加筋土挡墙在永定河倒虹吸工程中的应用

1、加筋土挡墙在永定河倒虹吸工程中的应用1) 工程概况永定河倒虹吸进水闸位于大宁水库副坝下游，布置在大宁调压池北侧。进水闸为4孔3.4m3.8m(宽高)带胸墙的潜孔闸；平行进水闸东侧布置有退水闸，退水闸为1孔2.73.0 m带胸墙的潜孔闸。两闸间距4.5m，中间以分流墙相隔，见图1。2） 工程设计方案进水闸采用潜孔平板闸门，固定卷扬启闭机。闸墩顶布置工作桥及启闭机房，考虑闸室与大宁水库副坝相连，为便于闸门及启闭机等设备安装和检修，设计闸墩墩顶高程与现状大宁水库副坝坝顶高程63.00m齐平。在闸室与大宁水库副坝间，均回填至闸顶高程63.00m，形成平台。平台上修建倒虹吸进水闸、退水闸及大宁调压池的管

2、理用房；将闸房与管理用房及设备用房统一布置。平台处较为宽阔的场地有利于场地及交通布置。土工格栅挡墙为近些年开始进入国内的一种新型挡墙结构。它利用格栅与土颗粒的咬合及摩擦作用，使土体与格栅形成一整体结构，自身达到稳定状态。边墩后采用加筋土挡墙结构则具有节省墙面板、免受水流冲刷影响、可以提高整体稳定性等方面的优点。在反复比较了加筋土挡墙应用的优缺点后，决定在本工程中采用加筋土挡墙技术修建水闸闸室边墩外岸墙，并用之填筑闸室中墩间的空隙。3） 加筋土挡墙计算31 力学作用原理众所周知，土体在被限制侧向应变的情况下，其抗压强度(主应力1)将得到很大程度的提高。加筋土技术就是利用了这一原理，在土体中施加与

3、土体有摩擦和互锁作用的加筋材料，使埋置于土体中的材料上下界面通过摩擦和互锁作用限制土体侧向位移，从而给土体提供一个侧压力增量(3)。侧压力增量3 =Rf/Sy(Rf为加筋材料的抗拉强度，Sy 为加筋材料埋设的竖向问距)。在侧压力增量3 作用下，加筋土体被约束而处于弹性稳定状态，只要所使用的筋材有足够的抗拉强度和摩阻力，使之不被拉断和不沿筋材界面滑动，则使加筋土体产生破坏的最大主应力将提高到比其未加筋时抗压强度更高的值(1f)。这就相当于对普通土体而言，加筋土可承受更高的堆载(加筋结构相对于未加筋结构可修建的更高)，或在加筋土为边坡的基坑中加大基坑深度(普通基坑无法达到的深度)。从图2，图3中可

4、比较清晰地看出，加筋土结构破坏载荷明显高于未加筋结构。图3中Kfs为土体的强度包络线，圆I为自然土体的静止状态，对应于图2(a)，圆II为自然土体主动极限平衡状态，对应于图2(b)，圆III为加筋土体的极限平衡状态，对应于图2(c)。3.2 计算方法加筋土挡墙按极限平衡理论进行设计，计算的方法归纳起来主要有两种：一种是锚固楔体法，另一种称作双楔体法。对于不同的稳定条件(如抗滑稳定及抗倾覆稳定等)，不同的设计方法用于推导公式的假设不同。尽管如此，所有的设计计算都包括以下两部分。外部整体稳定计算：将加筋土体当作是重力式挡墙，考虑其整体稳定性，从而确定所需的加筋材料长度。内部稳定计算：考虑加筋土体内

5、部的稳定性，从而确定所需的加筋材料强度及其相互之间的垂直间距。不同的设计方法中采用不同的条件及假设，对于外部稳定分析，见图4。影响外部稳定分析结果的主要假设如图4所示。在进行外部稳定计算时锚固楔体法与双楔体法之间没有根本上的区别见图5，但是不同设计方法中采用的不同假设会影响加筋材料的长度。在进行内部稳定分析计算时，锚固楔体法假设一种失稳可能(经统计分析得出的最不利滑动面)，计算加筋土体内的水平土压力及其分布，即主动土压力(如朗肯土压力)。换句话说，用锚固楔体法进行设计时，假定土体内不存在加筋材料计算水平土压力，然后再考虑引入加筋材料来抵抗或承担这部分土压力。在双楔体法中，假设加筋体存在大量失稳

6、可能，在考虑由加筋材料提供抗失稳力的同时进行结构内部稳定分析。这些失稳可能包括与加筋材料相交的可能滑动楔体族、加筋材料层之间的可能滑动倾斜面及沿加筋材料面的可能滑动面。采用这种方法进行设计时，由于对多种可能破坏的滑动面进行了验算并且这种方法不受单一失稳假设的限制，因此这种方法更接近实际情况。锚固楔体法也称DEMO法，由美国联邦公路协会(FHWA)提出，由于便于计算，我国的加筋土挡墙设计规范中引用了此项方法。双楔体法由德国建筑技术研究所(DIBT)提出，因此也称DIBT法，这一厅法多在欧洲及英属联邦国家使用。永定河倒虹吸进口水闸挡墙设计先采用DIBT法进行初步设计，再利用国内土工合成材料应用技术

7、规范(GB5029098)和水利水电工程土工合成材料应用技术规范(SL/T22598)进行计算验证。经DIBT法计算闸边墩后采用单向格栅为56层，格栅间距300 mm，长20 m。即穿过滑动面的加筋材料是56层，每层筋材所能提供的最大抗力是34.3 kN/m，则加筋材料所提供的最大抗断裂力是5634.3=1920.8kN/m。也就是说，在此情况下，加筋材料不会被拉断。3.3 挡墙稳定计算3.3.1 计算工况设计工况：挡墙完建期，墙后回填土；校核工况：挡墙正常运用，遭遇地震3.3.2 筋材抗拉强度计算计算公式Timax=37.66 kN/m 对应的Ta=150.64 kN/m由计算结果可得筋材受

8、拉强度小于允许抗拉强度，可以满足要求。3.3.3 筋材抗拔稳定计算计算公式 式中： Fs一筋材抗拔稳定安全系数；Fs一允许筋材抗拔稳定安全系数；Fs =Tpi/ Ti ；Tpi筋材抗拔力； Ti一筋材承受的水平拉力。计算成果见表1。3.3.4 抗滑稳定计算计算公式式中：一抗滑稳定安全系数；一允许的抗滑稳定安全系数，见表1。计算结果见表1。以上结果显示，设计加筋土挡墙抗拔稳定及抗滑稳定计算满足要求，结构是安全的。4） 施工技术要求土工格栅加筋土挡墙与闸室边墩间距100mm，加筋土挡墙施工完成后填筑聚苯板和卵砾石，聚苯板厚50mm，卵砾石直径3050mm。聚苯板应在每层加筋土的填筑后分层放置。加筋

9、土挡墙施工应在边孔闸室施工完成后进行。由于该挡墙结构对变形控制要求比较严格，因此挡墙施工时要按以下要求进行。挡墙设计位置开挖基坑，基础压实后铺设第一层格栅，基础压实宽度与基坑开挖宽度相同。格栅末端用木楔固定拉紧，填筑第一层砂料，在墙面部位码放一层装满砂砾的聚乙烯编织袋挡土，碾压压实后将第一层格栅反包。 反包50cm格栅，用连接棒与上一层格栅交叉穿孔连接，而后采用张拉梁绷紧，并用木楔固定于下层土体上。依次码放编织袋，填土并碾压，重复步骤2、3直至设计高程。碾压要求同一般碾压规范要求，距墙边2 m范围内，用小型碾或蛙夯压实，压实相对密度D0.7。(当两层格栅间距大于等于600 mm时，按要求在靠近

10、墙面的填土中铺放1层SS20双向格栅作为次加筋，SS20沿主筋材铺设方向的长度应不小于2m)，机械填土时车轮与筋材间距应大于15 cm。当填土至铺设次加筋格栅高度时，将次加筋格栅摊铺在压实填土上。在靠近加筋墙的外侧每隔五个格栅网孔用HDPE绳子螺旋式地将SS20与反包的主加筋格栅捆绑在一起。拉紧捆绳，并将它固定后，继续填土至下一主加筋层。连接绳抗断裂强度应不小于2O kN/m，炭黑含量大于等于2%。用穿过格栅网孔而钩住格栅的张拉梁对主加筋格栅施加张拉力，绷紧格栅之间的连接并使在其之下的结构面上的反包格栅绷紧。在保持张拉格栅的同时，在格栅上填铺一层填土，以保证张拉设备移去后格栅不会回缩。释放张拉

11、力并移去张拉梁。重复以上步聚直至完成符合设计要求的全部填土施工。最顶层土工格栅应足够长(并不小于5.0 m)埋在填土面下，保证填土可提供足够的约束力以永久性地锚固格栅。5） 质量检测永定河倒虹吸进水闸边墩背水面不同填土高度位置分别埋设土压力计，用于测定作用于结构边墩的侧向土压力。各断面土压力监测结果见图1及表2所示。为了便于比较加筋土挡墙的作用，本工程箱涵段土方回填都直接采用回填土填筑，在一段埋深约14 m的钢筋混凝土箱涵(DY2+020断面)侧墙外也分别在上、下不同高度位置埋置了土压力计，其回填材料及回填标准与进水闸相同。施工后监测结果见表3及图2所示。现就施工后监测结果分析讨论如下。 极限

12、土压力及其发生条件。土压力设计荷载是基于朗肯和库伦土压力理论，并以最不利条件下的极限土压力作为设计荷载标准值。极限土压力计算见表4。表4中给出了各种极限平衡状态下的土压力系数(即Ko、Ka、Kp )，通常用于计算极限土压力设计荷载的的标准值。实际上，极限土压力只是在特定的极限平衡条件下发生的。一般认为。极限土压力发生的条件与墙体结构形式、相对位移、地基条件、填土种类、填土密实度等因素有关。上式表明，即使同类土质，在各种不同极限平衡状态下，其极限土压力也会有较大的差别。又由于实际上土压力并非始终处于极限状态，因而在各种不同状态下(含非极限状态)产生的土压力将会有更大的差别，并随土体的状态变化而变

13、化。 实测土压力与极限土压力。实测土压力与极限土压力计算结果见表5。对于侧向土压力，表5给出三种极限平衡状态下侧向土压力的计算值。水工建筑物设计荷载一般只采用主动土压力( Pa )或静止土压力( Po )，发生被动土压力( Pp )的可能性较小。从观测结果可以看出，各测点侧向土压力测值都远小于被动土压力Pp 。一般认为，在接触土压力观测中，因混凝土底板的隔离作用，位于刚性界面以下的土压计测值偏低，是土压力观测中常见的异常现象。但是比较直接采用回填土回填的箱涵和采用加筋土回填的进水闸边墩的侧向土压力，可以看出埋深相差不多的E21与C32比较，箱涵断面的侧土压力已经超过主动土压力值并略大于静止土压力，而进水闸边墩侧土压力初期实测值还小于计算主动土压力；进水闸边墩17 m覆土的监测点只相当于箱涵13 m覆土的监测点的水平侧土压力的不到40% 。加入了加筋土的回填土对降低侧土压力的作用非常明显。6） 效果评价永定河倒虹吸进水闸采用加筋土挡墙结构，先采用国外公司的计算程序初步算出筋材铺设的长度和间距，再通过我国国家标准规范进行墙体内部和整体稳定计算。提出加筋土挡墙设计方案和施工技术要求。实施时严格控制筋材质量，各项指标满足设计要求