大厚度组合模块墙面式加筋挡土墙在工程道路中的应用

大厚度组合模块墙面式加筋挡土墙在工程道路中的应用

彭伟程

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

摘 要：深蓄电站上坝道路隧道出口接一段转弯路段，经过陡崖的深沟处，路基设计采用大厚度组合模块墙面式的新型加筋挡土墙，即挡墙下部为大厚度组合模块式面板竖直加筋墙，上部为土工格栅包裹式加筋边坡，能大幅度地缩小填筑放坡断面，工程占地面积小，对周边环境影响相对减少，取得良好社会效益，达到了设计预期目标。

关键词：深沟路段;组合模块;加筋挡土墙;应用

1 工程概况

深圳抽水蓄能电站位于深圳市东北部的盐田区与龙岗区境内，电站装机容量为1 200 MW。该电站枢纽工程主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群、地面开关站和场内永久道路等组成，场内永久道路包括上下库连接道路及各建筑物连接支线等，总里程为13.783 km，其中上下库连接道路长度为9.234 km[1]。

场内永久道路参照4级公路标准设计，设2车道。场内道路Ⅱ标路线主要沿深圳东部华侨城景区上方周围的山体布置。由于一段距离华侨城酒店约200 m的路段，经过一片陡崖地形(长约300 m)的上部山体，需明挖爆破，后经优化改线为隧道方案。隧道出口接一段转弯路段，经过陡崖的一处深沟，路线长为79 m，地理位置可直接鸟瞰华侨城景区(见图1)。区域内景观资源以滨海和山地风光为特色，生态环境状况良好，对设计要求较高，严格将工程用地控制在限定范围内。

对于这段经过陡崖的道路，路基设计采用大厚度组合模块墙面式的新型加筋挡土墙，挡墙采用直立式的混凝土组合砌块作为面板，能大幅度地缩小填筑放坡断面，有效地控制用地边线，对周边环境影响相对减少，取得良好社会效益。下面重点介绍这种复合式加筋挡墙在电站道路工程中的应用情况。

图1 隧道出口陡崖处(山脚远处为华侨城酒店)

2 设计方案比选

2.1 场地工程地质简况

根据场址地表20 m内等效剪切波波速测试成果，综合分析场地土为中硬类，场地类别为Ⅱ类。

沟谷面层冲积风化岩石块，其下为第四系坡残积层(Qedl)，厚度为0.5～2.0 m。出露基岩为燕山3期中粗斑状黑云母花岗岩。岩体风化普遍较浅，未发现如滑坡、崩塌等不良地质现象。地下水主要为储存在土层中的孔隙水及储存于基岩中的裂隙水，沿底洼处少呈泉水出露。工程地质条件总体较好。

2.2 设计方案

根据道路使用要求，按2车道设计，路基标准横断面宽为9.4 m=土路肩宽0.75 m×2 m+电缆沟宽0.9 m+路面行车道宽3.5 m×2 m。该段路线长为79 m，转弯半径为80 m，超高加宽后最大路基宽为10.4 m，路基中线最大填高约为16 m，根据现场实测地形断面，从充分利用开挖料填筑，尽量使土石方平衡，减少弃渣量出发，采用2种方案进行比选。

方案一：填方路堤结合坡脚重力式挡土墙

本方案考虑路基按常规放坡以粘土填筑，重点为路基左侧(靠景区侧)边坡，共3级放坡，第1级边坡坡度为1 ∶1.5，第2、3级边坡坡度为1 ∶1.75，每级边坡高8 m，之间设2 m宽平台；坡脚设置C 20砼重力式挡土墙，最大高度不超过5 m，起到收缩及稳固高填方边坡坡脚的作用。右侧边坡亦按上述原则放坡填筑，坡高在2级以内。沿冲沟设置1道盖板涵，涵净空尺寸为宽2 m×高2.5 m，涵洞总长为65 m。方案一大样示意见图2。

图2 方案一大样示意(单位：mm)

图3 方案二大样示意(单位：mm)

方案二：大厚度组合模块墙面式加筋挡土墙

本方案考虑路基设计采用大厚度组合模块墙面式的新型加筋挡土墙，布设在重点的路基左侧(靠景区侧)，加筋墙体总高13 m，下部为8 m高的大厚度组合模块式面板竖直加筋墙，上部采用5 m高土工格栅包裹式加筋边坡，上部坡比为1 ∶0.75。面板墙基础座于C 20砼重力墙顶平台上，重力墙高不超过6 m。路基右侧填方边坡同方案一，坡高在两级以内。沿冲沟设置1道盖板涵，涵净空尺寸为宽2 m×高2.5 m，涵洞总长35 m。方案二大样示意见图3。

图4为大厚度组合模块式面板墙的安装大样图，该模块墙面由A、A1、B、B1 4种形式的C 30混凝土预制块相间组合而成，模块上下之间用插筋连接，由模块组合而成的墙面厚50 cm，土工格栅拉筋与墙面连接采用拉筋从模块之间绕过的方式，图5为砌体墙面的实体形状。

图4 组合模块式面板墙安装大样示意(单位：mm)

图5 砌体墙面实体形状示意

2.3 方案比选

方案比选见表1。

表1 方案比选 万元

方案优点缺点工程造价方案一1.布置和施工方法简单2.工期较短1.山脚处为景区酒店,高填方边坡与周边景观不协调2.放坡填筑占地面积大3.黏土需求量大,涵洞长,投资较大249方案二(推荐方案)1.对周边环境干扰相对减小,美化景观作用大2.放坡占地面积小3.路基整体稳定性强,质量可控性好1.砌块预制与堆砌精度要求较高2.工期相对较长221

通过比选可知，方案二采用了新型的组合模块式面板竖直加筋墙设计，很大程度缩小了填筑放坡断面，工程占地面积较小，对周边环境影响相对减少；同时，由于地理位置的特殊性，华侨城景区位于该段道路下方山脚处，直线距离约200 m，从工程设计理念角度考虑，该设计形式实现了工程建设与环境景观相协调的目的。

因此，考虑到工程实施的投资控制、环境景观及社会影响等因素，经分析比较采用方案二，即大厚度组合模块墙面式加筋挡土墙设计。

3 组合模块墙面式加筋挡土墙计算分析

3.1 设计模型[2]

3.1.1 墙面模块的滑脱

模块在水平土压力Ei的作用下能否从墙面滑脱，取决于模块上、下面所产生的摩擦力Fi(图6)。

图6 组合模块墙面稳定计算示意

1) 单个模块所受推力Ei

Ei=Sy

(1)

2) 单个模块所产生的摩擦力Fi

Fi=(Ni+Ni+1)f

(2)

式中 σZi为第i层水平土压力强度，kPa；σZi+1为第i+1层水平土压力强度，kPa；Ni为第i层以上墙面模块重力，kN；Ni+1为第i+1层以上墙面模块重力，kN；f为模块间摩擦系数。

其他符号意义见图6。

显然，Fi >Ei模块不会出现滑脱破坏，设计时，采取增大模块尺寸、改善模块连接方式(安置插筋)等措施以满足该条件。

3.1.2 墙面整体抗倾稳定性

墙面整体抗倾稳定是指在墙面基础地基承载力满足要求的前提下，墙面在水平土压力合力Ea作用下不至于倾倒；而维持墙面稳定的力有拉筋的抗拉力和墙面的自重，这些力系在墙底产生的力矩分别为：

1) 倾覆力矩MQ

MQ=Ea·ha

(3)

2) 稳定力矩Md

(4)

式中 T为拉筋抗拉强度设计值，kN;N为墙面砌块总重力,kN; 其他符号意义见图6。

设计时，可调整d和T以及加筋土体的φ角，以满足Md >MQ的要求。

3.1.3 整体抗滑稳定性

根据圆弧滑动(毕肖普圆弧)稳定分析方法对大厚度组合模块墙面式加筋挡土墙整体稳定性验算时，要求最不利组合工况的临界滑裂面最小安全系数>1.3。

3.2 设计路段稳定性验算

加筋墙体总高为13 m，下部为8 m高大厚度组合模块式面板竖直加筋墙，上部采用5 m高土工格栅包裹式加筋边坡，上部坡比为1 ∶0.75。上部设8层HDPE单向格栅，水平长为9.5 m，包裹长为1.5 m，竖向间距为0.6 m，格栅抗拉强度为90 kN/m；下部设19层HDPE单向格栅， 水平长为9.5 m，竖向间距为0.4 m，格栅抗拉强度为130 kN/m。

1) 已知计算参数

加筋土体φr=32°；

加筋土体主动土压系数：

Kar=tan2(45+φr/2)=0.307 26；

加筋土体静止土压系数：

Ko=1-sinφr=0.470 08；

墙面模块长a=0.5 m，厚d=0.4 m；

模块重度γc=24 kN/m3；

模块间摩擦系数f=0.65；

面板墙高H=8 m；

加筋土体重度γr=19 kN/m3；

墙顶等代填土高hz=4.0 m；

下部墙体拉筋设计拉力Ti=130 kN/m；

拉筋竖向层距Sy=0.4 m。

2) 墙面稳定计算 (以墙面底埋深7.2 m为例)

土压力系数：

Zi≤6 m时，Ki=K0·(1-Zi/6)+Kar·Zi/6；Zi>6 m时， Ki=Kar；

第i层筋水平力强度：

埋深6.8 m处，σh=γr(6.8+hz)Ki=63.00 kPa；

埋深7.2 m处，σh=γr(7.2+hz)Ki=65.33 kPa；

单个模块所产生的摩擦力(墙底第1层)：

Fi=83.41 kN；第i层模块所受推力(墙底第1层)：

Ei=(63.00+65.33)×0.4/2=25.67 kN<83.41>

稳定力矩(各层拉筋对墙底弯矩之和)：

M=N+[T·(H-zi)]=7 973.28(kN-m)；

墙背土压合力：

Ea=319.18 kN；

倾覆力矩：

MQ=319.18×3.53=1 126.71(kN-m)；

墙面整体稳定系数：

K=7 973.28/1 126.71=7.07>1.5(OK)。

实际计算时可采用Excel电子表格，快速而简便。

3) 整体抗滑稳定性计算

采用某岩土计算软件根据圆弧滑动(毕肖普圆弧)稳定分析方法，计算最不利组合工况的临界滑裂面最小安全系数=1.54>1.3(见图7)，因此， 加筋挡土墙整体抗滑稳定性满足设计要求。

图7 加筋土墙外部整体稳定验算示意(单位：m)

4 设计重点及创新点

1) 上部墙体采用土工格栅包裹式加筋边坡+坡面客土喷播；下部墙体结构：帽梁+组合模块式墙面(含基础)+排泄水系统+加筋体。

2) 土工格栅拉筋与墙面连接采用从模块之间绕过的方式可准确控制加筋材料的铺设方向、填土厚度，使筋带呈席垫式均匀分布，克服了以往采用结点连接而造成的疏密不一、局部筋带间距过大等不足。

3) 大厚度模块的自身刚度及组合砌筑，各层上下模块间的栓系连接方式，使其具备整体自稳能力，解决了加筋墙面板滑脱或坍塌的问题，避免加筋土墙出现鼓肚变形。[3]

4) 上部与下部间设置水平宽为2 m的台阶，平台可种植爬藤植物，为符合工程实际的绿化措施。

5) 若投资允许，面板墙模块可采用彩色混凝土材料制作，使外观效果更佳。

5 方案实施效果

该道路工程采用大厚度组合模块墙面式加筋挡土墙实施顺利，自2012年通车以来，实际使用效果良好，得到当地社会及业主好评，产生较高的社会效益(见图8)。

图8 模块墙面式加筋挡土墙实施后效果

6 结语

传统的加筋挡土墙墙面形式主要为15 cm厚左右的干砌体或采用砂砾土袋反包，这种墙面往往会产生“鼓肚”变形，尤其是墙体较高或软弱地基上的加筋土墙易产生墙面“鼓肚”变形乃至墙面局部坍塌。

本文所述大厚度组合模块墙面式加筋挡土墙与传统加筋挡土墙相比较，有较大的改进和创新，组合模块面墙最大程度地减少高填方边坡的工程占地，同时,施工可控性亦较好，对市政或山地建筑工程有很好的参考价值。

参考文献：

[1] 广东省水利电力勘测设计研究院.深圳抽水蓄能电站场内永久公路工程初步设计方案报告[R]. 广州：广东省水利电力勘测设计研究院，2005．

[2] 欧阳仲春.加筋土挡墙大厚度组合模块式墙面设计[J].城市道桥与防洪，2010(4):22-25.

[3] 黄勇.复合式加筋土挡墙在道路工程中的应用[C]∥第五届全国土工合成材料加筋土学术研讨会论文集，成都：中国土工合成材料工程协会加筋专业委员会和中国土木工程学会土力学及岩土工程分会，2015：268-270.

(本文责任编辑 王瑞兰)

Application of Reinforced Retaining Wall with Large Thickness Combination Module to Engineering Road

PENG Weicheng

(Guangdong Hydropower Planning & Design Institute，Guangzhou 510635，China)

Abstract：The exit of the upper reservoir in Shenzhen pumped storage station is connected with a turning section road.This turning section road straddles a deep ditch of a cliff. There is a new type of reinforced retaining wall with large thickness combined module wall surface, which means large thickness combined modular panel vertical reinforced wall is used in the lower part of the reinforced retaining wall, while Geogrid reinforced slope is used in the upper part and applied at the roadbed. This type of reinforced retaining wall can reduce not only the filling slope section, but also area needed in the engineer, as well as the influence around. Therefore, ideal social benefits and design target are achieved.

Keywords：deep groove; composite module; reinforced retaining wall; application

收稿日期：2017-03-03;

修回日期：2017-04-13

作者简介：彭伟程(1986),男,本科,助理工程师，从事水工设计工作。

中图分类号：U417.1+15

文献标识码：B

文章编号：1008-0112(2017)08-0064-05