加筋式挡土墙在水利工程中的设计探讨

涂 鹏，徐 凯

（1.南昌市水利规划设计院,江西 南昌 330009；2.中铁水利水电规划设计集团有限公司,江西 南昌 330009；3.江西赣禹工程建设有限公司,江西 南昌 330009）

水工挡土墙按其受力条件可采用重力式、半重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、空箱式、板桩式、锚杆式或加筋式等断面结构型式[1]。加筋式挡土墙因其诸多优点而被众多工程项目采用,不少学者对加筋式挡土墙也开展过研究,并取得了一定的成果。

宋四海、汪凌、黄玉涛等人曾阐述了自嵌加筋式挡墙的构造、优点及在水利工程中的应用。挡土墙主要计算内容为外部稳定、内部稳定、整体稳定,局部稳定计算主要由厂家控制[2]。岳景哲,信文彦、刘云等人也曾比较分析过加筋挡土墙与其它形式挡墙的投资,及内部稳定和外部稳定计算[3～4]。水利工程设计中挡墙常规稳定计算内容有抗滑稳定系数、抗倾稳定系数、整体稳定系数、渗透稳定等,然加筋式挡土墙的筋材抗拉强度、筋材长度、抗拔稳定等稳定计算亦十分必要[5],设计阶段经反复试算才能确定合适的断面结构型式,其断面结构型式中筋材的相关取值直接影响到结构设计与造价控制。

本文在参照前人成果的基础上[6～9],以南昌市青山湖区义坊河项目区河道整治工程为例,将加筋式挡土墙与其它型式挡墙通过定性比较法和定量比较法更具体地进行比选,并运用规范公式法详细进行相关稳定计算（受篇幅限制,部分常规稳定计算本文不赘述）,可为类似项目加筋式挡土墙深化设计提供参考。

1 工程概况

南昌市青山湖区义坊河项目区河道整治工程为流域面积50 km2～200 km2的重点县区河道整治工程,整治工程地处地处南昌市青山湖区东南城乡结合部艾溪湖南侧幸福河水系汇流区域（汇流面积约30.2 km2,河道总长约23.7 km）,河道起于五干二支渠的铁路桥,自南向北穿过广州路、罗城公路等东西向道路,过昌安路后汇入幸福中河。该项目拟整治河道1.795 km,范围主要涉及高新技术产业园区的部分区域,项目区面积约1.745 km2。根据治理河道存在的问题,为实现恢复河道功能,提高河道行洪排涝与输水能力,改善区域水环境和用水条件的治理目标,项目区的治理工程为：结合城市景观水面、旅游休闲、道路交通、雨污水排放等市政规划要求,对河道进行清淤疏浚与扩挖、清障、岸坡整治、阻水交叉建筑物拆除等。批复主要建设内容有：河道疏浚,卡口拓宽,并拆除部分严重阻水简易箱涵,护岸固岸,草皮护坡等。因工程进度,工程质量,生态理念等因素,经反复论证,确定选用加筋式挡土墙护岸方案,工程实施后,取得了良好的经济、社会、生态等效益。并与幸福渠流域内其它7 条水系整治共同打造了“城市绿肺”,让幸福水系名副其实。

2 方案比选

2.1 挡墙方案

经过调研和考察已建类似工程项目案例,结合项目区所在地实际情况,选择加筋式挡土墙、锚杆式挡土墙、仰斜式挡墙及砼预制块砌筑挡土墙4 种型式做方案比选。详见比选图。

方案一加筋式挡土墙：挡墙顶宽为0.4,临水侧1∶0.17,墙高为3.4 m,砌块尺寸为400 mm×315（150）mm×260 mm,中间设土工格栅,间距为0.6 m,土工格栅总长3.7 m,基础宽为0.7 m,两侧伸出0.2 m,基础埋深为0.6 m。因西侧同时施工截污箱涵,结合生态挡墙土工格栅施工,该侧岸坡已经进行开挖施工。

方案二锚杆式挡土墙：挡墙顶宽为0.4,临水侧1∶0.17,墙高为3.4 m,砌块尺寸为400 mm×315（150）mm×260 mm,中间设锚杆,竖向间距为1.0 m,水平间距2.55 m,锚杆长6 m,水平斜下15°插入土体,基础宽为0.7 m,两侧伸出0.2 m,基础埋深为0.6 m。

方案三C20砼仰斜式挡土墙：挡墙顶宽为0.8,临水侧1∶0.5,背水侧1∶0.25,墙高为3.90 m,墙趾为300 mm（宽）×500 mm（高）,中间设排水孔,排水孔后有排水反滤。

方案四C20 砼预制块砌筑挡土墙：挡墙采用C20 预制块砌筑,标准预制块尺寸0.24 m×0.24 m×0.5 m,挡墙顶宽为0.5 m,挡土墙台阶布置,从上至下分别为：顶宽0.5 m,高1.15 m；顶宽1 m,高0.75 m；顶宽1.5 m,高0.75 m；顶宽2.0 m,高0.75 m。挡墙基础宽为2.5 m,厚0.5 m,基础埋深为0.5 m。

2.2 挡墙比选

（1）四个方案优缺点定性比较见表1。

表1 四种方案的缺点对比表

（2）四个方案造价定量比较（以10 m段挡墙计量）见表2。

表2 四种方案造价定量比较表

续表2

2.3 比选分析

从四个方案优缺点定性比较来看,各方案均有利弊,方案一优势相对突出,方案三和方案四为传统工艺,技术成熟,施工方便,但不满足当前工程对生态水利的要求。从四个方案造价定量比较来看,方案二和方案四造价相对较高,相比方案一分别多27%和36%,不够经济。综合来看,本工程推荐选择方案一,即加筋式挡土墙方案。

3 设计计算

3.1 断面设计

根据勘测资料和设计要求,通过反复试算调整,拟定断面结构型式如下,挡墙顶宽为0.4,临水侧1∶0.17,墙高为3.40 m,中间设土工格栅,间距为0.6 m,土工格栅总长3.7 m,基础宽为0.7 m,两侧伸出0.2 m,基础埋深为0.6 m。见图1方案一。

图1 各方案挡墙断面图

3.2 计算参数

（1）堤顶平台计算取附加行人荷载取3.0 kPa；

（2）生态砌块400 mm（长）×315（150）mm（高）×260 mm（宽）；

（3）筋材拟采用PP单向土工格栅抗拉力Ts=100 kN/m,其极限抗拉强度Tu可取为100 kN/m；

（4）筋材节点的水平间距SX=1 m；

（5）加筋回填土为粉质粘土,根据地质报告资料,其力学性能指标值为：容重γ=19 kN/m3,粘聚力C=40.2 kPa,内摩擦角φ=16.5°,按GB 50286-2013 规范的计算公式D.1.2-15,计算出等值内摩擦角φ=42.32°,为保证设计的安全性本次计算中等值内摩擦角取值φ=30°；

（6）根据SL/T 225-1998规范附录J.2.5规定,土工格栅与土的抗拔摩擦系数f=0.8tgφ=0.46,为保守起见,按照经验取粉质粘土与土工格栅的摩擦系数值f'土=0.25；

（7）生态挡墙基础为粉质粘土,根据地质报告资料,其力学性能指标值为：容重γ=19 kN/m3,,粘聚力C=40.2 kPa,内摩擦角φ=16.5°,地基承载力特征值≥150 kPa,基底摩擦系数f土=0.25,根据报告中所提供的基础（粉质粘土）的内摩擦角φ=16.5°,本次按经验取摩擦系数值f'=0.3。按照SL/T225-1998附录K.2.1-3规定,墙底面摩擦系数取地基土、填土摩擦角、土工格栅与地基土或填土之间的摩擦角中最小者的tg值,故基底摩擦系数f = fmin= 0.3；

（8）墙体采用矩形断面计算；

（9）墙后回填土与加筋体填料相同；

（10）设计水位低于顶0.5 m。

3.3 稳定计算

3.3.1 行人荷载等代土层厚度h计算

按不利工况计算,堤顶附加行人荷载,取3.0 kPa,等代土层厚度h= 3.0 /19=0.158 m。

3.3.2 加筋体上永久荷载的等代土层厚度

由断面图知：H = 3.56 m, m=1.5, bb=0 m, H'= 2.26 m,故等代均布土层厚度为：h=1.187 m。

3.3.3 土压力系数计算

3.3.4 筋材抗拉强度验算

根据规范SL/T 225-1998计算不同深度的土压力系数、土压力及筋材拉力等参数,挡墙不分缝,筋材平铺,故计算按每延长米受力计算,计算按以下规定进行：

故：Tu（min）=（FiDFcRFcDFbD）Ta

（系数乘积取（FiDFcRFcDFbD）4.0）

计算结果见表3和表4。

表3 施工期间活载为设计满载时筋材所受拉力计算表

表4 设计水位工况活载为设计满载时筋材所受拉力计算表

从以上结果可知,在两种工况下各层土工格栅的极限抗拉强度下限值（最大值为89.79）均小于容许抗拉强度Tu（值为100）,计算满足要求。

3.3.5 筋材长度计算及抗拔验算

通过土工格栅所受压力和其与填土的摩擦系数计算筋带可产生的抗拔力及筋材有效锚固长度,验算设计筋材长度是否满足要求。计算按规范SL/T 225-1998规定进行：

计算结果见表5和表6。

表5 施工期间筋材长度计算表

表6 设计水位工况筋材长度计算表

从以上结果可知,在两种工况下,设计的筋材总长度（值为3.7 m）均大于计算所得的筋材总长度值（最大值为3.01 m）,满足规范要求。

3.4 计算结果

经过计算,拟定的加筋式挡土墙方案在施工期和设计水位运行期两种工况下,各层土工格栅的极限抗拉强度下限值均小于容许抗拉强度值,设计的筋材总长度均大于计算所得的筋材总长度值,满足规范要求。

4 结论

通过对加筋式挡土墙与其它三种型型式挡墙进行定性和定量比较,可知各方案均有利弊,方案一优势相对突出,方案三和方案四为传统工艺,技术成熟,施工方便,但不满足当前工程对生态水利的要求。方案二和方案四造价相对较高,相比方案一分别多27%和36%,不够经济。综合来看,加筋式挡土墙更适合在河道整治工程项目更多推广使用。

通过对加筋式挡土墙的相关稳定计算,可知选定的断面结构型式,筋材抗拉强度、筋材长度、抗拔稳定等相关技术指标均满足规范要求,技术可行,方案可放心应用于工程项目中。

虽然加筋式挡土墙已有不少工程应用实例,但是每个工程都各有差异,不同的挡墙高度、不同的墙后填土和筋材长度、不同的墙前水位、不同施工场地等都会影响断面结构型式选定,因此加筋式挡土墙在水利工程中应用时还需结合项目实际,综合考虑,多方比较,试算优化,最终选定安全可靠、经济适用的断面结构型式。