某擋水路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及填筑方法探討

王 璐

(大連水木工程管理有限公司，遼寧 大連 116033)

1 概述

掌崗圖溝位于烏蘭木倫河右岸，按照1∶10000地形圖現(xiàn)場(chǎng)查勘適合布置開(kāi)元路的線路有兩處，即上游線路和下游線路。該工程上、下游路頂高程由文明西街路面高程確定，路頂寬度根據(jù)A級(jí)公路雙向八車(chē)道確定，開(kāi)元路擋水路基高程下游線路比上游線路高2.5m，但下游線路長(zhǎng)度比上游線路短341m，路基投資相差不大。下游線路緊鄰小學(xué)、幼兒園，不利于工程布置。

從地形條件看，上游線路有利于對(duì)工程的布置，與開(kāi)元路、文明西街路網(wǎng)結(jié)合較好。從地質(zhì)條件看，上游路線路基覆蓋層較淺，有利于處理；基礎(chǔ)表層為細(xì)粒土質(zhì)砂，其下為全風(fēng)化砂礫巖及強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖，下部為弱風(fēng)化層砂巖，透水性較小，雖存在路基繞滲的可能性，但通過(guò)工程措施可以解決。從工程施工、建筑材料運(yùn)輸?shù)冉◣?kù)條件看，上游路線緊鄰開(kāi)元路、文明西街，外運(yùn)材料運(yùn)輸條件較好，工程施工期對(duì)小學(xué)、幼兒園干擾程度小，上游路線的選擇從技術(shù)角度是可行的，為推薦路線。

工程擬選壩址位于掌崗圖溝中上游，緊鄰掌崗圖移民新村，在開(kāi)元路與文明西街交匯處，河谷呈東西向，西高東低，傾向下游，河谷呈“U”形，谷底寬約510m，高程在1334～1380m。河谷兩岸為緩坡丘陵，從地形上看，在可行性研究階段推薦壩址處壩線以壩軸線最短為宜；該壩還有連接左岸開(kāi)元路、文明西街與右岸規(guī)劃城鎮(zhèn)道路的要求。擋水路基軸線位于擬建開(kāi)元路軸線上，橫跨掌崗圖溝，呈南北偏西走向。排洪渠、輸水涵與擋水路基垂直布置，排洪渠位于擋水路基右岸樁號(hào)1+223處，輸水涵位于擋水路基左岸0+650處。擋水路基上下游坡頂設(shè)置馬道，寬2m，高程為1354.50m，馬道高程以下上下游坡比為1∶3。上游坡面設(shè)300mm厚C30鋼筋混凝土板防滲，坡腳設(shè)C30砼防滲齒墻；下游坡面設(shè)500mm厚腐殖土，表面鋪設(shè)草皮護(hù)坡，坡腳設(shè)貼坡排水。

2 路基寬度及高程確定

2.1 土料的選擇

根據(jù)地質(zhì)勘察料場(chǎng)分析成果，料場(chǎng)細(xì)砂巖屑儲(chǔ)量為182.80萬(wàn)m3，砂礫料儲(chǔ)量為319.40萬(wàn)m3，擋水路基如采用單一砂礫料，料場(chǎng)儲(chǔ)量不足，因此本設(shè)計(jì)對(duì)擋水路基進(jìn)行分區(qū)筑壩，即在混凝土面板后設(shè)置3m厚砂礫料，壩體中間部位設(shè)置細(xì)砂巖屑，壩基填筑3～4m厚砂礫料，壩腳設(shè)置防滲齒墻，齒墻底深入強(qiáng)風(fēng)化層0.5m。

2.2 路頂寬度的確定

根據(jù)該區(qū)域總體規(guī)劃可知，開(kāi)元路規(guī)劃路寬為45m，設(shè)計(jì)馬道以上路基上下游邊坡坡比為1∶2～1∶2.5，馬道寬2m，根據(jù)此原則和開(kāi)元路路頂高程確定擋水路基寬度，經(jīng)綜合考慮，為保證兩側(cè)馬道與開(kāi)元路平行，并使開(kāi)元路路基邊坡為1∶2～1∶2.5，確定擋水路基頂寬為97m。

2.3 路頂高程的確定

根據(jù)土石壩設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范計(jì)算路頂高程，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)表1，最大路頂高程為1354.19m，經(jīng)綜合考慮，馬道以下?lián)跛坊敻叱滩捎?354.50m。

表1 路頂超高計(jì)算成果

3 擋水路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 路基邊坡的確定

3.1.1上游邊坡

上游坡面設(shè)置馬道，寬2m，高程為1354.50m，該高程以下坡比為1∶3，坡面設(shè)300mm厚C30鋼筋混凝土板防滲，板下設(shè)置50mm厚C15砼墊層；該高程以上公路路基坡比為1∶2～1∶2.5，坡上防護(hù)形式以開(kāi)元路道路設(shè)計(jì)為準(zhǔn)。

3.1.2下游邊坡

下游坡面設(shè)置馬道，寬2m，高程為1354.50m，馬道高程以下坡比為1∶3，坡面填筑500mm厚腐殖土，坡上采用草皮護(hù)坡；馬道高程以上公路路基坡比為1∶2～1∶2.5，坡上防護(hù)形式以開(kāi)元路道路設(shè)計(jì)為準(zhǔn)。

3.2 擋水路基下游排水體設(shè)計(jì)

擋水路基下游設(shè)置貼坡排水，頂高程為1339.70m，底高程為1334.20m，坡比取1∶3，設(shè)反濾層，分別為土工布、粗砂30cm、砂礫石30cm和干砌石50cm。貼坡排水長(zhǎng)435m，樁號(hào)為0+565～1+000。

3.3 擋水路基上游混凝土防滲面板設(shè)計(jì)

3.3.1防滲面板厚度設(shè)計(jì)

根據(jù)土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求，上游混凝土面板護(hù)坡厚度計(jì)算公式為

(1)

式中，t—護(hù)坡板厚度，m；η—系數(shù)，對(duì)于整體式大塊護(hù)面板，η=1.0；hp—累積頻率為1%的波高，m；Lm—平均波長(zhǎng)，m；b—沿壩坡向板長(zhǎng)，b=5.3～60.66m；ρw—水的密度，ρw=1.0t/m3；ρc—板的密度，ρc=2.5t/m3；m—坡度系數(shù)，m=3。

通過(guò)計(jì)算，護(hù)坡厚度t=0.044～0.098m，根據(jù)混凝土面板堆石壩的相關(guān)要求，設(shè)計(jì)擋水路基高度為20.80m，水頭較小，因此本設(shè)計(jì)上游混凝土防滲面板厚度確定為0.3m。防滲面板下設(shè)50mm厚C15砼墊層。板內(nèi)設(shè)置單層鋼筋，布置在面板中間位置，順坡選用直徑為14mm的HRB400鋼筋，水平方向選用直徑為12mm的HRB400鋼筋，混凝土防滲面板每10m設(shè)置一道垂直縫，縫寬20mm，縫內(nèi)設(shè)置止水，水平方向不設(shè)縫。

3.3.2混凝土防滲面板止水設(shè)計(jì)

混凝土面板垂直縫內(nèi)止水結(jié)構(gòu)[1]，即在縫內(nèi)底部設(shè)置止水銅片，厚1.2mm，銅片上設(shè)置閉孔泡沫板，縫頂部設(shè)置φ40mm橡膠棒，橡膠棒上部設(shè)置GB止水材料填縫，垂直縫表面手刮聚脲，寬520mm。

3.3.3壩后排水溝設(shè)計(jì)

壩后排水溝設(shè)置在擋水路基下游貼坡排水溝后，共設(shè)置2條，每條長(zhǎng)30m，與貼坡排水溝垂直布置。壩后溝溝坡由300mm厚的干砌體保護(hù)，在100mm厚的砂礫墊層下，墊層設(shè)置450g/m2土工布。

3.3.4壩基設(shè)計(jì)

工程在上游坡腳處修建C30砼防滲齒墻，齒墻厚1m，底高程深入強(qiáng)風(fēng)化巖0.5m，根據(jù)地勘資料，總體來(lái)看，強(qiáng)風(fēng)化巖透水性小(3.6～3.9Lu)，但局部較大，砂礫層達(dá)到6.6×10-2cm/s，通過(guò)修建防滲齒墻可以有效起到路基防滲的作用，并與趾板連為一體，這樣有助于趾板的穩(wěn)定[2- 4]。

3.3.5混凝土面板及防滲齒墻穩(wěn)定計(jì)算

以擋水路基樁號(hào)0+800為典型斷面進(jìn)行計(jì)算，坡面面板長(zhǎng)60.66m，坡腳18°(坡比1∶3)。

Fx=Gsin18°

Fy=Gcos18°

(2)

f=μFy

式中，G—面板重量，kN；μ—基底摩擦系數(shù)，坡面細(xì)砂μ=0.30，全風(fēng)化巖μ=0.40；f—基底摩擦力，kN。

通過(guò)計(jì)算Fx=0.30×60.66×1×25×0.309=140.58kN，f=0.30×0.30×60.66×1×25×0.951=129.80kN，F(xiàn)x-f=140.58-129.80=10.78kN>0，面板不穩(wěn)定，面板滑動(dòng)力傳遞到防滲齒墻上。

同理，計(jì)算防滲齒墻抗滑力，計(jì)算結(jié)果如下：Fx1=10.78×0.951=10.25kN，f1=0.40×0.50×4.1×1×25+0.40×10.78×0.309=21.83kN，F(xiàn)x1-f1=10.25-21.83<0，防滲齒墻摩擦力大于護(hù)坡面板自重產(chǎn)生的滑動(dòng)力[5]，因此防滲齒墻穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

4 滲流計(jì)算

擋水路基典型剖面選用樁號(hào)0+800處，高30.93m。其滲透系數(shù)選擇見(jiàn)表2。

表2 滲透系數(shù)取值表

滲漏量、滲透坡降計(jì)算選用路基樁號(hào)0+800處進(jìn)行計(jì)算。樁號(hào)0+800處剖面在各水位情況下的滲漏量見(jiàn)表3。

表3 滲漏量計(jì)算表

由計(jì)算結(jié)果可知，開(kāi)元路工程路基擋水后滲漏量很小，滿足工程滲漏量的要求，因此壩基采用砼防滲齒墻和坡面采用混凝土面板防滲是合理的[6]。

下游坡滲透坡降按下式計(jì)算：

(3)

式中，J—滲透坡降；hw—水頭損失；H1—上游水位；H2—下游溢出點(diǎn)水頭值；L—浸潤(rùn)線長(zhǎng)度。

其結(jié)果應(yīng)滿足下式：

J≤[J]

(4)

式中，J—計(jì)算滲透坡降；[J]—允許滲透坡降。

根據(jù)路基樁號(hào)0+800處剖面滲流計(jì)算結(jié)果可知，允許滲透坡降均大于各工況平均比降，滿足設(shè)計(jì)要求。各工況計(jì)算比降見(jiàn)表4。

表4 各工況計(jì)算比降成果表

5 擋水路基填筑方法

5.1 壩基與岸坡處理

清理壩基、岸坡和防滲齒墻時(shí)應(yīng)對(duì)以下部分予以清除，①相對(duì)密度小于0.70的砂層；②樹(shù)根、草皮、木塊、瓦礫、磚塊、淤泥、亂石、墳?zāi)沟?；③松?dòng)巖石、孤石、施工過(guò)程中堆積在壩基內(nèi)的廢渣或棄渣等；④表層腐質(zhì)土。

5.2 壩基處理要求

壩基清除后，用碾壓機(jī)械平均碾壓4遍，為防止壩體除險(xiǎn)造成不均勻沉降或裂縫，岸坡應(yīng)大致平整，清理后的岸坡坡度不應(yīng)大于1∶3，壩體與基礎(chǔ)應(yīng)采取斜面連結(jié)，清基后如有裂縫應(yīng)進(jìn)行處理，對(duì)壩基內(nèi)勘測(cè)試驗(yàn)用的試坑、鉆孔等應(yīng)清除其中的雜物，并進(jìn)行填塞或處理，如遇泉眼及滲透水，應(yīng)將其導(dǎo)出或另行處理，不宜堵塞。壩基、坑塘需降水，形成干地施工條件，清除淤泥達(dá)到建基面要求，邊坡按現(xiàn)狀地形不陡于1∶3。

5.3 壩體填筑要求

擋水路基的填筑標(biāo)準(zhǔn)參照土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其砂礫料的相對(duì)密度大于等于0.75，細(xì)砂巖屑填筑的壓實(shí)度不低于98%。

5.4 壩料的復(fù)查與開(kāi)采

(1)施工方應(yīng)根據(jù)擋水路基填筑料要求，對(duì)料場(chǎng)土料進(jìn)行質(zhì)量、儲(chǔ)量和運(yùn)輸條件復(fù)核，做好土料的供應(yīng)規(guī)劃。

(2)土料應(yīng)按規(guī)范要求進(jìn)行檢驗(yàn)，符合要求即可作為上壩材料，不合格的壩料，一律不得運(yùn)輸上壩。

6 結(jié)語(yǔ)

擋水路基工程是以擋水為主，兼顧交通、防洪、生態(tài)的綜合性工程。工程建成后可解決伊旗水資源缺乏問(wèn)題，完善交通路網(wǎng)，減少疏干水資源的浪費(fèi)，提高下游城區(qū)段的防洪標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)節(jié)中水不僅形成了碧波蕩漾的景觀水面，創(chuàng)造出良好水景觀，還實(shí)現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用，同時(shí)通過(guò)景觀建設(shè)，打造濱水生態(tài)廊道，提升河道空間活力，給游人及當(dāng)?shù)厥忻裉峁﹥?yōu)美的休憩、娛樂(lè)環(huán)境，具有重大的生態(tài)效益和社會(huì)效益。