岳池县酉溪双石沟110kV变电站新建工程挡土墙设计优化

罗 衡，鄢 松

(1.四川省水利规划研究院，成都，610072；2.中冶成都勘察研究总院有限公司，成都，610023)

挡土墙可分为重力式挡土墙、薄壁型挡土墙、锚定型挡土墙以及加筋土挡土墙等类型。不同挡土墙的作用以及特点也有不同，如何通过技术经济考虑挡土墙类型，需要根据实际的情况来优化分析。本文挡土墙设计是根据本工程地形地质情况，施工难度，进度要求，技术经济等进行综合比较，优化方案设计，取得较好成效。

1 工程概况

岳池县酉溪双石沟110kV变电站新建工程是在利用现酉溪35kV变电站站址进行新建，站址距酉溪镇约500m，有公路通过，交通较方便。工程建设规模为本期1×40MVA，终期为2×40MVA。站址南侧紧邻酉溪河，地形呈北西高，南东低，场地高程303.17m～308.35m，在南侧有一陡坡，相对高差约5.18m，斜坡底临河边建有堡坎。按照新建变电站总平面及竖向布置设计考虑，变电站场地标高确定为307.90m～308.10m，高于50年一遇的防洪标准。因此，需在场地南侧回填区修建挡土墙，长度约80m。

2 站址岩土工程条件

2.1 岩土物理力学性质指标

根据场地岩土成因分析及相关指标测定，场地岩土物理力学性质指标[1]见表1。

表1 岩土物理力学性质指标

2.2 水文地质条件

场地地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，主要受大气降雨及河流补给，向场地南侧酉溪河排泄。地下水位及水量受季节影响较大，埋藏深度一般在4.60m～5.40m，对浅基础开挖及施工影响不大。

据当地建筑经验，该区地下水对混凝土具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性[1]。

3 挡土墙初始方案

根据岩土工程勘测报告，建议对南侧填方边坡采用衡重式挡土墙支护，挡墙基底对地基的摩擦系数取0.25，墙后填土等效内摩擦角30°。

按照建议方案考虑，拟建衡重式挡土墙墙高为9m～12m，基底宽度3m～4m，挡墙材料采用C15毛石混凝土(毛石混凝土的毛石掺入量不大于总体积的30%)。经初步计算分析，衡重式挡土墙基础应放置在泥岩层(地基承载力特征值为：Fak=250kPa)，埋入岩石深度应大于800mm～1000mm，并需考虑扩展基础方能满足承载力要求[2]。

若采用此方案，在挡土墙实施中，存在以下影响：

一是基坑开挖回填工作量大，基坑最大开挖深度达4m，开挖基底宽度达5m，加上基坑放坡要求，开挖工程量约2000多m3；

二是影响原站址河边堡坎，由于本期新建挡土墙与原站区堡坎距离较近，采用大开挖方式需将原堡坎拆除，增加了工作难度；

三是面临汛期河岸施工影响，按照项目进度要求，变电站将在当年6月全面动工，年底完成建设，挡土墙施工正好在主汛期期间，若遇到超标洪水，可能产生洪水漫滩淹没开挖基坑，对施工安全、人员安全、进度保障等产生严重影响；

四是挡土墙墙体工程量大，模板支护、混凝土浇筑等要求高，施工工期长，对变电站整体实施进度造成影响；

五是投资增大，对业主控制总投资有一定的影响。

4 挡土墙优化方案

4.1 优化设计的考虑

(1)挡土墙优化目的

解决衡重式挡土墙在软土层较厚、地基承载力差的区域适应性问题，通过技术经济比较，考虑采用结构轻巧，施工快，投资省的新型支档结构。

(2)挡土墙优化拟解的主要问题

一是通过调整挡土墙型式，可减少挡土墙工程量，减少基础开挖工程量，有效节约投资；

二是解决汛期临河大开挖施工带来的风险；

三是通过减少工程量，加快挡土墙施工进度，为变电站场地内构支架、电器安装施工创造条件。

4.2 挡土墙设计优化方案

4.2.1 设计方案

结合本项目填方区软土层较厚，地基承载力差的特点，挡土墙优化设计方案拟采用桩基托梁挡土墙方案。

桩基托梁挡土墙采用桩距2.2m的两排机械成孔灌注桩，桩纵向间距3.0m，灌注桩桩直径为1000mm，桩长6m～10m，桩顶设宽3.8m、厚0.9m承台，承台上采用钢筋混凝土薄壁式挡墙，挡墙高4.9m，承台及挡墙沿纵向14.5m设变形缝分隔。挡土墙优化设计断面详见图1。

图1 挡土墙优化设计断面

4.2.2 结构分析计算

桩基托梁挡土墙主要用于解决覆盖层厚，地基承载力较低的矛盾，但相关的理论研究还不够完善，没有形成桩基托梁挡土墙整体的理论研究体系。因此开展桩基托梁挡土墙设计需要理论结合实践经验进行，在综合考虑桩基托梁挡土墙设计受力特点、传力机制情况下，可分解为桩基设计及挡土墙设计[3]。

(1)挡墙计算

采用顶部0.4m，底部0.8m，高4.9m的薄壁钢筋混凝土挡墙，按悬臂立板进行结构分析计算，结构构件截面设计按《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)计算。计算得到每延米水平土压力为Ea=105.42kN，挡墙底截面弯矩设计值M=355.78kN·m，剪力设计值V=142.31kN，截面竖向配筋采用HRB400钢筋，φ20@150，通过验算，正截面抗弯承载力及斜截面承载力验算满足要求。按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度验算ωmax=0.18mm，小于0.2mm，满足要求[4]。

(2)桩基础验算

桩基主要对上部挡墙、托梁的竖向力和自身的重力进行支撑，并对后部坡体主动土压力、承台传递的水平力或坡体的整体下滑力进行支挡，桩基可考虑按多排桩高承台桩基计算。

承台前存在陡坎，不计入承台底面土对承台的反力，桩基按多排桩高承台桩基计算，依据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)附录C考虑承台基桩协同工作和土的弹性抗力作用进行计算分析[5-6]。

挡墙及承台受的总土压力，计算至陡坎下稳定台地(考虑偏安全)。经计算水平土压力Ea=178.29kN/m，按单个承台(长度14.5m)范围整体计算桩基受力，后排基桩桩顶竖向力N1=397kN，前排基桩桩顶竖向力N2=978kN，平均竖向力Nk=688kN，基桩桩顶水平力Hi=260kN，基桩桩身最大弯矩Mmax=706kN；按照直径1000mm灌注桩，桩长10m，采用HRB400钢筋，纵向钢筋根数为24根，直径20mm，结合桩灌入土层情况，可得到单桩水平承载力特征值Rha=480.88kN，单桩竖向承载力特征值Ra=1247.23kN。

单桩承载力验算结果分析：Ra≥Nk，1.2Ra≥Nkmax(前排桩竖向力N2)，Rha≥Hi，满足要求。

(3)承台验算

承台作为桩基托梁挡土墙体系中部的单元，主要起到承上启下的作用，即主要对上部挡墙传递的主动土压力的水平力、挡墙重力和主动土压力的竖向力提供支点，并和自身重力一起传递给下部的桩基。承台受力计算可按受上部挡墙及下部桩基共同作用分析[6]。

承台高度h=0.9m，宽度B=3.8m，按单个承台(长度14.5m)范围整体计算受力，采用HRB400级钢筋，横向配筋采用φ20@150，纵向配筋采用φ20@200。

承台受力计算：最大弯矩M=6020.59kN·m，剪力最大值V=6602.50kN。

斜截面抗剪承载力验算：V≤0.7f1bh0+1.25fyvAsvh0/s，满足要求。

受冲切计算：N1≤[β1x(c2+a1y/2)+β1y(c1+a1x/2)]βhpfth0，满足要求。

按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度ωmax=0.19mm≤0.2mm，满足要求。

(4)整体稳定验算

整体稳定验算采用瑞典圆弧滑动法计算。整体滑动验算简图见图2。

图2 整体滑动验算

计算结果：整体稳定安全系数Ks=2.639。

结论：整体稳定安全系数Ks≥1.3，满足要求。

5 结论

(1)通过挡土墙优化设计，实现了加快施工进度、减少施工难度、节约投资的目的，项目建成运行后，挡土墙正常发挥作用且满足设计要求。

(2)桩基托梁挡土墙是挡土墙与桩的组合形式，由托梁或钢筋混凝土承台相连接。桩基托梁主要解决地基承载力较低问题，可用于较厚的填方区，以及覆盖层较厚、稳定性较差的区域。桩基托梁挡土墙的这些特点扩大了一般挡土墙的使用范围，可对类似场地挡墙项目提供新的思路。

(3)通过对优化后桩基托梁挡土墙的分析计算，可供类似工程设计时参考。