土工格柵在南水北調進水閘邊墩結構中的應用

(北京翔鯤水務建設有限公司, 北京 100192)

土工格柵在南水北調進水閘邊墩結構中的應用

武雪艷

(北京翔鯤水務建設有限公司, 北京 100192)

南水北調永定河倒虹吸進口水閘位于北京市豐臺區永定河盧溝橋下游大寧庫區底副壩中間，水閘邊墩高16.8m。為防止兩側回填土對閘墩擠壓，向內變位，造成閘門啟閉困難，施工中采用了土工格柵加筋擋土墻方案。本文對加筋土的力學原理、料質要求及施工工藝進行了論述，總結了土工格柵施工中若干注意事項，為在類似的結構工程中應用土工格柵加筋土技術提供了借鑒。

土工格柵； 南水北調； 邊墩施工控制； 應用

南水北調工程是目前世界上在建的最大型水利工程，其倒虹吸進口水閘位于北京市豐臺區永定河盧溝橋下游大寧庫區底副壩中間，為4孔3.4m×3.8m帶胸墻的潛孔閘，兩孔一聯，共兩聯。倒虹吸進水閘邊墩結構高16.8m，是一座典型的擋土墻結構。根據《水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準(SDJ 217—87)》、《南水北調京石段應急供水工程(北京段)可行性報告》及審察意見，確定進水閘作為永定河倒虹吸的1級建筑物。

1 方案選擇

因水閘邊墩有16.8m高，為防止兩側回填土對閘墩擠壓，造成閘墩變形、向內變位，導致閘門在運行時難以吊起，做了兩個方案比較。一是閘墩兩側做鋼筋混凝土擋土墻；二是閘墩兩側設置加筋土擋墻。

兩個方案都能滿足抵抗土壓力，消除閘墩變形的要求。如選用混凝土結構來修建如此高的擋墻，地基處理和基礎工作量龐大，工程造價較高，工期較長，結構抗震問題也比較突出。如采用土工格柵加筋土擋墻結構則具有以下幾個方面的優點：?加筋材料成水平埋置于土中，墻體被破壞時，產生的活動區土的水平推力被穩定區土與加筋材料之間的摩擦力所平衡，整個加筋體的內部穩定性就得到保證。這種既改變受力情況，又由水平加筋材料與填土形成自身穩定的復合體的結構特點，使得加筋結構可以做成很高的擋墻；?加筋土擋土墻的施工過程是筋材鋪設、填土碾壓過程，適合機械化施工，邊角部位可以人工補齊，相互配合。此外，土工格柵易于現場裁剪，可用聚合材料繩或棒連接，也可重疊搭接，鋪設簡單。施工速度快，施工質量容易保證；?在擋墻的抗震性能等方面，加筋土擋墻以其柔性擋墻的結構形式，在北京這樣的八度抗震地區，提高了工程運行的可靠度和耐久性；?采用加筋土擋墻比傳統毛條石、混凝土支擋結構可節省工程造價達25%～30%。

經過方案比較，土工格柵加筋擋土墻經濟效益最好，決定采用加筋擋土墻方案?，F簡單介紹加筋擋土墻在進水閘施工中的應用。

2 簡要核算

2.1 力學原理

該水閘兩側回填土體在被限制側向應變的情況下，其抗壓強度(主應力ó1)將得到很大程度的提高。加筋土技術就是利用了這一原理[1]，在土體中施加與土體有摩擦和互鎖作用的加筋材料，使埋置于土體中的材料上下界面通過摩擦和互鎖作用限制土體側向位移，而給土體提供一個側壓力增量(Δó3)。側壓力增量 Δó3=Rf/Sy。(Rf為加筋材料的抗拉強度，Sy為加筋材料埋設的豎向間距)。在側壓力增量(Δó3)作用下，加筋土體被約束而處于彈性穩定狀態，使之不被拉斷和不沿筋材界面滑動，并使加筋土體產生破壞的最大主應力提高到比其未加筋時抗壓強度更高的值(ó1f)。這就相當于對普通土體而言，加筋土可承受更高的堆載，或在加筋土為邊坡的基坑中加大基坑深度。

2.2 核算

該水閘邊墩的加筋擋土墻建在大寧水庫副壩中，副壩由壓實土體填筑，開挖時放坡比例較大(約1∶1),其現狀土體基本不對加筋擋土墻產生擠推作用。因此，按照規范規定的長寬比確定斷面，只對加筋體內部穩定進行驗算[2-3]。選取以下典型斷面，簡單介紹如下。

2.2.1 抗拉驗算

假定與墻外立面成45°角的面為危險滑動面，該面上的滑動體為楔體1，對該楔體穩定進行驗算。土工格柵豎向間距，下部9.6m，內為30cm，上部為60cm。施工采用填料為砂礫料，根據巖土力學指標，摩擦角φw取為32°，容重γ取為21.1kN/m3。如圖1所示：

圖1 滑動體力多邊形圖

圖1中，Pl為臨時荷載20kPa，Py為永久荷載，料質厚度90cm。Ea為作用在滑動楔體上的主動土壓力，Z為加筋材料提供的抗拉拔力，R為達到極限穩定時作用在滑動面上的反力，G為土體的重力。φ為危險滑動面夾角，φw為摩擦角。此時，楔體穩定所需加筋材料提供的抗拉拔力Z為：

Z=Ea+(Pl+Py+G)×tan(φ-φw)

由于楔體完全在加筋體內部，此時沒有來自墻后填土的主動土壓力，所以Ea=0，則Z=(Pl+Py+G)×tan(φ-φw)=838.6kN/m。

式中G=0.5×16.8×16.8×21.1=2977.6kN/m;

Pl=20×16.8=336kN/m;

Py=0.9×16.8×21.1=319kN/m;

φ=45;

φw=32

穿過滑動面的加筋材料是44層，下部9.6m范圍，筋材間距30cm，以上7.2m范圍間距60cm。每層筋材所能提供的最大抗力是34.3kN/m,則加筋材料所提供的最大抗斷裂力是(32+12)×34.3=1509.2kN/m。也就是說，在此情況下，加筋材料不會被拉斷。安全系數=1509.2/838.6=1.8gt;1.5

2.2.2 抗拔驗算

驗算抗拔力如圖2所示。

圖2 抗拔驗算示意圖

圖2中，Ti為作用在加筋材料上下界面的摩擦力之和，C為有效周長取2，Li為埋置于穩定土體中的筋材長度，Hi為該層筋材距墻頂表面距離，α為滑動影響系數取0.9，抗滑穩定安全系數Fs取2，則

Ti=[CLi(Py+γHi)tanφw·α]/Fs

由計算結果看出，∑Ti遠大于Z，在此可能滑動面下，加筋材料不會被拔出，加筋材料布設是合適的。此外，對沿最底層格柵內部的抗滑穩定進行了驗算，滑動安全系數Fs=4.59，滑動安全系數遠大于1.5，說明加筋結構不會沿該面滑動。

3 施工控制要點

3.1 對土工格柵的要求

工程中用于加筋的筋材除滿足結構要求的基本力學指標外，還必須保證其耐久性和使用可靠性。因此選用了以高密度聚乙烯材料做成的塑料土工格柵，材料模量高，不易被酸、堿、鹽以及微生物腐蝕，分層水平鋪設在土體中，并且由于其表面網孔與土體的互鎖作用，還可使加筋效果較拉筋帶大大提高。選用的土工格柵，最大抗拉強度為155kN/m，120年應變極限強度值為34.3kN/m，連接繩抗斷裂強度大于20kN/m。

3.2 對填料的要求

填料作為加筋擋土墻的主體材料，必須易于填筑和壓實，與主筋之間有可靠的摩阻力，不應對拉筋有腐蝕性。施工技術要求為采用連續級配的砂礫料回填，最大粒徑不大于100mm，含礫量在40%～70%范圍內,小于0.25mm 粒徑含量不大于10%,相對密度不小于0.75。因閘區位于大寧副壩，附近有天然砂礫料源。本著因地制宜、節省造價的原則進行了天然砂礫料的顆粒分析試驗和最大、最小干密度試驗。試驗結果為天然砂礫料具有連續級配，含礫量為69%，小于0.25mm 粒徑含量為9.7%，基本符合回填用料要求，可以使用。

回填施工中，填筑厚度30cm一層，每層成型后試驗員立即進行試驗，加強邊角、接縫處等薄弱地段的控制，采用了灌砂法測定最大干密度。根據試驗結果查相對密度是0.75時的干密度與含礫量的關系曲線，相對密度均大于0.75，符合設計要求。

3.3 施工工藝

因閘墩擋墻對變形控制要求嚴格，豎向錯位不能超過10cm。為保證質量，對擋墻施工進行了嚴格的工序控制。

基底平整處理——鋪幅放樣——人工拉緊——連接固定——端頭錨固——鋪土工格柵——回填土料——回填料找平——回填料壓實——設計層高——循環至完成

a.填料采用砂礫料，不均勻系數為8～10，不得采用沼澤土，膨脹土，凍土，并且砂礫料中不得含有鋒利破碎刃角的碎礫石，以免傷害土工格柵。

b.按閘墩擋墻設計位置開挖基坑，砂礫料層在第四系沖洪積層的卵礫石層上，承載力為400kPa，符合要求，確認后進行基礎壓實找平。壓實后垂直閘墩鋪設第一層格柵，基礎壓實寬度與基坑開挖寬度相同，9.6m以下部分層厚不大于30cm。土工格柵加筋土擋墻與閘室邊墩間距100mm，加筋土擋墻施工完成后填筑聚苯板和卵礫石，聚苯板厚30mm，卵礫石直徑30～50mm。

c.土工格柵末端用木楔固定拉緊，填筑第一層砂料，在墻面部位碼放幾層裝滿砂礫的聚乙烯編織袋擋土，碾壓壓實后將第一層格柵反包50cm，用連接棒與上一層格柵連接，橫向綁扎連接，而后通過格柵網孔鉤住格柵的張拉梁對主加筋格柵施加張拉力，繃緊格柵之間的連接并使在其之下的結構面上的反包格柵繃緊，并用木楔固定于下層土體上。

d.碼放編織袋，繼續填土并碾壓。格柵的端部要先鋪填，中間后填。填筑過程中，嚴格控制填筑質量，保證砂礫料與土工格柵嚴密接觸，充分受力。碾壓距墻邊2m范圍內，用小型碾或蛙夯壓實，壓實相對密度Dgt;0.75。當兩層格柵間距大于等于60cm時，靠近墻面處鋪放一層SS20雙向格柵作為次加筋，沿主筋材鋪設方向的長度不小于2m。機械填土時車輪與筋材之間的土層厚度大于15cm，防止筋材受損。

e.當填土至鋪設次加筋格柵高度時，將次加筋格柵攤鋪在壓實填土上。每隔五個格柵網孔用HDPE繩子螺旋式地將之與反包格柵捆綁在一起。拉緊固定，繼續填土至下一主加筋層。

f.裁剪出下一層加筋土工格柵，按規定位置鋪設。在保持張拉格柵的同時，在格柵上填鋪一層填土，以保證張拉設備移去后格柵不會回縮。釋放張拉力并移去張拉梁。重復以上步聚直至完成符合設計要求的全部填土施工。

g.最頂層土工格柵留足夠長并埋在填土面下(不小于5m)，保證填土可提供足夠約束力以永久性地錨固格柵。填筑過程中，閘室兩側土工格柵施工，要均勻對稱，防止高差過大，對結構產生影響。

3.4 施工注意事項

在進行土工格柵加筋擋墻施工時，還須注意以下幾點：

a.布筋方向。合理的布筋方向才能起到加筋作用。一定將土工格柵布置在張拉區，筋材長度方向與主張拉應變方向一致。非滑動面的筋材長度符合設計要求，不要減小受力長度。

b.鋪設土工格柵。鋪設的關鍵是保證土工格柵的連續性和整體性，根據層厚和土工格柵尺寸進行預鋪，減少接縫數量。土工格柵沿縱向連接時，錯縫連接，避免接縫在一個垂直面內。在搭接處避免受力，以防移動，一定要平整堅實，受力良好。土工格柵要松緊適度，避免過量拉伸超過其強度和變形極限而發生破壞、撕裂或局部頂破。土工格柵鋪設后，立即進行覆土，防止陽光直接照射，引起材料變形。

c.端部處理。土工格柵端部必須錨固牢靠，發揮其抗拉強度，錨固越牢，承載力提高越多，地基中的應力越均勻。因此端部的砂礫料袋碼放很關鍵。料袋要裝料適當，碼放整齊，保證袋子底部與格柵密貼，如不密貼，要鋪設適量粗砂。端部的固定要靠折起鋪設長度保證，長度根據袋子寬度決定，不小于50cm，增強其握裹力，保證使用期間不被拔出。

d.回填砂礫料。因場地狹窄，沒有采用大型機械攤鋪，采用人工配合小型機械運料。這樣可以避免破壞土工格柵，造成下層填料受力不勻，降低工程耐久性。填料不許直接卸在格柵上，必須卸在已攤鋪完的填料面上，以免壓力過大造成沉陷。填料及壓實順序從兩端向中間攤鋪壓實，利用填料壓實順序使格柵受力。每層均勻控制，表面用機械或人工找平清理，局部高差要小于2cm，壓實采用靜壓。

4 結 語

閘室邊墩加筋擋土墻填筑完成后，一年后觀測，閘墩擋墻的側向變位不到3mm，加筋土的沉降量不到5mm，符合設計要求。通過工程實例表明，土工格柵加筋土擋墻提高了承載力，減小了回填土體水平位移量和豎向沉降量，有效地克服了土體整體性及連續性差的缺陷。此外，還縮短了1個月工期，降低造價約40萬元。因此，加筋土結構具有造價低廉、施工簡便快速、節省占地以及結構可靠、抗震性好、抗腐蝕等顯著特點，使其在類似的建筑工程中具用廣泛的應用前景?！?/p>

[1] 江正榮. 基與基礎施工手冊[M]. 北京:中國建筑工業出版社,1997: 329.

[2] SL/T 225—98 水利水電工程土工合成材料應用技術規范[S].

[3] GB 50290—98土工合成材料應用技術規范[S].

Application of Geogrid in South-to-North Water Diversion Intake Gate Side Pier Structure

WU Xue-yan

(BeijingXiangkunWaterworksConstructionCo.,Ltd.,Beijing100192,China)

South-to-North Water Diversion Yongding River Inverted Siphon intake gate is located in the middle of auxiliary dam on the bottem of the Daning Reservoir area, Downstream Part of Lugou Bridge, Yongding River, Fengtai District, Beijing. The height of the side pier of the gate is 16.8m. Geogrid reinforced retaining wall program is adopted in construction in order to prevent gate piers from squeezing effect of backfilling soil on both side, thereby causing inward deformation and difficult gate opening and closing. Reinforced soil mechanical principles, material quality requirements and construction techniques are discussed in the paper, several precautions in geogrid construction are summarized, thereby providing references for applying geogrid reinforced soil technology in similar structure projects.

geogrid; South-to-North Water Diversion; side pier construction control; application

TV39

A

1005-4774(2014)06-0015-04