宁水库副坝中，副坝由压实土体填筑，开挖时放坡比例较大(约1∶1),其现状土体基本不对加筋挡土墙产生挤推作用。因此，按照规范规定的长宽比确定断面，只对加筋体内部稳定进行验算[2-3]。选取以下典型断面，简单介绍如下。

2.2.1 抗拉验算

假定与墙外立面成45°角的面为危险滑动面，该面上的滑动体为楔体1，对该楔体稳定进行验算。土工格栅竖向间距，下部9.6m，内为30cm，上部为60cm。施工采用填料为砂砾料，根据岩土力学指标，摩擦角φw取为32°，容重γ取为21.1kN/m3。如图1所示：

图1 滑动体力多边形图

图1中，Pl为临时荷载20kPa，Py为永久荷载，料质厚度90cm。Ea为作用在滑动楔体上的主动土压力，Z为加筋材料提供的抗拉拔力，R为达到极限稳定时作用在滑动面上的反力，G为土体的重力。φ为危险滑动面夹角，φw为摩擦角。此时，楔体稳定所需加筋材料提供的抗拉拔力Z为：

Z=Ea+(Pl+Py+G)×tan(φ-φw)

由于楔体完全在加筋体内部，此时没有来自墙后填土的主动土压力，所以Ea=0，则Z=(Pl+Py+G)×tan(φ-φw)=838.6kN/m。

式中G=0.5×16.8×16.8×21.1=2977.6kN/m;

Pl=20×16.8=336kN/m;

Py=0.9×16.8×21.1=319kN/m;

φ=45;

φw=32

穿过滑动面的加筋材料是44层，下部9.6m范围，筋材间距30cm，以上7.2m范围间距60cm。每层筋材所能提供的最大抗力是34.3kN/m,则加筋材料所提供的最大抗断裂力是(32+12)×34.3=1509.2kN/m。也就是说，在此情况下，加筋材料不会被拉断。安全系数=1509.2/838.6=1.8gt;1.5

2.2.2 抗拔验算

验算抗拔力如图2所示。

图2 抗拔验算示意图

图2中，Ti为作用在加筋材料上下界面的摩擦力之和，C为有效周长取2，Li为埋置于稳定土体中的筋材长度，Hi为该层筋材距墙顶表面距离，α为滑动影响系数取0.9，抗滑稳定安全系数Fs取2，则

Ti=[CLi(Py+γHi)tanφw·α]/Fs

由计算结果看出，∑Ti远大于Z，在此可能滑动面下，加筋材料不会被拔出，加筋材料布设是合适的。此外，对沿最底层格栅内部的抗滑稳定进行了验算，滑动安全系数Fs=4.59，滑动安全系数远大于1.5，说明加筋结构不会沿该面滑动。

3 施工控制要点

3.1 对土工格栅的要求

工程中用于加筋的筋材除满足结构要求的基本力学指标外，还必须保证其耐久性和使用可靠性。因此选用了以高密度聚乙烯材料做成的塑料土工格栅，材料模量高，不易被酸、碱、盐以及微生物腐蚀，分层水平铺设在土体中，并且由于其表面网孔与土体的互锁作用，还可使加筋效果较拉筋带大大提高。选用的土工格栅，最大抗拉强度为155kN/m，120年应变极限强度值为34.3kN/m，连接绳抗断裂强度大于20kN/m。

3.2 对填料的要求

填料作为加筋挡土墙的主体材料，必须易于填筑和压实，与主筋之间有可靠的摩阻力，不应对拉筋有腐蚀性。施工技术要求为采用连续级配的砂砾料回填，最大粒径不大于100mm，含砾量在40%～70%范围内,小于0.25mm 粒径含量不大于10%,相对密度不小于0.75。因闸区位于大宁副坝，附近有天然砂砾料源。本着因地制宜、节省造价的原则进行了天然砂砾料的颗粒分析试验和最大、最小干密度试验。试验结果为天然砂砾料具有连续级配，含砾量为69%，小于0.25mm 粒径含量为9.7%，基本符合回填用料要求，可以使用。

回填施工中，填筑厚度30cm一层，每层成型后试验员立即进行试验，加强边角、接缝处等薄弱地段的控制，采用了灌砂法测定最大干密度。根据试验结果查相对密度是0.75时的干密度与含砾量的关系曲线，相对密度均大于0.75，符合设计要求。

3.3 施工工艺

因闸墩挡墙对变形控制要求严格，竖向错位不能超过10cm。为保证质量，对挡墙施工进行了严格的工序控制。

基底平整处理——铺幅放样——人工拉紧——连接固定——端头锚固——铺土工格栅——回填土料——回填料找平——回填料压实——设计层高——循环至完成

a.填料采用砂砾料，不均匀系数为8～10，不得采用沼泽土，膨胀土，冻土，并且砂砾料中不得含有锋利破碎刃角的碎砾石，以免伤害土工格栅。

b.按闸墩挡墙设计位置开挖基坑，砂砾料层在第四系冲洪积层的卵砾石层上，承载力为400kPa，符合要求，确认后进行基础压实找平。压实后垂直闸墩铺设第一层格栅，基础压实宽度与基坑开挖宽度相同，9.6m以下部分层厚不大于30cm。土工格栅加筋土挡墙与闸室边墩间距100mm，加筋土挡墙施工完成后填筑聚苯板和卵砾石，聚苯板厚30mm，卵砾石直径30～50mm。

c.土工格栅末端用木楔固定拉紧，填筑第一层砂料，在墙面部位码放几层装满砂砾的聚乙烯编织袋挡土，碾压压实后将第一层格栅反包50cm，用连接棒与上一层格栅连接，横向绑扎连接，而后通过格栅网孔钩住格栅的张拉梁对主加筋格栅施加张拉力，绷紧格栅之间的连接并使在其之下的结构面上的反包格栅绷紧，并用木楔固定于下层土体上。

d.码放编织袋，继续填土并碾压。格栅的端部要先铺填，中间后填。填筑过程中，严格控制填筑质量，保证砂砾料与土工格栅严密接触，充分受力。碾压距墙边2m范围内，用小型碾或蛙夯压实，压实相对密度Dgt;0.75。当两层格栅间距大于等于60cm时，靠近墙面处铺放一层SS20双向格栅作为次加筋，沿主筋材铺设方向的长度不小于2m。机械填土时车轮与筋材之间的土层厚度大于15cm，防止筋材受损。

e.当填土至铺设次加筋格栅高度时，将次加筋格栅摊铺在压实填土上。每隔五个格栅网孔用HDPE绳子螺旋式地将之与反包格栅捆绑在一起。拉紧固定，继续填土至下一主加筋层。

f.裁剪出下一层加筋土工格栅，按规定位置铺设。在保持张拉格栅的同时，在格栅上填铺一层填土，以保证张拉设备移去后格栅不会回缩。释放张拉力并移去张拉梁。重复以上步聚直至完成符合设计要求的全部填土施工。

g.最顶层土工格栅留足够长并埋在填土面下(不小于5m)，保证填土可提供足够约束力以永久性地锚固格栅。填筑过程中，闸室两侧土工格栅施工，要均匀对称，防止高差过大，对结构产生影响。

3.4 施工注意事项

在进行土工格栅加筋挡墙施工时，还须注意以下几点：

a.布筋方向。合理的布筋方向才能起到加筋作用。一定将土工格栅布置在张拉区，筋材长度方向与主张拉应变方向一致。非滑动面的筋材长度符合设计要求，不要减小受力长度。

b.铺设土工格栅。铺设的关键是保证土工格栅的连续性和整体性，根据层厚和土工格栅尺寸进行预铺，减少接缝数量。土工格栅沿纵向连接时，错缝连接，避免接缝在一个垂直面内。在搭接处避免受力，以防移动，一定要平整坚实，受力良好。土工格栅要松紧适度，避免过量拉伸超过其强度和变形极限而发生破坏、撕裂或局部顶破。土工格栅铺设后，立即进行覆土，防止阳光直接照射，引起材料变形。

c.端部处理。土工格栅端部必须锚固牢靠，发挥其抗拉强度，锚固越牢，承载力提高越多，地基中的应力越均匀。因此端部的砂砾料袋码放很关键。料袋要装料适当，码放整齐，保证袋子底部与格栅密贴，如不密贴，要铺设适量粗砂。端部的固定要靠折起铺设长度保证，长度根据袋子宽度决定，不小于50cm，增强其握裹力，保证使用期间不被拔出。

d.回填砂砾料。因场地狭窄，没有采用大型机械摊铺，采用人工配合小型机械运料。这样可以避免破坏土工格栅，造成下层填料受力不匀，降低工程耐久性。填料不许直接卸在格栅上，必须卸在已摊铺完的填料面上，以免压力过大造成沉陷。填料及压实顺序从两端向中间摊铺压实，利用填料压实顺序使格栅受力。每层均匀控制，表面用机械或人工找平清理，局部高差要小于2cm，压实采用静压。

4 结 语

闸室边墩加筋挡土墙填筑完成后，一年后观测，闸墩挡墙的侧向变位不到3mm，加筋土的沉降量不到5mm，符合设计要求。通过工程实例表明，土工格栅加筋土挡墙提高了承载力，减小了回填土体水平位移量和竖向沉降量，有效地克服了土体整体性及连续性差的缺陷。此外，还缩短了1个月工期，降低造价约40万元。因此，加筋土结构具有造价低廉、施工简便快速、节省占地以及结构可靠、抗震性好、抗腐蚀等显著特点，使其在类似的建筑工程中具用广泛的应用前景。◆

[1] 江正荣. 基与基础施工手册[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1997: 329.

[2] SL/T 225—98 水利水电工程土工合成材料应用技术规范[S].

[3] GB 50290—98土工合成材料应用技术规范[S].

Application of Geogrid in South-to-North Water Diversion Intake Gate Side Pier Structure

WU Xue-yan

(BeijingXiangkunWaterworksConstructionCo.,Ltd.,Beijing100192,China)

South-to-North Water Diversion Yongding River Inverted Siphon intake gate is located in the middle of auxiliary dam on the bottem of the Daning Reservoir area, Downstream Part of Lugou Bridge, Yongding River, Fengtai District, Beijing. The height of the side pier of the gate is 16.8m. Geogrid reinforced retaining wall program is adopted in construction in order to prevent gate piers from squeezing effect of backfilling soil on both side, thereby causing inward deformation and difficult gate opening and closing. Reinforced soil mechanical principles, material quality requirements and construction techniques are discussed in the paper, several precautions in geogrid construction are summarized, thereby providing references for applying geogrid reinforced soil technology in similar structure projects.

geogrid; South-to-North Water Diversion; side pier construction control; application

TV39

A

1005-4774(2014)06-0015-04