金沙水電站施工場平工程加筋土擋土墻設計研究

王曙東 張宏 彭海波 徐焰

摘要：金沙水電站毗鄰攀枝花市主城區，工程區內地形陡峻，施工場地布置困難。為保證施工場地安全，對土工格柵加筋土擋土墻和重力式混凝土擋土墻進行了技術經濟比較。在邊坡整體穩定分析計算的基礎上，充分利用原503電廠堆煤場已有的漿砌石擋土墻，在其上部布置土工格柵加筋土擋土墻。施工實踐證明，該方案保證了規劃的施工場地面積，取得了顯著經濟效益。

關鍵詞：加筋土擋土墻; 場地平整; 土工格柵; 金沙水電站

中圖法分類號：TU476.4 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.010

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0046 - 06

0 引 言

加筋土擋土墻是由墻面、墻面基礎、加筋材料和墻體填土共同組成的一種支擋結構。加筋的作用主要在于通過筋材與填土間界面上的摩阻力阻止土體側向位移，對土體產生約束，改善土體的應力和應變性能[1-3]。加筋土擋土墻結構具有較好的穩定性和較強的變形適應能力，可因地制宜、就地取材，節約工程投資，且具有造型美觀、施工方便、施工速度快的特點，已被廣泛應用于高填方公路、鐵路路堤、機場、護岸工程、尾礦壩、渣場等，在工程所在地攀枝花地區也有較多應用案例[4]。本文結合金沙水電站地形地質條件和現場施工場地條件，合理利用施工區內原503電廠遺留漿砌石擋土墻，通過在其上部布置加筋土擋土墻，充分發揮加筋土擋土墻特點，并采用拋石棱體增加了支擋體系整體穩定性。該方法取得了良好的技術經濟效果，可為其他類似加高抬填工程支擋結構設計提供借鑒。

1 工程概況

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，上距觀音巖水電站壩址28.9 km，下距攀枝花中心城區（攀枝花水文站斷面）10.3 km[5]。

金沙水電站為Ⅱ等大（2）型工程，正常蓄水位1 022.00 m，校核洪水位為1 025.30 m，相應靜庫容為1.08億m3，電站裝機容量56萬kW（560 MW），最大壩高66.00 m。樞紐布置方案為：右岸布置導流明渠，縱向圍堰壩段以左布置3個孔口尺寸為14.5 m×23.0 m（寬×高，下同）的泄洪表孔，以右布置2個孔口尺寸為14.5 m×23.0 m的泄洪表孔和1個孔口尺寸為6.0 m×15.0 m的生態泄水孔，河床及左岸布置河床式電站廠房，左岸布置魚道。施工導流采用三期導流方式。

金沙水電站壩址區屬中山峽谷地貌，兩岸山體雄厚，山高400～700 m，河谷深切，呈不對稱V型谷，兩岸坡形均呈上陡下緩狀，上部坡角為30°～50°，下部坡角20°～25°。左岸山頂高程為1 400～1 700 m，左岸上游高程1 060 m以下地形較緩，為寬100～200 m的堆積階地，總體坡角20°左右，503電廠廠區（已關停）和住宅區坐落于該階地;左岸下游為陡峻的正長巖山坡，坡角一般為30°～50°，局部達60°左右。右岸山頂高程1 400～1 500 m，坡角40°～55°;其中，高程1 400～1 300 m間和高程1 080 m以下的山坡較緩，坡角25°左右，右岸壩線下游400～1 000 m分布冷軋廠堆積體。

金沙水電站毗鄰攀枝花市主城區，工程征地較為困難。工程區內山高、坡陡，可利用的施工場地十分有限。經綜合考慮工程區地形地質條件、征地難度等因素，金沙水電站主要施工場地沿左岸布置，其中主要施工臨建設施布置于左岸上游503施工區，充分利用503電廠廠區（已關停）和住宅區場地。區內布置有金沙水電站砂石加工系統、混凝土拌和系統、系統污水處理廠、施工變電所、加油站、施工水廠、施工營地、綜合倉庫及綜合加工廠、機電拼裝場、金結拼裝廠等主要施工附屬企業。金沙水電站施工總布置方案如圖1所示。

因503電廠現有場地面積有限，且臨江側場地施工期易受度汛洪水影響，部分施工場地需通過場地抬填平整形成。

2 場地平整布置方案

503施工區場地平整（以下簡稱“場平”）工程位于金沙水電站壩軸線左岸上游 0.85～1.65 km的3號公路兩側，靠山側為A區，規劃場平高程1 035.38～1 036.26 m，場地占地面積約為0.75萬m2;臨江側為B區，為老庫灘至下游503沖溝江邊平臺，規劃場平高程不低于1 024.44 m，需形成平整場地面積4.30萬m2。503施工區場平布置方案如圖2所示。

3 地形地質條件

3.1 地形條件

場平區地面為已關停的503電廠廠區，金沙江從場平區前緣自NW向SE流過。金沙江枯水位998.00 m，一般洪水位1 007.19 m，金沙水電站正常蓄水位1 022.00 m。

施工場地A區位于光明路北側，呈長150 m、寬80 m的矩形，為傾向金沙江的緩坡地形，高程為1 023.00～1 035.00 m。

施工場地B區位于光明路南至江邊，呈長條形順江分布，順江長770 m，寬30～60 m，總體地形為緩坡平臺，地面高程一般為1 013.00～1 023.00 m，總體坡角12°左右，上游為一臨時堆煤場，下游建筑物密集分布（已廢棄）。503電廠沿江大部分岸坡已修建有漿砌塊石擋墻防護，墻頂高程1 012.50～1 018.50 m，可見墻底高程1 003.00～1 007.00 m，墻高7～11 m，擋墻未見損毀，墻外側修有寬4～7 m的漿砌塊石護坦，多有沖毀，擋墻外側至水邊為寬緩邊灘。下游至503沖溝的260 m岸段未作防護，岸坡高20～25 m，坡角35°左右。

3.2 地質條件

場平區地表多被第四系堆積物覆蓋，第四系堆積物按成因可分為人工堆積物、崩沖積物與沖積物。覆蓋層下伏基巖為三疊系上統大蕎地組、丙南組砂巖及華力西期正長巖。

3.2.1 覆蓋層

據鉆孔揭露，場平區覆蓋層厚度一般為13～48 m，前緣即臨江側厚度大，向靠山側厚度變小。其中，岸坡沿線覆蓋層厚度較大，一般厚度35～48 m，最大達50余米。

覆蓋層分兩大層，堆煤場上游施工場地B區覆蓋層上為厚7～23 m的人工堆積物、下為厚10～27 m的沖積卵石;堆煤場下游施工場地B區與施工場地A區覆蓋層上為厚4～13 m的崩沖積漂（塊）石夾卵石、下為厚5～55 m的沖積卵石。

（1） 人工堆積物層（Qs），按物質組成不同分為兩個亞層：① 碎石夾粉土及少量塊石層，分布于老庫灘至堆煤場一帶表層，厚度為7.0～20.0 m;碎石含量為40%～70%，粒徑為2～6 cm，部分達10 cm左右;塊石含量在15%左右，粒徑為20 cm左右。碎、塊石成分主要為正長巖;土為灰黃色粉土。該層為松散至稍密狀，具強透水性。② 正長巖石渣層（為原503電廠洞室開挖棄渣），分布于堆煤場一帶①層之下，厚度為4.6～15.0 m，塊徑一般在10 cm左右，少量達15～30 cm，呈棱角狀。該層為松散至稍密狀結構，具強透水性。

（2） 崩沖積層（Qcol+al ）：漂（塊）石夾卵石。主要分布于503沖溝溝口至取水口一帶表層，厚度為4.0～13.0 m;塊石、漂石含量為40%～60%，芯樣呈長20～40 cm的柱狀，成分為正長巖與玄武巖;塊漂石之間為卵石。該層為稍密至中密狀結構，具強透水性。

（3） 沖積層（Qal）：卵石。厚度一般在25.0～40.0 m，局部厚50余米;卵石含量占70%左右，粒徑一般為3～8 cm，少量達15 cm左右，為亞圓形，成分為正長巖、玄武巖，含少量礫石和漂石，石間由粗砂填充。結構呈稍密至中密狀，具強透水性。卵石層中含有礫石、粗砂及礫砂、粉土等透鏡體或薄層，場地內分布不均勻，厚度變化大，結構呈松散至稍密狀。

3.2.2 基巖

場平區內未見基巖出露，僅503電廠3號洞口至上游施工場地A區北側山坡有基巖裸露。巖性為華力西期（ξ4）正長巖，為中細粒半自形結構、塊狀構造，屬堅硬巖。場平區下覆基巖埋深較大，一般埋深13～50余米，為華力西期正長巖與中生界三疊系上統大蕎地組（T3dq）、丙南組（T3b）碎屑巖，碎屑巖以薄至中厚層泥質粉砂巖和粉砂巖為主，夾巖屑砂巖、細砂巖及少量灰巖與煤層。

4 場地平整方案設計

4.1 方案設計

4.1.1 支擋結構型式選擇

施工場地A區場平方案比較常規，503場地平整方案的設計重點在于B區臨江側的支擋防護。因B區規劃場平面積需達到4.3萬m2，以滿足金沙水電站施工附屬企業和施工營地布置需要，而規劃場平高程與現有岸坡地形高差約20余米，如采用放坡填筑岸堤則難以保證場平面積，且放坡方案坡腳伸入河床，影響工程施工期間防洪度汛，因此放坡填筑岸堤方案不予考慮。根據該場地情況，需采取直立式的支擋防護工程措施，一般考慮混凝土重力式擋土墻支擋結構或土工格柵加筋土結構。

（1） 混凝土擋土墻方案受擋墻高度、地基承載力的制約較大，需拆除B區上游臨江側503電廠老擋土墻，并新建擋土墻高度約20余米?？紤]施工場地B區臨江側上部主要為人工堆積物，下部為沖積卵石，承載力約260～280 kPa，覆蓋層厚度大，卵石層中含有礫石、粗砂及礫砂、粉土等透鏡體或薄層，基礎承載力難以滿足20 m級重力式擋土墻要求，基礎處理難度較大。估算擋土墻混凝土工程量達5.5萬m3，預計工程投資達3 800萬元。

（2） 土工格柵加筋土擋土墻屬于柔性結構，與傳統類型的支擋結構相比，具有施工方法簡單、施工工期短、適應地基變形能力強、安全系數大、造價較低等優點，并可保留B區上游側503電廠現有的老擋土墻，在老擋土墻上部新建土工格柵加筋土擋土墻，既降低了新建支擋結構高度，也大大節約了工程投資。土工格柵加筋土擋土墻方案的加筋土結構混凝土工程量僅2 715 m3，需土工格柵20.7萬m2，工程投資約1 640萬元，較混凝土擋土墻方案可節約投資2 000多萬元，經濟效益十分明顯。

經技術、經濟綜合比較，503場地B區場平支擋措施方案采用土工格柵加筋土擋土墻。

4.1.2 分段防護方案

B區場平臨江側土工格柵加筋土擋土墻防護設計穩定安全系數Fs≥1.25。場地地震烈度7度，地震水平加速度為G=0.15 g，地震狀態下的穩定安全系數Fs≥1.15，墻頂距墻頂外邊線0.5～11.0 m范圍內汽車荷載按公路Ⅰ級考慮，距墻頂外邊線11.0 m范圍外按兩層建筑物考慮。

加筋土擋土墻面板采用35 cm厚L型混凝土預制塊，預留插筋孔，插筋灌水泥砂漿連接，面板后設30 cm厚碎石反濾層，面板頂部設寬度70 cm、厚度30 cm鋼筋混凝土帽石壓頂。加筋材料采用整體鋼塑土工格柵，垂直于墻面方向布置，長11 m;土工格柵采用整體成型工藝，加筋帶交叉交點的結點分離力要求500 N以上;極限伸長率要求≤3%;整體鋼塑土工格柵的耐久性指標如下。

（1） 老化指標。整體鋼塑土工格柵在氙燈老化條件下150 h后，每延米拉伸力保持95%以上。

（2） 耐堿指標。在2.5 g/L氫氧化鈣懸浮液浸泡72 h后，每延米拉伸力保持95%以上。

（3） 耐酸指標。在0.025 mol/L硫酸中浸泡72 h后，每延米拉伸力保持95%以上。

（4） 炭黑含量。整體鋼塑土工格柵的外裹聚乙烯塑料要求碳黑含量必須≥2%。

土工格柵加筋土擋土墻的斷面主要分為3段，分別采用以下3種結構型式。

（1） Ⅰ型。主要適用于B區場平上游有老擋土墻段，在原有擋土墻外側設頂寬3 m的堆石棱體，棱體坡比1∶1.5，棱體頂面距原擋墻頂面高差3 m。堆石棱體施工完畢后，原有擋土墻上部1∶2放坡填筑至加筋土擋土墻設計墻底高程，坡面采用50 cm厚干砌石護坡。加筋土擋土墻的墻高控制在11.5 m內。該段加筋土擋土墻的墻基位于原老擋墻的墻后填土區，地基承載力較低（<200 kPa），考慮采用碎石或卵石墊層換填處理。Ⅰ型典型斷面如圖3所示。

（2） Ⅱ型。主要適用于B區場平下游段墻基高程較高且墻外地面較寬緩的可放坡填筑處，即在原地面以上放坡填筑至加筋土擋土墻設計墻底高程后，在其上修建加筋土擋土墻;墻高控制在8.0 m以內，墻腳外采用50 cm厚干砌石護坡，護坡坡腳設80 cm×100 cm（寬×高）漿砌石腳槽封閉。Ⅱ型典型斷面如圖4所示。

（3） Ⅲ型。主要適用于B區場平下游段墻基高程較低且墻外地形較陡或地形有突變處，即在加筋土擋土墻下部設C15塊石混凝土擋土墻腳墩?；炷翐跬翂Ω?～6 m，在其上修建加筋土擋土墻，加筋土擋土墻的墻高控制在11.5 m以內。Ⅲ型典型斷面如圖5所示。

4.2 加筋土擋土墻穩定分析

加筋擋土墻的設計方法歸納起來主要分為極限平衡法（Limiting Equilibrium Method），極限狀態法（Limit State Method）和數值模擬法（Numerical Simulation Method）3大類。極限平衡法和極限狀態法是用于分析加筋土擋墻極限破壞時的穩定安全系數，數值模擬法則用于分析加筋土結構在工作應力狀態和極限破壞狀態時筋材材料的拉力分布與土體變形情況;數值模擬法的參數需要進行復雜的試驗來確定，極限平衡法簡單、易行，設計應用方便，但其對拉筋、土體、滑動面做出了許多假定，將未知的、不定的因素都歸結到安全系數上，設計結果趨于保守[6]。

503場地平整工程采用極限平衡法進行穩定安全分析計算。工程回填材料的物理力學指標見表1。

施工場地B區為臨江側涉水工程，設計主要依據GB 50286-2013《堤防工程設計規范》，沿江側支擋構筑物按2級堤防防護標準考慮。利用理正商業軟件對B區整體穩定性進行計算。計算時在B區上游有老擋墻段、下游無老擋墻無混凝土腳墩段、下游無老擋墻有混凝土腳墩段各選取一個典型斷面?？紤]503場地平整工程為金沙水電站施工期臨時工程，使用期較短，正常使用工況按施工期度汛洪水驟降工況考慮，非正常使用工況按施工期常水位遭遇地震考慮。整體穩定計算采用瑞典圓弧法，并根據有關規范驗算了加筋土擋土墻的抗滑移、抗傾覆、筋帶抗拔系數和地基應力，計算結果見表2。從計算結果可知，場平工程和加筋土擋土墻是穩定的。

4.3 施工技術要求

場地平整填筑前，清除填筑區域內的廢棄建筑物、煤渣、植被雜草根莖、腐植土及其他軟弱土層。 加筋土擋土墻面板后12 m范圍內為擋墻墻身填筑區，應采用水穩性和滲水性較好的石渣作為填料;12 m范圍外利用電站主體工程開挖所采土石料填筑?？刂铺盍系淖畲罅健?5 cm或填料壓實厚度的2/3，且相應粒徑的塊體總含量≤15%;避免含有尖銳棱角的粗粒料直接攤鋪在筋帶表面。場地采用分層攤鋪填筑、分層碾壓。攤鋪機械應距面板1.5 m以上，垂直筋材運行;在距面板1.5 m的范圍內應用人工攤鋪。

加筋土擋墻施工時，需嚴格控制地基土承載力，對無法滿足承載力要求的部位，在施工過程中進行了相應換填處理。采用級配碎石作為換填或填筑基礎墊層，最大粒徑≤50 mm，換填或填筑基礎墊層的壓實系數大于0.97，采用振動碾壓實。

整體鋼塑格柵下料長度為設計長度另加1 m的富余，以便與預制面塊連接。將鋼塑格柵的一端制作成型并夾入預制面塊后，采用鋼筋插銷連接上下兩層面塊。整體鋼塑格柵垂直于墻面，鋪設在壓實整平的填料上，不得重疊、卷曲或折曲，垂直墻面方向不得搭接，不得與硬質棱角填料直接接觸。為避免填料在攤鋪和碾壓時擾動筋材，將筋材在格柵的尾部固定。當擋墻沿縱向在平面上形成折線或曲線時，在轉角處設置的加強筋與設計的筋材不能直接接觸，須在設計的格柵鋪設好并攤鋪大于5 cm厚的填料后，再在其上鋪設加強筋。

Ⅰ型標準斷面在下部原有老擋墻外側設頂寬3 m的堆石棱體，拋石坡比按1∶1.5控制，堆石棱體頂面低于原擋墻頂高程的300 cm以內。堆石棱體采用自卸車輛以端進法向前延伸立拋，拋石料選用新鮮不易風化的塊石，粒徑為30～70 cm，臨水面采用大塊石護面。

5 結 語

金沙水電站毗鄰攀枝花市主城區，征地較為困難。工程區內地形陡峻，靠近金沙江岸邊的可利用場地受施工期度汛水位變化影響較大，施工場地十分有限。金沙水電站的場平方案根據現場地形地質條件，充分利用原503電廠堆煤場沿金沙江岸邊已有的漿砌石擋土墻，通過在其上部布置土工格柵加筋土擋土墻、在漿砌石擋土墻外側布置堆石棱體提高其安全系數，新老擋土墻形成二級支擋結構，有效降低了新建支擋結構高度，并充分發揮了土工格柵加筋施工方法簡單、工期短、適應地基變形能力強、邊坡安全系數大、外形美觀的優點，節約工程投資2 000多萬元。503場地平整工程于2015年底建成并投入使用。2021年10月，金沙水電站全部機組投產發電，經施工期安全監測和日常巡視，在電站施工期間，場平工程范圍內未發生地基沉陷、上部建筑物墻面開裂等情況，加筋土擋土墻墻面未發生鼓出、錯位、開裂等明顯變形位移，保證了施工場地的穩定和安全。

參考文獻：

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（編輯：高小雲）

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