加筋土挡土墙在沙河马湾拦河闸加固工程中的应用

□程昌奇 □程昌建(河南省水利第二工程局)

一、工程概况

马湾拦河闸位于淮河流域沙河上游的漯河市舞阳县马湾村附近，始建于1959年，7孔，单孔净宽10.0m，闸室总宽84.1m，设计流量2850m3/s。马湾拦河闸维修加固工程是治淮骨干工程，2007年10月开工，维修加固方案为：闸底板、上游铺盖和下游消能设施保留，底板以上拆除重建。

二、施工中存在的问题

闸基与左岸翼墙置于地质报告所述第②层低液限粘土及第③层级配不良砂中，第③层级配不良砂上下游连通，中等～强透水性。原施工图设计上、下游翼墙均为扶壁式，若按原图进行开挖，就会出现管涌～流砂，危及闸室安全。若保留原翼墙基础，则扶臂式翼墙一部分建在原基础上，另一部分建在回填土上，将会产生不均匀沉降，导致钢筋混凝土翼墙位移和开裂问题。

三、处理措施

（一）处理方案

鉴于上下游翼墙存在的问题，发包人于2008年1月10日组织了有关专家共同研究，设计变更将上下游翼墙改为加筋土挡土墙。加筋土挡土墙由填料、在填料中布置的拉筋以及C25钢筋混凝土墙面板三部分组成。

（二）处理范围

拆除闸室上游两侧圆弧半径为20.0m弧长16.18m的重力式浆砌石翼墙；按原结构分缝，闸室下游左侧翼墙拆除16m，右侧翼墙拆除12m，原施工图翼墙均采用扶臂式钢筋混凝土结构恢复，现改为加筋土挡土墙。

（三）加筋土挡土墙设计

根据国内同类工程经验和有关参考资料，本工程加筋体的横断面采用矩形断面，即拉筋长度在加筋体内相同，筋材采用土工格栅，根据土体的破裂面位置（破坏角按45°+Ф/2），初步确定拉筋长度为10.7m，面板采用0.8m厚C25钢筋混凝土结构，上游翼墙面板高10.2m，基础宽1.8m，基础高0.8m，加筋土高8.2m；下游面板高10.07m，基础宽1.8m，基础高0.63m，加筋土高8.47m。面板采用整体式现浇C25钢筋混凝土结构，基础位于原翼墙钢筋混凝土前趾的顶部，面板后设一道装满砂的砂袋，砂袋用土工格栅包裹，土工格栅与混凝土面板和砂袋之间用棒连接的方式进行连接。

（四）加筋土挡土墙稳定性验算

加筋土挡土墙的稳定性验算分外部稳定性验算和内部稳定性验算。

1.外部稳定性验算

加筋土挡土墙外部稳定性验算采用重力式挡土墙的稳定计算方法进行验算，墙背土压力按郎肯土压力理论公式进行计算。

挡土墙稳定计算考虑以下三种工况：一是完工期：挡土墙建成使用，墙前墙后无水；二是设计工况：上游翼墙墙前为上游河道设计水位69.03m，下游翼墙墙前水位为67.47m。墙后水位与墙前相同；三是洪水骤降工况：上游按墙后正常水位65.92m，墙前水位闸底板驼峰堰顶高程61.12m；下游墙前洪水骤降至底板，翼墙前后水位差按2m（即翼墙最下排排水孔位置）计算。

根据地质报告成果，基础容许承载力标准值为130kPa；加筋土与地基的摩擦系数取f=0.33，墙后填土c=0kPa，综合内摩擦角Ф=26°。依据规范要求计算荷载组合包括基本荷载组合和特殊荷载组合，挡土墙稳定计算工况荷载组合见表1。

表1 上、下游翼墙荷载组合表

挡土墙稳定计算按《水闸设计规范》SL265-2001中有关公式。抗滑稳定计算采用抗剪计算公式：

式中：Kc为计算的抗滑稳定安全系数；f为基础底面与地基之间抗剪摩擦系数；∑W为作用于基础底面以上的全部竖向力之和（KN）；∑P为作用于基础底面以上的全部水平向荷载。

翼墙基底压应力采用材力学计算公式：

式中：Pmax、Pmin为基础底面的最大值和最小值（kPa）；∑G为竖向力之和（kN）；A为基础底面的面积（m2）；B为底板顺水流方向的宽度（m）；e为合力矩底板中心点的偏心距（m）。

根据以上计算公式和计算参数，上下游加筋挡土墙的整体稳定计算成果见表2、表3。

表2 上游加筋土翼墙稳定计算成果表

表3 下游加筋土翼墙稳定计算成果表

《水闸设计规范》SL265-2001规定：对2级建筑物，基本组合时，抗滑安全系数允许值1.30，特殊组合时，抗滑安全系数允许值为1.15，抗倾安全系数允许值为1.50。从上表可以看出，各工况下加筋挡土墙抗倾抗滑安全系数均满足规范要求。各种工况情况下，挡土墙基底平均压应力均小于地基允许承载力设计值，且最大应力小于允许承载力的1.2倍。

2.内部稳定安全验算

内部稳定安全验算包括筋材强度验算和抗拔稳定验算。

根据《土工合成材料应用技术规范》（GB50290-98），计算得每层土工格栅的容许抗拉力Ta与计算水平拉力Ti的比值在8.38～1.05，均＞1，说明土工格栅的间距和强度满足要求。

筋材抗拔稳定性验算：筋材抗拔力Tpi按下式计算

式中：σVi为筋材上的有效法向应力，kPa；f为筋材与土的摩擦系数；Lei为筋材的有效长度，按破裂面以外的长度确定，m；B为筋材宽度，m。

筋材的抗拔稳定安全系数：

式中：Ti为每层土工格栅单位墙长所受的水平拉力；Tpi为筋材抗拔力。

第i层筋材长度Li按下式计算：

式中：L0i为第i层筋材滑动面以内长度（m）；Lwi为第i层筋端部包裹土体所需要的长度，或筋材与墙面连接所需长度（m）；取2.8m。

计算各层土工格栅抗拔稳定性安全系数在4.33～23.02之间，均＞1.3，满足《土工合成材料应用技术规范》（GB50290-98）规定要求。

四、加筋土挡土墙施工要求

根据设计，左右岸翼墙采用土工格栅加筋土挡土墙结构，处理范围：宽10.7m，长约60m，深度8m左右。

施工时，先进行C25钢筋混凝土面板浇注，可分层实施，其内侧设蛇皮袋装粗砂，蛇皮袋绑扎，并用土工格栅反包；后进行土工格栅土方回填，土料采用附近重粉质壤土，压实度系数达0.95以上，每0.5m厚铺设一层土工格栅。回填时，靠近袋装粗砂部位应采用蛙式夯或手扶振动碾压实，大面积可采用拖拉机压实；加筋土外侧设三道0.5m×0.5m排水粗砂带，排水粗砂带引到下游翼墙排水口，排水砂带出口用0.8m×0.8m土工布（300g/m2）包裹。

五、工程投资对比及工程效果

马湾拦河闸上下游加筋土翼墙工程概算采用发改委批复价格进行计算，建筑工程概算92.91万元。原施工图该部分工程投资128.32万元。实施工程减少投资35.41万元，经济对比效果明显。

2008年5月22日上下游翼墙全部完工，2008年6月24日通过了水利部淮委、河南省水利厅有关专家领导参加了该分部工程的验收，截至2009年5月底，经过一年的运行观测，马湾拦河闸钢筋混凝土面板加筋土挡土墙建成后没有发生明显水平与垂直位移，这一工程措施适应变形能力强，施工方便，既解决了本工程的复杂地基问题，还节约了投资，工程效果明显。