加筋土拱壩設(shè)計(jì)研究

張世賢，周靈源，黃雙華

(1.攀枝花學(xué)院 土木工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000;2.西南交通大學(xué) 建筑勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610031)

1 場(chǎng)地狀況

根據(jù)四川省攀枝花學(xué)院校園總體規(guī)劃，需要在擬建圖書館東側(cè)形成高程為1 230 m平臺(tái)，并在緊鄰該平臺(tái)的東側(cè)再形成高程為1 197 m的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)平臺(tái)，兩臺(tái)之間高差33 m，平臺(tái)連接線的弧長(zhǎng)約170 m，且剛好位于攀枝花公園后山和攀枝花學(xué)院分析測(cè)試中心山坡之間的山谷地帶，山谷深約 50余 m，谷上口寬約170 m，下口寬30多 m。擬形成的1 230 m平臺(tái)全部是機(jī)械自行走碾壓的新填土，力學(xué)性能差，填土厚度達(dá)33～38 m，土壓力巨大。如何解決兩個(gè)平臺(tái)之間的擋土問題，成了影響學(xué)校總體規(guī)劃能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題。

2 擋土方案的確定

圖書館高程1 230 m平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)1 197 m平臺(tái)高差33 m，如果加上擋土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)深度，估計(jì)擋土結(jié)構(gòu)總高應(yīng)該在40 m左右。無論用什么形式的擋土結(jié)構(gòu)，確保1 230 m平臺(tái)和1 197 m平臺(tái)的安全成為最重要的課題。如果采用重力式擋土墻，則擋土高度太高，擋墻截面要求巨大，不經(jīng)濟(jì)，安全沒有保障。如用錨桿，則墻背為新填土，無法錨固，不可行。如用鋼筋混凝土拱壩，則因壩高達(dá)近40 m，弧形長(zhǎng)度約為170 m，在鋼筋混凝土拱壩內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力巨大，對(duì)壩基土承載力要求高。由于基礎(chǔ)土質(zhì)為多年沉積下來的淤泥質(zhì)土，該土層下的持力層為昔格達(dá)土，地基承載力一般，由于昔格達(dá)土有親水性的特點(diǎn)，脫水干裂，遇水膨脹，易于崩解和泥化流動(dòng)。鋼筋混凝土拱壩基礎(chǔ)將會(huì)產(chǎn)生較大基礎(chǔ)變形，引起不可忽視的附加應(yīng)力，影響壩體安全，而且造價(jià)很高，不經(jīng)濟(jì)。

課題組經(jīng)過多次實(shí)地考察，反復(fù)對(duì)比論證，根據(jù)實(shí)際地形特點(diǎn)，最后形成的擋土方案為:采用圓弧形加筋(竹筋)土拱壩擋土結(jié)構(gòu)。

為保證安全的情況下，最大限度地節(jié)約投資，壩體全部就地取材，采用現(xiàn)場(chǎng)的昔格達(dá)土，壩面部分用昔格達(dá)土加石灰形成灰土，拉筋為竹筋，十分經(jīng)濟(jì)。表1是幾種擋土結(jié)構(gòu)相關(guān)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比分析資料。

表1 常見擋土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比分析表

從以上分析可以看出，采用加竹筋土拱壩非常適合該地形狀況，技術(shù)上完全可行，而且投資僅為同類擋土結(jié)構(gòu)的17.5% ～26.9%，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

3 加筋(竹筋)土拱壩的設(shè)計(jì)

3.1 平面設(shè)計(jì)

拱壩平面為圓弧形，分3臺(tái)，第1臺(tái)圓弧長(zhǎng)度Lfg為35.9 m，圓弧中軸半徑為60.0 m;第2臺(tái)圓弧長(zhǎng)度Lcd為91.0 m，圓弧中軸半徑為70.0 m;第3臺(tái)圓弧長(zhǎng)度Lab為166.3 m，圓弧中軸半徑為80 m，平面布置見圖1。

圖1 拱壩平面布置(單位:mm，高程:m)

3.2 剖面構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.2.1 坡度設(shè)計(jì)

拱壩總高約40 m，其中高程1 197 m平臺(tái)以上33 m，以下為基礎(chǔ)3～6 m。拱壩總體分3臺(tái)，沿高度方向第1臺(tái)高9 m，面坡為1∶0.5;第2、3臺(tái)高度均為12 m，面坡為1∶1。可以看出，第1臺(tái)的坡度較第2、3臺(tái)陡，這對(duì)于一般擋土結(jié)構(gòu)來說是不合適的，但在這里卻不一樣，原因基于以下兩點(diǎn):①場(chǎng)地建設(shè)的需要。1 197 m平臺(tái)為擬建的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，必須有100 m跑道，如果采用和第2、3臺(tái)一樣的坡度或更緩的坡度，則壩腳須伸出至少4.5 m的距離，這對(duì)于場(chǎng)地本來就十分有限的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)來說是無法滿足的。②土拱壩的受力形式能夠滿足安全的要求。土拱受力不同于普通擋土結(jié)構(gòu)，它能將拱背土壓力沿拱體傳到壩肩，確保壩體安全穩(wěn)定。

3.2.2 防水、濾水體系設(shè)計(jì)

壩體的防水、濾水體系設(shè)計(jì)體現(xiàn)的是疏堵結(jié)合的思想。疏就是采用濾水體系進(jìn)行主動(dòng)引流、疏導(dǎo);堵就是采用防水體系進(jìn)行主動(dòng)截流、封堵。

首先說壩體的防水體系。它包括壩體的防水和壩面的防水。壩體的防水就是將約40 m高的壩體滲水通過每臺(tái)的水平濾水層將水分臺(tái)截流、引排;在每個(gè)平臺(tái)部分澆筑竹筋混凝土，避免雨水浸蝕壩體。壩面的防水在壩面用三七灰土護(hù)面，避免雨水浸蝕壩體;將每個(gè)坡面的雨水通過設(shè)置在每臺(tái)坡腳的截水溝將水匯集排走。

壩體的濾水體系設(shè)計(jì)包括水平濾水和豎直濾水體系。豎直濾水體系指的是用壩體內(nèi)的柔性人工干砌豎直毛石濾水帶將壩背土層水流通過水平濾水帶引流排走。水平濾水指的是通過設(shè)在每臺(tái)壩腳處的人工干砌水平毛石濾水帶將豎直毛石濾水帶的水流匯集排走，最后通過基礎(chǔ)人工干砌水平毛石濾水帶將水引排到壩前的排水溝排走。

由此可見，整個(gè)壩體的防水、濾水體系設(shè)計(jì)既是相對(duì)獨(dú)立的又是相互關(guān)聯(lián)的，而且整個(gè)防水、濾水體系也是壩體結(jié)構(gòu)的一部分，充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和功能的完美統(tǒng)一。

3.2.3 截面設(shè)計(jì)

(2)豐富實(shí)踐內(nèi)容。校園文化活動(dòng)內(nèi)容豐富多彩，可以開展以“校訓(xùn)、校徽、校歌”為代表的校園精神，還組織五四青年節(jié)等愛國主義演講比賽、校園歌手大賽等，這些都能引導(dǎo)學(xué)生積極上進(jìn)，滲透愛國主義教育。例如，在每年12月1日的艾滋病日，學(xué)生們都積極發(fā)揮主觀動(dòng)性，通過在校園內(nèi)普及艾滋病知識(shí)，發(fā)放預(yù)防艾滋病宣傳冊(cè)和拉條幅等形式吸引廣大學(xué)生關(guān)注艾滋，熱愛生命；雷鋒日，高校學(xué)生積極開展以“踐行雷鋒精神，大學(xué)生在行動(dòng)”為主題的學(xué)雷鋒環(huán)保校園日活動(dòng)等。這些活動(dòng)既能夠讓廣大在校大學(xué)生產(chǎn)生熱愛校園環(huán)境的熱情，而且可以約束學(xué)生的行為，促使學(xué)生形成良好的生活習(xí)慣，從小見大，把思想政治教育細(xì)化到大學(xué)生的日常生活中。

壩體截面設(shè)計(jì)充分考慮了土壓力的特性，整個(gè)壩體分級(jí)放臺(tái)，逐級(jí)放坡，下陡上緩，壩體截面下小上大，壩背土層碾壓區(qū)逐級(jí)放大。這些做法充分考慮到了土的自然休止角原理，有利于最大限度地減小土壓力，保證壩體的穩(wěn)定。

截面設(shè)計(jì)中加筋灰土面板的使用是一個(gè)重要特色。普通加筋土擋墻面板均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，面板本身不是結(jié)構(gòu)的一部分，面板和筋帶之間的連接有老化的問題，如果面板與筋帶連接銹蝕，則危及擋土結(jié)構(gòu)的安全。加筋土拱壩面板則完全不同，該面板是用三七灰土加竹筋夯實(shí)而成既可與竹筋一起擋土，又可成為壩體結(jié)構(gòu)的一部分，與壩體協(xié)同受力，愈久愈堅(jiān)。詳見圖2。

壩體的這種設(shè)計(jì)使其自適應(yīng)變形的能力非常強(qiáng)，它對(duì)基礎(chǔ)承載力要求不高，即使有局部變形也能自適應(yīng)，不會(huì)在壩體產(chǎn)生過大的附加應(yīng)力，而且隨著時(shí)間的推移，壩體和壩背土體將會(huì)逐級(jí)成為一體，安全性更高耐久性將更好。

3.3 竹筋布置

圖2 加筋土拱壩剖面圖(單位:mm，高程:m)

壩體竹筋的布置充分利用了竹筋的抗拉強(qiáng)度好的特點(diǎn)。將竹筋沿橫向間距300 mm，縱向間距500 mm，形成竹筋網(wǎng)片布置，每隔350 mm厚放一層竹筋網(wǎng)片，并且將竹筋深入強(qiáng)度較好的灰土面板中，并在面板端部預(yù)留翻轉(zhuǎn)預(yù)留錨固長(zhǎng)度。詳見圖3和圖4。

圖3 竹筋網(wǎng)編織大樣圖(單位:mm)

圖4 竹筋錨固大樣(單位:mm)

若將夯實(shí)土體比作“素混凝土”，那一層層竹筋就是一層層縱橫交錯(cuò)的“鋼筋網(wǎng)片”，整個(gè)壩體就形如“鋼筋混凝土”壩體。由于抗拉強(qiáng)度很高的竹筋的摻入，極大地改善了壩體土體的力學(xué)性能，大大增強(qiáng)了壩體的整體性、協(xié)同性、安全性和穩(wěn)定性。由此可見，是否充分利用竹筋抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)已成為加筋土拱壩設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵要點(diǎn)。

4 加筋(竹筋)土拱壩基礎(chǔ)處理研究

4.1 工程地質(zhì)概況

加筋土拱壩位于攀枝花公園后山和攀枝花學(xué)院分析測(cè)試中心山坡之間的山谷地帶，山谷深約50余m，谷上口寬170多m，下口寬30多m。山谷谷底為上游山上的地下水和雨水自然形成的小溪，常年流量較大，遇雨季兩山之間的水匯集到山谷，流量更大。山谷谷底的土質(zhì)全部為多年的沉積下來的淤泥質(zhì)土，土層厚度為3～9 m，含水量高，承載力低，淤泥質(zhì)土以下為昔格達(dá)土粉砂巖，承載力可達(dá)300 MPa。攀枝花公園后山山體土質(zhì)為昔格達(dá)土，攀枝花學(xué)院分析測(cè)試中心山坡土質(zhì)部分為昔格達(dá)土和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

4.2 加筋(竹筋)土拱壩基礎(chǔ)處理方案

土拱壩壩體主要為加筋灰土和加筋素土，不同于鋼筋混凝土壩，不能長(zhǎng)期受地下水的侵蝕。基礎(chǔ)處理必須同時(shí)解決地基承載力低的問題和基礎(chǔ)排水問題。面對(duì)惡劣的地質(zhì)條件，課題組經(jīng)過多次現(xiàn)場(chǎng)踏勘和反復(fù)論證，最后形成了四個(gè)字的總體處理方案，那就是“換土引流”處理方案。

引流:就是將壩體背后的常年流水通過基礎(chǔ)引到壩體前面的排水溝排走。

基礎(chǔ)引流可以用塑料管，但引流量小，容易堵塞，風(fēng)險(xiǎn)大。通過計(jì)算流量，決定將基礎(chǔ)毛石全部干砌，將上游流水通過沿壩內(nèi)專設(shè)的人工干砌毛石濾水帶引流到基礎(chǔ)，再通過基礎(chǔ)毛石間的縫隙引流到壩前的排水溝內(nèi)。

這種柔性人工干砌毛石濾水帶引流方式安全可靠，不易堵塞，且能與壩體形成整體協(xié)同工作，保證壩體整體穩(wěn)定。

為了避免毛石基礎(chǔ)上部土壩的土落入毛石縫隙，造成引流堵塞，又在毛石上先鋪一層20 cm厚的級(jí)配碎石，碎石上鋪10 cm厚山砂，經(jīng)碾壓后開始做加筋土壩。

這種“換土引流”處理方案將承載力低和基礎(chǔ)排水問題一并解決，經(jīng)近10年的實(shí)際運(yùn)行，經(jīng)實(shí)際觀測(cè)無明顯變形，效果良好。

4.3 加筋(竹筋)土拱壩實(shí)施效果

加筋(竹筋)土拱壩施工完畢后，成功地解決了壩后回填高度達(dá)30多m的60多萬m3昔格達(dá)土的回填和圖書館、人工湖的修建問題，歷經(jīng)近10年的使用和觀測(cè)，壩體無明顯變形和位移。

壩體內(nèi)部排水系統(tǒng)運(yùn)行良好，人工湖滲水和地下水從浸濕線處被有效截住，并通過該排水系統(tǒng)排水至壩底附近的地下水池及運(yùn)動(dòng)場(chǎng)排水溝，壩面干燥無水浸出跡象。

灰土加(竹)筋面板，強(qiáng)度高，抗沖刷能力強(qiáng)。經(jīng)實(shí)測(cè)其強(qiáng)度均值為1.2 MPa，表面雖經(jīng)10個(gè)雨季的雨水沖刷，但無明顯沖刷痕跡。

加筋(竹筋)土拱壩與同等支護(hù)高度、長(zhǎng)度的其它支護(hù)結(jié)構(gòu)相比較，造價(jià)僅為其30%左右，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

5 結(jié)語

1)加筋(竹筋)土壩壩體剖面構(gòu)造采用了新的結(jié)構(gòu)形式，充分利用了建筑場(chǎng)地條件和弧形拱結(jié)構(gòu)優(yōu)良的力學(xué)特性，采用分階(三階)變坡、下陡(1∶0.5)上緩(1∶1)、逐階收臺(tái)的壩體結(jié)構(gòu)形式，使填土壩既能承受較大的(填)土壓力，同時(shí)具有壩體整體性好、抗變形能力強(qiáng)和良好的穩(wěn)定性能，有效解決了建設(shè)場(chǎng)地空間尺度不足的問題，經(jīng)查新該技術(shù)處于國內(nèi)先進(jìn)水平。

2)針對(duì)“昔格達(dá)土”作為填筑土存在具有親水性、吸水膨脹、脫水干裂，遇水時(shí)易崩解、分散和泥化流動(dòng)的特點(diǎn)，為解決高填方邊坡滑坡穩(wěn)定問題，在填土壩內(nèi)創(chuàng)造性地采用了柔性人工干砌毛石濾水帶構(gòu)成立體引排水體系與壩體共受力，獨(dú)特的滲水引排設(shè)計(jì)，有效地解決了該種類型高填方加筋壩的排水問題，該項(xiàng)技術(shù)經(jīng)查新屬首創(chuàng)，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

3)由“昔格達(dá)土”摻石灰(7∶3)，人工夯實(shí)填筑形成35 m高壩，壩面整體性和防水性好，與其它面板結(jié)構(gòu)處理技術(shù)相比，不設(shè)專用面板的處理技術(shù)構(gòu)造簡(jiǎn)單、方便施工、成本低，節(jié)約了工程費(fèi)用，值得推廣應(yīng)用。

［1］韓曉雷，郅彬.灰土強(qiáng)度影響因素研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2002(6):32-34.

［2］中華人民共和國建設(shè)部.GB/T 50123—1999 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，1999.

［3］李廣信.高等土力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［4］龔曉南.土力學(xué)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［5］姚仰平.土力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［6］錢鴻縉.濕陷性黃土地基［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1985.

［7］裴章勤，劉衛(wèi)東.濕陷性黃土地基處理［M］.北京:中國鐵道出版社，1992.

［8］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50330—2002 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.