淺談加筋擋土墻防洪堤的設計

郭軍輝

【摘 要】某加筋擋土墻防洪堤工程的設計和建設，是加筋土技術應用于水利工程的一個成功典范，具有顯著的經濟效益。本文闡述了加筋土技術應用于水利工程的特點和設計要點，旨在為加筋土這種新技術在水利工程上的推廣和應用起到積極的推動作用。

【關鍵詞】防洪堤設計；水利工程特點；加筋土技術應用；經濟效益顯著

【Abstract】Design and construction of a retaining wall reinforced levees engineering， is a successful example of reinforced soil technology in water conservancy projects， has significant economic benefits. This paper describes the features and design elements of reinforced earth technology for water conservancy projects， designed to reinforced earth promotion and application of this new technology on water conservancy projects play a positive role in promoting.

【Key words】Levees design；Hydraulic engineering characteristics；Reinforced earth technology；Significant economic benefits

1. 工程慨況

某防洪工程主要建筑物為防洪堤。防洪堤作了漿砌石重力式防洪堤和加筋擋土墻防洪堤兩種堤型方案的經濟比較。 經過比較，漿砌石重力式防洪堤直接工程投資為6097萬元，而加筋土防洪堤為3084萬元，其工程造價比傳統的漿砌石重力式防洪堤節約49.4%。可見，采用加筋擋土墻防洪堤，可以大大節省工程投資。因此，我們采用加筋擋土墻作為防洪工程的防洪堤型。

2. 地質條件

2.1 防洪工程地貌類型以中山和低山丘陵河谷盆地為主。出露的地層主要有前震旦系板溪群清水江組灰綠色層狀娟云母板巖及粉砂質板巖，上白堊系紅色礫石泥巖，第四系殘坡積和沖洪積層，與工程密切相關的是第四系的砂質土層和砂礫石層。

2.2 工程區主要為砂質土層及砂礫石層。砂質土層厚2～6m，承載力[R]=150～180Kpa，抗剪強度f=0.25、C=10 Kpa，滲透系數K=10-3～10-4cm/s；砂礫石層厚度8.5～12.5m，承載力[R]=250Kpa，抗剪強度f=0.35、C=0， 滲透系數K=10-1～10-2cm/s。防洪堤基礎建于稍密實的砂質土層及砂礫石層上。

2.3 由于砂質土層及砂礫石層透水性較強，將會產生以下不良的工程地質問題：

（1）滲透變形影響地基穩定。在洪水位情況下，水流沿基礎下部產生繞滲，應研究地基產生潛蝕管涌破壞問題。

（2）洪水期間沿基礎下部產生的繞滲，將使防洪堤內較低洼地帶出現內澇。

（3）加筋擋土墻較高時，支撐面板的基礎座于軟基上，須解決基礎承載力不足的問題。

（4）防洪堤基礎置于砂質土層及砂礫石層上，各段性狀不均，壓縮變形較大，須防止地基不均勻沉降對墻體的影響。

（5）須防止洪水對砂質土層、砂礫石層堤基迎水面的沖刷（掏空）導致墻體破壞。

上述問題是加筋土擋墻防洪堤設計上的最主要特點，這些特點限制了加筋擋土墻這種新結構、新技術在水利工程上的應用。

3. 加筋擋土墻防洪堤設計

3.1 設計特點。

3.1.1 加筋土擋墻這種新結構、新技術，具有十分顯著的技術經濟效益。它與傳統的砌石、混凝土材料擋墻相比可節約工程造價20%～50%，可就地取材、施工快速、工藝簡單、外形美觀、基礎地質條件適應性強，被國內外專家認為是支擋結構的一場革命，被譽為“是土木工程中繼發明混凝土和鋼筋混凝土后最重大的發明”。廣泛應用于公路、鐵路等建筑行業，具體應用于擋土墻和路堤等建筑物。水利建筑行業則應用較少，而應用于擋水的防洪堤則是少之又少了。加筋土擋墻由面板、拉筋和填土組成。其主要結構包括：C25鋼筋砼預制面板，厚14～18cm，面板外形可為矩形、正六邊形，面板間可相互拼接，外觀漂亮，結構牢固。面板后采用CAT鋼塑復合筋帶拉固，筋帶從面板預埋拉環或預留孔中穿過，折回另一端對齊，成扇幅狀鋪設在壓實整平的填料土中，依靠筋帶與碾壓回填料間摩擦阻力作用維持擋土墻的結構平衡。填料主要采用砂類土、礫碎石土。水利工程上宜采用砂礫（卵）石作填料。

3.1.2 由于水利工程有其自身的特點，加筋土擋墻應用于防洪堤時也有其不同于單純作為擋土墻或路堤等建筑物時的特點。把加筋土擋墻設計為防洪堤時，由于防洪堤的主要作用是“擋水”，因此必須考慮水流對加筋土防洪堤擋墻的各種影響，主要表現在：（1）防洪堤在外水壓力作用下的穩定，（2） 洪水沿堤身滲透的滲透穩定。

（3）加筋土防洪堤置于土基或砂礫石基礎上時，洪水期間，在洪水位作用下，水流沿基礎下部產生繞滲、潛蝕管涌破壞問題和迎水面堤基的沖刷問題以及墻體較高時地基承載力不足的問題。（4）在堤身構造上還需要設置排水反濾措施以便將洪水期間滲入堤身的滲水迅速排出堤外，以免危及堤身安全。這些即是加筋土擋墻應用于防洪工程的主要設計特點。因此，除了加筋土擋墻結構自身的設計特點外，“水”對加筋土擋墻的各種影響也就成了設計要點。能否解決這些技術問題是加筋土擋墻能否應用于防洪工程的關鍵，這也是加筋土擋墻很少應用于水利工程的主要原因。

3.2 斷面結構型式和構造。

（1）由于設計上的一些特點，使得加筋擋土墻防洪堤的斷面結構型式不同于常規。加筋擋土墻防洪堤修建于平坦寬闊的河灘地，除了由基礎、面板、拉筋、填料、帽石等組成的“筋帶區”垂直體外，由于堤背無物可依，須回填一定坡度的填料護坡——“非筋帶區”三角體，堤背的坡度根據滲透穩定以及邊坡穩定計算確定。這與傳統土石壩的梯形斷面形狀相似，只不過擋水面的緩坡變為垂直坡而已。因此，加筋擋土墻防洪堤的斷面結構分為兩個部分：擋水面的“筋帶區”垂直體和背水面的“非筋帶區”三角體。擋水面的“筋帶區”垂直體是常規的加筋土擋墻結構，背水面的“非筋帶區”三角體則為水利工程上常見的土體邊坡結構。兩部分有機結合在一起，共同組成了一個路堤結合的防洪堤，既可以擋水防洪，又可以在墻頂面形成通車路面。

（2）加筋土防洪堤最大高度11.65m（含基礎及超高）。為滿足堤頂行車需要，設計堤頂寬7m，凈寬6.4m，墻頂設C15砼防浪墻，高0.5m，兼作路面防護欄墩。C25鋼筋砼預制矩形面板厚18cm，尺寸為500×1000或500×500（mm）。面板后并設有30cm厚的碎石反濾層以便安全的排出洪水期間滲入堤內的洪水。設計CAT30020B鋼塑復合拉筋帶長度6.5m、寬度0.3m，堤身用砂礫石料分層回填碾壓，堤背采用1：2的邊坡，并用塊石護砌。為防止發生滲流管涌，確保堤身安全穩定，坡腳設排水棱體，高度1.0～2.0m，頂寬1.0m，兩側邊坡為1∶1。并于坡腳設置排水溝（400×300mm2）以便及時將堤身滲水排走。擋水面板基礎下設C15砼承臺梁，底寬1.6m，高1.6m，為矩形結構。

（3）設計計算。加筋擋土墻防洪堤的設計計算除了根據《公路加筋土工程設計規范》（JTJ015-91），進行外部穩定分析計算和內部穩定分析計算外，由于加筋擋土墻防洪堤填料大多為中低液限礫類土、砂類土、砂礫石土等具有滲透性的材料，因此還需要進行滲透穩定分析計算。

3.2.1 加筋擋土墻防洪堤內部穩定計算。加筋擋土墻防洪堤內部穩定計算主要是確定筋床填料的壓實密度和計算支撐擋水面板的鋼塑復合筋帶所受的拉力，目的是確定筋帶型號、斷面長度及數量（一般按局部平衡法計算），以滿足加筋土的內部穩定，其實質也就是筋帶的抗拉（抗拔）穩定。

3.2.2 加筋擋土墻防洪堤外部穩定計算。加筋擋土墻防洪堤外部穩定計算包括加筋土的抗滑穩定、抗傾穩定、整體穩定和地基應力計算。加筋土防洪堤外部穩定計算時須考慮水荷載的作用。因此，加筋擋土墻防洪堤的外部穩定計算必須考慮兩種最不利的設計工況（荷載組合），一種是墻前無水壓力，墻后堤背填土壓力情況，一種是墻前有水壓力情況。通過對兩種設計工況的計算以確定加筋擋土墻防洪堤外部穩定計算的控制工況。

3.2.3 加筋擋土墻防洪堤的滲透穩定計算。加筋擋土墻防洪堤的滲透穩定計算則是在水壓力作用下，計算加筋擋土墻防洪堤的滲透穩定（可以參照土石壩設計規范中滲透穩定的計算方法）。另外還須對水的滲透量進行計算，以確定洪水期間，堤后滲透量的大小，相應采取抽排措施。

（1）通過對加筋擋土墻防洪堤的具體計算，其外部穩定和內部穩定計算均滿足有關設計規范的要求，并通過滲透穩定計算確定堤背回填區邊坡為1：2。須特別說明的是，在進行加筋土防洪堤結構外部穩定的地基應力計算時，由于砂質土層地基承載力（[R]=150～180Kpa）較小，如僅僅靠內部穩定計算中確定的筋帶區的面積不足以提供必須的承載力，因此我們將最下部的4層筋帶延長至堤背，這樣筋帶區的面積擴大至整個基底寬度，擴大了2～3倍，從而有效的解決了地基承載力不足的問題，同時也增強了基礎的滲透穩定。

（2）這樣，通過上述的設計計算，并經過進一步的基礎處理以及構造設計我們就可以解決上面提及的由于砂質土層及砂礫石層的強透水性產生的不良工程地質問題以及加筋擋土墻應用于水利上的防洪工程時所遇到的特有問題。解決了這些問題，在水利工程上應用加筋土技術也就不存在困難和技術問題。這對加筋土技術的推廣是有很重要意義的。

3.3 基礎處理。

（1）加筋擋土墻防洪堤的基礎包括兩個部分：面板基礎部分和筋帶區部分。前面已提及，防洪工程區主要為砂質土層及砂礫石層，因此加筋擋土墻防洪堤基礎主要置于稍密實的砂質土層及砂礫石層上。筋帶區部分基礎埋深1.6～2.0m，首先清除原地表0.6～1.0m厚的淤泥、腐質土以及垃圾、廢料后，再深挖1.0m至中密實以上的砂質土層及砂礫石層，并碾壓回填1.0m厚的砂礫石，整平壓實。面板部分基礎埋深2.2～2.6m，基礎設置在稍密至中密狀砂卵（礫）石層或砂質土層上，下設C15砼承臺梁，底寬1.6m，高1.6m，為矩形結構。臨水面用大石塊回填，以防洪水沖刷淘蝕堤腳。

（2）對置于砂質土層上的面板基礎，設計上加設了兩排直徑0.15～0.2m、長度3.0～4.0m，插入砂礫石層的木樁，以防止基礎出現較大的沉降，也是增加安全性的一種措施。

（3）由于防洪堤基礎各段地質性狀不一，為防止基礎不均勻沉降，防洪堤須設置沉降逢，間距為10m，基礎地質性狀變化處，還須增設。沉降逢處敷設寬度為0.6m的復合土工布，以起到反濾的作用。

3.4 施工及施工情況。

3.4.1 加筋擋土墻防洪堤的施工分為以下幾個主要部分： （1）基礎工程、（2）面板的制作與安裝、（3）筋帶鋪設、（4）填料的采集、攤鋪、壓實、（5）防水、排水和其它工程。

3.4.2 施工時，基礎采用機械開挖，砼面板采用預制，面板安裝用人工或機械吊裝就位。堤身采用碾壓機械分層碾壓，分層厚度為0.5m。筋帶為人工鋪設。填料就近于河灘及河床中機械采集。

3.4.3 各部分詳細施工方法和質量控制等內容可參見《公路加筋土施工技術規范》（JTJ035-91），本文不再繁述。

3.4.4 實際在施工開挖過程中，基礎開挖至設計砂質土層高程后，再往下開挖2.0～3.0m左右即可達至較密實的砂礫石層，由于使用機械化開挖較為容易，施工現場處理時即采取了取消木樁，開挖至砂礫石層的措施。雖然工程量稍為增大，但卻使整個防洪堤基礎均置于密實的砂礫石層上，從而更好地確保了防洪堤基礎的安全穩定。

3.4.5 另外，通過現場碾壓實驗發現，堤身砂礫石填料壓實后的滲透系數達到了K=10-3cm/s量級，比設計時的K=10-2cm/s量級減少了10倍，從而增加了滲透穩定的安全性，也大大減少了堤身的滲透量。

3.4.6 由于采用機械化施工、且工藝簡單，因此施工速度較快，施工期大為縮短， 目前，僅經過一年的施工，加筋擋土墻防洪堤已基本建設完畢。由于施工單位的施工技術較為成熟和熟練，整個防洪工程的施工較好的體現了設計的意圖，同時也較好的達到了設計的要求。

4. 結語

4.1 將加筋土擋墻技術應用于水利工程的防洪堤擋水建筑物，當可以就近采用大量天然砂礫石填料時，這種堤型結構可以大大節約工程投資，而且施工簡單、快速，大大縮短施工工期，具有十分顯著的經濟效益。

4.2 加筋土技術應用于水利工程應根據水利工程的特點和工程區的地質、地形條件等具體情況進行相應的設計計算和斷面型式設計、構造設計，以滿足水利工程自身的特點和要求。這樣，加筋土技術就可以成功應用于水利工程。

4.3 加筋擋土墻防洪堤結構，可以設計成為路堤結合的型式，不僅起到防洪的作用，同時也是城市濱河道路的建設工程，可實現一舉兩得的建設效果。

4.4 加筋擋土墻防洪堤的設計和建設，是加筋土技術應用于水利工程一個成功典范。希望本工程能夠為加筋土技術應用于水利工程起到積極的推動作用。

[文章編號]1619-2737（2015）12-08-610