河道新型加筋土擋墻護岸結構設計分析

趙正玲

（喀什地區(qū)水利水電勘測設計院，新疆喀什 844000）

1 工程概況

某河道處于城市中心區(qū)南面，河道水流方向由東向西，屬常年性河流，總長度約為15.8km，河道寬度處于42.0～53.6m范圍內，該河道綜合治理工程是城市防洪工程的主體；另一方面，該河道中的河水絕大部分來源于地表徑流匯集的雨水和市區(qū)工業(yè)及市民生活污水，河水中含有大量的污水成分，污水中的有害雜質對水工混凝土結構及金屬構件的使用耐久性均具有不良影響。

該河道綜合治理工程中的大部分護岸檔墻結構大部分可采用天然淺基礎，以粉性粘土層作為基礎持力層。但部分河段也存在較厚的軟質淤泥土，其土層承載力相對較低，不適于直接作為結構基礎，需進行人工換填處理。整個工程施工場地區(qū)域內地震烈度均為7度，河道設計洪峰流量為Q(p=2%)=436.6m3/s。該河道綜合治理工程項目于2005年5月份正式建設施工，項目整體已在2010年11月竣工驗收。該河道治理河段范圍內的護岸擋墻工程均采用土工格柵加筋土進行加固處理，現對其結構設計過程進行相應的分析和總結。

2 河道護岸結構設計

2.1 結構斷面形式

該河道護岸結構采用直立式擋土墻，整個結構斷面型式設計為矩形，兩側護岸擋土墻的設計高度在4.6～8.6m范圍，擋墻結構面的傾角設計為88°；整個護岸擋墻結構設計為疊式土工格柵加筋土，其下級擋墻的墻身高度約為3.50～4.25m，上級擋墻的墻身高度約為1.35～2.05m之間，上、下級擋墻的結構面傾角也均設計為88°[1]。

2.2 結構方案比選設計

河道護岸擋墻結構設計及施工本著就地取材、經濟適用的原則，主要重點考慮了兩種典型擋墻結構型式與一種新型加筋土擋墻結構方案的比較，即漿砌石重力擋土墻、懸臂式鋼筋混凝土擋墻、土工格柵加筋土擋墻[2]。從投資成本及工程施工進度方面考慮，漿砌石重力擋土墻的單位工程造價藥比新型土工格柵加筋土擋墻的造價稍高，而懸臂式鋼筋混凝土擋土墻的施工進度會略高于新型加筋土擋墻護岸結構的施工進度。

另一方面，考慮到我國北部地區(qū)冬季較長、氣候寒冷的工程環(huán)境，漿砌石重力擋土墻和懸臂式鋼筋混凝土擋土墻的冬季施工難度、結構抗凍融性能以及建筑美觀方面與新型加筋土檔墻結構相比還存在一定的差距。通過對項目成本、施工進度、冬季施工難度、結構使用耐久性能等各方面綜合分析、比選，該河道綜合治理工程中的護岸結構設計最終選擇采用新型土工格柵加筋土擋墻方案進行護岸結構的施工。實際工程中采用的新型加筋土擋墻護岸結構型式，其主要具有如下特點。

(1) 該河道護岸擋墻的高度處于4.6～8.6m范圍，高度相對較大。若采用漿砌石重力擋土墻、懸臂式鋼筋混凝土擋墻等常規(guī)護岸擋墻結構型式，均在采用天然淺基礎的條件下進行施工，其施工成本會隨護岸擋墻高度的增加會快速增加；而采用新型加筋土結構方案進行護岸擋墻的施工時，其施工成本隨護岸擋墻高度增加而增加的速度相對較小。因此，在河道護岸擋墻高度相對較高時，采用該結構能有效節(jié)省工程成本。

(2) 采用加筋土擋墻結構型式時，其墻體填料可充分利用廢棄細料或碎細的建筑垃圾，有利用環(huán)境保護和資源重復利用，同時還能有效節(jié)省投資成本。墻體回填施工可在施工現場同時采用機械與人工填筑施工，采用分段流水作業(yè)還可進一步縮短工期。

(3) 加筋土擋墻所采用的加筋材料具有良好的使用耐久性，能有效抵抗河道污水中各種雜質中不同有害物質的侵蝕破壞，可大幅提升護岸擋墻結構的使用壽命。

(4) 采用加筋土護岸結構型式，由于加筋填料的透水性能相對較好，對運營期間維持區(qū)域內地下水與河水進行互換更新、循環(huán)流動的生態(tài)功能具有重要意義；此外，新型加筋土擋墻結構在外部荷載作用下體現為柔性結構，與混凝土結構和漿砌石結構等剛性結構相比具有更好的變形協調能力，對場地地基土的穩(wěn)定性及基礎承載力要求都更低，其抗震性能也較剛性擋墻結構要好很多[2]。

3 護岸擋墻設計

3.1 計算模型與參數選定

該河道護岸加筋土擋墻結構在受力模擬分析時按獨立的豎向直墻單元進行建模；進行結構整體穩(wěn)定性驗算分析時，考慮護岸墻體急速浸水和河道水位驟降等最不利運行工況的荷載組合。考慮到河道中水位驟降時作用在護岸墻體上的反向滲透壓力均質土壩在水庫水位驟降時土壩壩身的反向滲透壓力類似，實際分析中按均質土壩在水庫水位驟降時浸潤線解析法進行計算，護岸擋墻后側回填土料的排水系數在設計過程中取值0.6。

該新型土工格柵加筋土護岸擋墻結構的加筋材料采用高密度聚乙烯(HDPE)。工程設計及施工過程中，選用的加筋材料對抗拉強度、蠕變性、抗光老化性能等技術指標應嚴格控制，所用材料中的碳黑顆粒級配要良好，其中納米級碳黑含量的比例不應低于3.0%[3]。

為滿足河道護岸擋墻結構可能長期浸泡在污水中，以及冬季的凍融循環(huán)作用，進行結構設計時必須充分重視結構使用耐久性的要求。加筋材料在設計計算時其強度應選用極限抗拉強度，并分別對加筋材料的抽樣檢測試驗、3%應變抗拉強度試驗等材料性能檢測試驗作出具體的規(guī)定。

針對部分河道區(qū)域的天然地基土其承載力相對不足的軟基問題，可采用聚乙烯雙向土工格柵加筋墊層(承載力可達30kN/m以上)對其基礎進行加固處理，土工格柵布與地基底部土層的摩擦系數可按0.4取用。進行河道護岸擋墻施工時，加筋土擋墻回填土料的干密度應不低于19.2kg/m3，水下內摩擦角不低于27°，回填土料的壓實度確保不低于0.96，其他技術指標還應嚴格按照相關規(guī)范的規(guī)定和設計要求嚴格執(zhí)行[4]，確保擋墻結構的施工質量。

3.2 擋墻結構構造設計

加筋土材料規(guī)格及土工布層間距的布置與選擇應按相關規(guī)范規(guī)定的構造要求及計算結果等綜合考慮確定。該河道護岸工程中，加筋土擋墻墻面采用土工布回包形式進行施工，其實際回包長度以1.2～1.5m為宜，擋墻墻面回包端的回填土料反濾層應采用480g/m2的高密度長絲無紡布。

擋墻墻身護面可采用天然塊石精料，料石砌筑層與加筋土體回包面之間應設置相應的礫、碎石過渡、排水層，其厚度以300～400mm為宜；料石塊體之間以及料石砌筑層與加筋土體層之間，可分別采用?16HDPE鎖棒及高密度聚乙烯(其厚度以4～6mm為宜)的連接棒進行充分連接。

護面料石砌筑層與加筋土體之間的連結施工，通過反復試驗摸索，最后確定按如下連接形式進行施工：即分別采用?16HPPE鎖棒及厚度為4～6mm的高密度聚乙烯連接棒沿護岸墻面長度方向進行半連接。料石層鉆孔直徑設計為?20，孔深不低于60mm，護面料石的砌筑層通過HDPE鎖棒和回包面中預留的主筋可獲得充分連結。

3.3 擋墻結構穩(wěn)定驗算

該新型擋墻結構穩(wěn)定驗算主要采用DIBT計算方法，加筋材料的設計計算強度分別采用相應規(guī)格格柵的長期殘余強度取值計算，加筋材聊設計使用壽命取定為100年。

該加筋土擋墻穩(wěn)定計算分析的工況條件主要由內部穩(wěn)定和外部穩(wěn)定兩種情況控制，其典型河段的護岸結構穩(wěn)定驗算結果見表1所示。由表1中的計算結果可知，典型河段內的加筋土擋墻結構的各項穩(wěn)定安全系數均滿足現行相關規(guī)范的要求，且比較經濟合理。

表1 典型河段加筋土擋墻結構穩(wěn)定驗算表

4 結 語

該河道護岸擋墻結構工程的實踐證明，新型土工格柵加筋土擋墻結構適宜在嚴寒區(qū)域的河道治理工程中采用，其結構抗凍害性能良好。這種新型土工格柵加筋土擋墻結構的應用，有效解決了河道護岸結構中剛性墻身護面結構與柔性加筋土體變形相協調的技術難題，充分發(fā)揮了加筋土擋墻結構的整體穩(wěn)定性，有效提高了水工結構的抗震性能及使用耐久性，可在類似河道整治工程中進一步推廣應用。

[1]劉宗耀,楊燦文,王正宏,等主編.土工合成材料工程應用手冊[M].第二版,中國建筑工業(yè)出版社,2000,10

[2]王釗,主編.國外土工合成材料的應用研究[M].現代知識出版社,2002,05

[3]土工合成材料應用技術規(guī)范(GB50290-98)[S].人民交通出版社,1998

[4]水利水電工程土工合成材料應用技術規(guī)范(SL/T225-98)[S].中國水利水電出版社出版,1998