高边坡挡墙框架拉梁组合架构加固技术研究与实施

周俊杰，焦修明

（1.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江省安吉县 313302；2.浙江水利河口研究院，浙江省杭州市 310000）

高边坡挡墙框架拉梁组合架构加固技术研究与实施

周俊杰1，焦修明2

（1.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江省安吉县 313302；2.浙江水利河口研究院，浙江省杭州市 310000）

高边坡挡墙框架拉梁组合加固架构结合了多种常规挡墙加固技术的优点而构建的新型结构，该加固技术在原有挡墙外侧加固，以主肋、横肋纵横间隔布置形成框架，主肋顶端与拉梁连接，拉梁通过锚固块与公路内侧岩体锚固，形成一个立体框架体系。本文通过对组合架构进行应力分析和稳定性分析，证明其整体力学性能较好，具有良好的抗滑和抗倾覆性能；并对框架拉梁组合架构挡墙加固现场施工技术和安全防护措施进行了介绍。工程实践证明组合架构外观轻盈，施工安全保障度高，安全经济可靠。

高边坡；挡墙加固；框格梁；拉梁；组合架构

0 前言

某抽水蓄能电站上下水库连接公路是电站生产运行、物资运输的主要通道，同时也是防洪抢险的生命通道，其运行状况直接关系电站的安全运行。该公路至今已运行20多年，受地形、地质条件的限制，沿线高边坡、高挡墙众多，挡墙最高达20m。由于工程建设期间建筑材料运输难度大，挡墙基础、断面尺寸及施工质量均存有一定的缺陷。同时，该地区海拔相对较高，气候反差大，雨水充沛，地表径流冲刷严重，对挡墙安全形成不利因素。近年来挡墙病害尤其明显，墙体外倾，造成墙顶与路肩拉裂、墙体局部外鼓、挡墙不均匀沉降导致沉降缝两侧挡墙形成明显错台，且变形破坏有递增趋势，挡墙加固迫在眉睫。

常规的挡墙加固技术对公路运行影响较大，难以满足电站正常运行的需要，开展公路高挡墙新型框架拉梁加固技术研究可以为该电站厂内公路沿线挡墙病害整治提供技术支撑，在最大限度减少对电站正常运行影响的基础上，完成厂内公路高挡墙的加固，排除病害，延长公路的使用寿命。

1 高边坡挡墙框架拉梁加固结构形式研究

公路挡墙加固常用方法有支撑墙法、框格梁法和锚固法。支撑墙法常用于公路挡墙加固，每隔一定间距设置一道支撑墙，该加固方法抗滑和抗倾覆能力较好，但工程量较大，地基承载力要求较高，且各支撑结构单独受力；框格梁法常用于公路边坡加固，该加固方法受力整体性较好，工程量较小，但抗滑和抗倾覆能力较差；锚固法常配合其他方法用于公路挡墙和边坡加固。

框架拉梁组合架构结合了上述三种加固技术的特点而构建的新型结构，该加固技术在原有挡墙外侧加固，以主肋、横肋纵横间隔布置形成框架，主肋顶端与拉梁相连接，拉梁通过锚固块（或锚固墙）与公路内侧岩体锚固，形成一个立体框架体系，见图1和图2。

图1 框架拉梁组合架构剖面图

图2 框架拉梁组合架构立面图

1.1 框架拉梁组合架构尺寸确定

主肋作为加固体的主要设施，需满足被加固体的整体安全要求，顶部断面长宽分别取1.0m、0.6m，外侧坡比为1∶0.2～1∶0.25，整体尺寸根据挡墙高度确定，主肋沿挡墙纵向每隔3m设置一道；横肋作为主肋间联系构架，需满足构架共同受力所需的刚度要求，其断面长宽分别取为0.5m、0.4m，沿挡墙高度方向每隔3m设置一道；拉梁作为顶部传力构件，也是加固体的主要设施，其断面尺寸需满足结构传力所需的刚度要求，考虑到拉梁施工对道路交通有影响及吊装的重量，其断面尺寸不宜过大，长宽均为0.5m，其长度根据路幅宽度调整；锚固块取边长为1.0m立方体；框架结构坐落于基础之上，基础的尺寸在保证台阶宽度（0.5～1m）情况下，根据主肋的坡比和挡墙高度确定。

1.2 框架拉梁组合架构结构计算

计算单元取每根主肋3m范围，老挡墙断面结构参考原设计，墙后填料为石渣、块石，土体重度取20kN/m3，内摩擦角按37.5˚考虑。行车荷载按公路Ⅱ级标准。加固主肋、横肋及拉梁混凝土等级为C30。

1.2.1 组合架构应力分析

选取10m和15m的两种高度，分别考虑承担30%和50%土压力的基础上开展结构计算。以朗肯土压力理论为基础，借助大型有限元分析软件ANSYS 分析不同高度框架拉梁加固结构的应力。

计算结果见表1，除工况四组合架构底部最大剪应力接近C30混凝土拉应力设计值1.43MPa外，四种工况最大Mise应力及最大剪应力均较小。表明组合架构加固结构是安全经济的，对于超高挡墙加固架构需配置钢筋，并在基础与主肋之间、基础与岩面之间设置连接钢筋。四种工况拉梁应力均小于设计拉梁拉力360kN。四种工况底部受到的最大压应力均达到或超出了天然地基土承载力220～280kPa，要求基础至少坐落在强风化岩上或对覆盖层较厚的地基进行处理。工况四结构应力分布见图3～图5。

表1 组合架构四种工况最大应力表

图3 工况四框架拉梁加固结构mise应力图

图4 工况四框架拉梁加固结构剪应力图

图5 工况四框架拉梁加固结构压应力图

1.2.2 组合架构稳定性分析

设计规范要求加固结构抗滑动系数Ks不宜小于1.3，抗倾覆系数Kt不宜小于1.5（框架拉梁加固结构受力示意图见图6）。在计算10m和15m框架拉梁加固结构稳定性计算的基础上，推算不同高度挡墙的抗滑动系数和抗倾覆系数。计算结果见表2，表明随着挡墙高度增加，组合架构抗滑动和抗倾覆性能变差，但均能满足规范要求。挡墙高度超过15m时，需要对组合架构与基础交界面进行处理。

抗滑动稳定系数计算公式为：

抗倾覆稳定系数计算公式为：

其中：F为拉梁拉力限值；G为混凝土加固梁自重；E为土压力合力；α为土压力作用方向与竖向夹角；H1为土压力作用点标高；H为混凝土加固梁高。

图6 框架拉梁加固结构受力示意图

表2 框架拉梁结构稳定性计算表

2 高边坡挡墙框架拉梁组合架构加固施工技术研究

2.1 施工工艺流程

组合加固架构采用C30钢筋混凝土，保护层厚度不小于40mm。坚持“先下部后上部”的原则，在完成外侧框架结构施工并达到设计强度后，才可进行拉梁和路面施工。施工工艺主要包括原挡墙安全防护处理、基础施工、主肋和横肋施工、路槽和内侧路基填筑、拉梁和锚固块施工、路基填筑和路面恢复，具体施工工艺流程详见图7。

图7 框架拉梁架构施工流程图

2.2 施工工艺要求

基础施工应在对原挡墙采取安全防护措施后进行，地基开挖严格采取“跳仓”方式，禁止掏挖既有挡墙地基。地基覆盖层浅薄时，应予以挖除，并浇注成混凝土台阶基础，根据情况布置适量锚杆将基础与基岩锚固。覆盖层较厚时，可采用钢管桩对地基进行处理。

主肋离既有墙顶约0.4m，主肋与基础之间布设5根φ25连接筋，要求伸入基础和主肋长度均不小于0.5m，中间1根，周边4根离主肋襟边净距为0.2m。横肋主筋伸入主肋不小于35D。

拉梁可采用现浇和预制安装两种方式，考虑到节省工期及公路保通，宜采用预制安装方式，在已压实的路床上槽挖埋设。拉梁主筋应伸入锚固块不小于0.75m，拉梁长度结合路幅宽度以及公路内侧基岩出露情况进行调整。

锚固块适用于公路内侧基岩出露路段，若无基岩出露，可槽挖现浇混凝土锚固墙，锚固墙的沉降缝设置与挡墙外侧框架梁相一致。锚固块采用两排EX25N涨壳式中空注浆锚杆与岩体锚固，锚杆单长4.5m，伸入基岩3m。

拉梁施工完毕，路基填筑应采用石渣进行分层填筑压实，不得采用高频率的重型压路机。并及时恢复路面，按原尺寸采用C25素混凝土恢复排水沟。

2.3 施工安全防护措施

为了确保公路下方居民和电站的安全，工程施工过程中必须结合高挡墙和框架拉梁结构的特点，建立完善的安全防护体系。框架拉梁加固工程安全防护体系由主动防护网、原挡墙底脚主动防护和被动防护网组成。

主动防护网主要是对既有挡墙墙体进行临时外罩防护，以预防既有挡墙墙体在加固过程中发生外鼓，掉块等危害，根据既有挡墙病害程度，部分区域可设置成双层。防护网成套系统采用市场成品，上、下部采用钢绳锚杆沿公路方向间距1.5m布置，并保证锚入岩石深3m。若公路内侧为孤石，除满足入岩深度要求外，为保证拦截网稳定，孤石单体体积应不小于5m3。若挡墙底脚基础为浮渣层，可临时先锚入既有挡墙底部，锚固深度不得小于0.5m，待挡墙底脚钢管桩施工到位后，最终防护网固定在此排钢管桩上。防护网与锚固端采用钢绳相连接，确保防护网和连接钢绳绷紧，钢绳过路面处，应将钢绳刻槽埋设于路面中。

既有挡墙已运营20余年，且原施工工艺及施工质量均存在一定不足，特别是当基础覆盖层较厚时，既有挡墙底脚基础较为脆弱。原挡墙底脚主动防护是在距原挡墙0.5m处，沿线打设一排φ114钢管桩，间距0.4m，对基础进行加固，确保既有挡墙稳定，防止施工过程中对原挡墙的基础扰动导致整体倒塌事故发生。

被动防护网即为滚石拦截网，是施工安全防护体系的最后一道防线。由于加固区段山体较陡，坡面尚有滚石，而且与下部重要水工建筑物距离较近，为保证下部道路车辆通行安全和施工人员的安全作业，在基础清除工作开始前，应先在加固挡墙下部设置滚石拦截网。拦截网基座布置根据现场实际应与挡墙保持一定距离，以不影响挡墙加固的正常施工及方便安装为原则，一般控制距离基础碎石垫层外不小于10～15m，且尽可能沿等高线布设。滚石拦截网是采用高强度绳网作为主体，与立柱、支撑绳、消能器和短锚杆共同作用，具有施工简单快捷、占地少、不破坏植被等特点，滚石拦截网的拦截能量为250kJ。

2.4 工程实例展示

某抽水蓄能电站上下水库连接公路部分路段高挡墙加固工程已经实施完毕，图8、图9为高挡墙框架拉梁加固工程实施前后的对比。2012～2014年实施的框架拉梁加固工程目前整体运行状况良好，挡墙安全性有了很大的提高，成功经受了2012年“海葵”及2013年“菲特”等超强台风雨袭击的考验。

图8 公路挡墙加固前

图9 公路挡墙加固后

3 结束语

（1）高边坡挡墙框架拉梁组合架构加固技术结合了多种常规挡墙加固结构的优点，形成的立体框架体系具有良好的抗滑和抗倾覆性能，整体力学性能较好，同时外观轻盈，施工安全保障度相对较高。从已经实施的工程来看，该结构安全可靠。对我国山区公路高挡墙加固具有参考性和推广应用前景。

（2）框架拉梁加固形式结构简洁，材料用量较少，工程投资相对较少，与公路挡墙拆除新建相比，可以节约50%的工程投资，与常规公路高挡墙加固技术支撑墙相比，可以节约10%～20%的工程投资，经济效益显著。

（3）框架拉梁加固技术的施工对公路通行影响较小，施工快，该技术可广泛应用于公路高挡墙路基加固及塌方路基抢险加固施工。

[1] SL 379—2007水工挡土墙设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2007.

[2] JTJ 076—1995公路工程施工安全技术规程[S].北京：人民交通出版社，1995.

[3] JTG H20—2007公路技术状况评定标准[S].北京：人民交通出版社，2007.

[4] JTG D30—2004公路路基设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5] 苏红敏.震后公路路基安全性检测评估与修复加固技术研究 [D].重庆大学，2011.

[6] 和昆，蒋楚生. 云南元磨高速公路路堑高边坡及滑坡整治工程 [J]. 路基工程，2004（1）.

[7] 陈小丹，曾进群等.路面破损开裂原因分析及路基加固处理方案[J].地下空间，2003，23（4）.

周俊杰（1987—），男，硕士研究生，工程师，水工专责，主要研究方向：抽水蓄能电站水工运维与检修。E-mail:502751512@qq.com

焦修明（1980—），男，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向：大坝安全鉴定与管理。E-mail: 476189199@qq.com

Research and Application of High Retaining Wall Reinforcd by Structure Combined of Frame Beams and Straining Beams

ZHOU Junjie1，JIAO Xiuming2
（1.East China Tianhuangping Pumped Storage Power Station，Anji 313302,China; 2.Zhejiang Institude of Hydraulics and Estuary，Hangzhou 310000,China）

The Structure Combined of Frame Beams and Straining Beams is innovative absorbing the advantages of several conventional methods for High slope retaining wall reinforcement. The three-dimensional structure is formed with the main pier and horizontal beams making up a frame，linking the top of the main pier and one end of the straining beam，and anchoring the other end with the solid rocks inside the rode. In this paper，the conclusion is drawn that the combined frame excels at anti-sliding and anti-dumping by means of analyzing the maximum stress and stability performance. In addition，the site construction and security protection technique is introduced.Practice shows that the combined structure behaves optimal in the appearance of lightness，security guarantees.

High Slope; Retaining Wall Reinforcement; Frame Beams; Straining Beam; Combined Structure