水利工程论文-榕江县加筋挡土墙防洪堤工程设计.doc水利工程论文-榕江县加筋挡土墙防洪堤工程设计.doc

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水利工程论文榕江县加筋挡土墙防洪堤工程设计摘要榕江加筋挡土墙防洪堤工程的设计和建设,是加筋土技术应用于水利工程的一个成功典范,具有显著的经济效益。本文阐述了加筋土技术应用于水利工程的特点和设计要点,旨在为加筋土这种新技术在水利工程上的推广和应用起到积极的推动作用。关键词榕江防洪堤设计水利工程特点加筋土技术应用经济效益显著1工程慨况榕江县位于贵州省黔东南苗族侗族自治州东南部,珠江流域西江水系都柳江中游。都柳江流域处在黔东南多雨区,每遇暴雨容易产生峰高、量大的洪水,导致洪灾,使榕江县城历年频繁遭受洪灾之苦,给县城经济和人民生命财产造成重大损失。为确保榕江县人民生命财产的安全,保障地方经济持续、稳定发展,国家批准了榕江防洪工程的建设。一期工程2001年度实施方案为新建加筋挡土墙防洪堤123076M,沿城区都柳江支流平永河右岸修建。工程总投资122056万元。防洪标准为20年一遇。榕江防洪工程主要建筑物为防洪堤。由于榕江防洪一期工程地处平永河,河滩长年淤(沉)积有大量的砂砾石、砂卵石,为修建加筋挡土墙提供了丰富的天然填料,因而具有修建加筋挡土墙作为防洪堤的优越条件。因此,在堤型方案设计上,我们对榕江防洪工程整个一期工程4090M长的防洪堤作了浆砌石重力式防洪堤和加筋挡土墙防洪堤两种堤型方案的经济比较。经过比较,浆砌石重力式防洪堤直接工程投资为6097万元,而加筋土防洪堤为3084万元,其工程造价比传统的浆砌石重力式防洪堤节约494。可见,采用加筋挡土墙防洪堤,可以大大节省工程投资。因此,我们采用加筋挡土墙作为榕江防洪工程的防洪堤型。2地质条件榕江防洪工程位于黔东山地向桂北丘陵过度地带,地貌类型以中山和低山丘陵河谷盆地为主。出露的地层主要有前震旦系板溪群清水江组灰绿色层状娟云母板岩及粉砂质板岩,上白垩系红色砾石泥岩,第四系残坡积和冲洪积层,与工程密切相关的是第四系的砂质土层和砂砾石层。工程区位于平永河右岸的漫滩、一级阶地及一级阶地前缘的第四系覆盖层,主要为砂质土层及砂砾石层。砂质土层厚2~6M,承载力R150~180KPA,抗剪强度F025、C10KPA,渗透系数K103~104CM/S;砂砾石层厚度85~125M,承载力R250KPA,抗剪强度F035、C0,渗透系数K101~102CM/S。防洪堤基础建于稍密实的砂质土层及砂砾石层上。由于砂质土层及砂砾石层透水性较强,将会产生以下不良的工程地质问题1、渗透变形影响地基稳定。在洪水位情况下,水流沿基础下部产生绕渗,应研究地基产生潜蚀管涌破坏问题。2、洪水期间沿基础下部产生的绕渗,将使防洪堤内较低洼地带出现内涝。3、加筋挡土墙较高时,支撑面板的基础座于软基上,须解决基础承载力不足的问题。4、防洪堤基础置于砂质土层及砂砾石层上,各段性状不均,压缩变形较大,须防止地基不均匀沉降对墙体的影响。5、须防止洪水对砂质土层、砂砾石层堤基迎水面的冲刷(掏空)导致墙体破坏。上述问题是加筋土挡墙防洪堤设计上的最主要特点,这些特点限制了加筋挡土墙这种新结构、新技术在水利工程上的应用。目前在我省,加筋挡土墙防洪堤仅应用于基础(岩基)情况较好的赤水市防洪工程,榕江防洪工程是加筋挡土墙在基础情况较复杂的情况下在我省的又一次成功应用。3加筋挡土墙防洪堤设计31设计特点加筋土挡墙这种新结构、新技术,具有十分显著的技术经济效益。它与传统的砌石、混凝土材料挡墙相比可节约工程造价20~50,可就地取材、施工快速、工艺简单、外形美观、基础地质条件适应性强,被国内外专家认为是支挡结构的一场革命,被誉为“是土木工程中继发明混凝土和钢筋混凝土后最重大的发明”。广泛应用于公路、铁路等建筑行业,具体应用于挡土墙和路堤等建筑物。水利建筑行业则应用较少,而应用于挡水的防洪堤则是少之又少了。加筋土挡墙由面板、拉筋和填土组成。其主要结构包括C25钢筋砼预制面板,厚14~18CM,面板外形可为矩形、正六边形,面板间可相互拼接,外观漂亮,结构牢固。面板后采用CAT钢塑复合筋带拉固,筋带从面板预埋拉环或预留孔中穿过,折回另一端对齐,成扇幅状铺设在压实整平的填料土中,依靠筋带与碾压回填料间摩擦阻力作用维持挡土墙的结构平衡。填料主要采用砂类土、砾碎石土。水利工程上宜采用砂砾(卵)石作填料。由于水利工程有其自身的特点,加筋土挡墙应用于防洪堤时也有其不同于单纯作为挡土墙或路堤等建筑物时的特点。把加筋土挡墙设计为防洪堤时,由于防洪堤的主要作用是“挡水”,因此必须考虑水流对加筋土防洪堤挡墙的各种影响,主要表现在①防洪堤在外水压力作用下的稳定,②洪水沿堤身渗透的渗透稳定。③加筋土防洪堤置于土基或砂砾石基础上时,洪水期间,在洪水位作用下,水流沿基础下部产生绕渗、潜蚀管涌破坏问题和迎水面堤基的冲刷问题以及墙体较高时地基承载力不足的问题。④在堤身构造上还需要设置排水反滤措施以便将洪水期间渗入堤身的渗水迅速排出堤外,以免危及堤身安全。这些即是加筋土挡墙应用于防洪工程的主要设计特点。因此,除了加筋土挡墙结构自身的设计特点外,“水”对加筋土挡墙的各种影响也就成了设计要点。能否解决这些技术问题是加筋土挡墙能否应用于防洪工程的关键,这也是加筋土挡墙很少应用于水利工程的主要原因。32断面结构型式和构造由于设计上的一些特点,使得加筋挡土墙防洪堤的断面结构型式不同于常规。榕江加筋挡土墙防洪堤修建于平坦宽阔的河滩地,除了由基础、面板、拉筋、填料、帽石等组成的“筋带区”垂直体外,由于堤背无物可依,须回填一定坡度的填料护坡“非筋带区”三角体,堤背的坡度根据渗透稳定以及边坡稳定计算确定。这与传统土石坝的梯形断面形状相似,只不过挡水面的缓坡变为垂直坡而已。因此,榕江加筋挡土墙防洪堤的断面结构分为两个部分挡水面的“筋带区”垂直体和背水面的“非筋带区”三角体。挡水面的“筋带区”垂直体是常规的加筋土挡墙结构,背水面的“非筋带区”三角体则为水利工程上常见的土体边坡结构。两部分有机结合在一起,共同组成了一个路堤结合的防洪堤,既可以挡水防洪,又可以在墙顶面形成通车路面(见图1)。榕江加筋土防洪堤最大高度1165M(含基础及超高)。为满足堤顶行车需要,设计堤顶宽7M,净宽64M,墙顶设C15砼防浪墙,高05M,兼作路面防护栏墩。C25钢筋砼预制矩形面板厚18CM,尺寸为5001000或500500(MM)。面板后并设有30CM厚的碎石反滤层以便安全的排出洪水期间渗入堤内的洪水。设计CAT30020B钢塑复合拉筋带长度65M、宽度03M,堤身用砂砾石料分层回填碾压,堤背采用12的边坡,并用块石护砌。为防止发生渗流管涌,确保堤身安全稳定,坡脚设排水棱体,高度10~20M,顶宽10M,两侧边坡为1∶1。并于坡脚设置排水沟(400300MM2)以便及时将堤身渗水排走。挡水面板基础下设C15砼承台梁,底宽16M,高16M,为矩形结构。加筋挡土墙防洪堤设计断面结构型式见图1。图1加筋挡土墙防洪堤断面结构型式图32设计计算加筋挡土墙防洪堤的设计计算除了根据公路加筋土工程设计规范(JTJ01591),进行外部稳定分析计算和内部稳定分析计算外,由于加筋挡土墙防洪堤填料大多为中低液限砾类土、砂类土、砂砾石土等具有渗透性的材料,因此还需要进行渗透稳定分析计算。①加筋挡土墙防洪堤内部稳定计算加筋挡土墙防洪堤内部稳定计算主要是确定筋床填料的压实密度和计算支撑挡水面板的钢塑复合筋带所受的拉力,目的是确定筋带型号、断面长度及数量(一般按局部平衡法计算),以满足加筋土的内部稳定,其实质也就是筋带的抗拉(抗拔)稳定。②加筋挡土墙防洪堤外部稳定计算加筋挡土墙防洪堤外部稳定计算包括加筋土的抗滑稳定、抗倾稳定、整体稳定和地基应力计算。加筋土防洪堤外部稳定计算时须考虑水荷载的作用。因此,加筋挡土墙防洪堤的外部稳定计算必须考虑两种最不利的设计工况(荷载组合),一种是墙前无水压力,墙后堤背填土压力情况,一种是墙前有水压力情况。通过对两种设计工况的计算以确定加筋挡土墙防洪堤外部稳定计算的控制工况。③加筋挡土墙防洪堤的渗透稳定计算加筋挡土墙防洪堤的渗透稳定计算则是在水压力作用下,计算加筋挡土墙防洪堤的渗透稳定(可以参照土石坝设计规范中渗透稳定的计算方法)。另外还须对水的渗透量进行计算,以确定洪水期间,堤后渗透量的大小,相应采取抽排措施。通过对榕江加筋挡土墙防洪堤的具体计算,其外部稳定和内部稳定计算均满足有关设计规范的要求,并通过渗透稳定计算确定堤背回填区边坡为12。须特别说明的是,在进行加筋土防洪堤结构外部稳定的地基应力计算时,由于砂质土层地基承载力(R150~180KPA)较小,如仅仅靠内部稳定计算中确定的筋带区的面积不足以提供必须的承载力,因此我们将最下部的4层筋带延长至堤背,这样筋带区的面积扩大至整个基底宽度,扩大了2~3倍,从而有效的解决了地基承载力不足的问题,同时也增强了基础的渗透稳定。这样,通过上述的设计计算,并经过进一步的基础处理以及构造设计我们就可以解决上面提及的由于砂质土层及砂砾石层的强透水性产生的不良工程地质问题以及加筋挡土墙应用于水利上的防洪工程时所遇到的特有问题。解决了这些问题,在水利工程上应用加筋土技术也就不存在困难和技术问题。这对加筋土技术的推广是有很重要意义的。33基础处理加筋挡土墙防洪堤的基础包括两个部分面板基础部分和筋带区部分。前面已提及,榕江防洪工程区位于平永河右岸的漫滩、一级阶地及一级阶地前缘的第四系覆盖层,主要为砂质土层及砂砾石层,因此榕江加筋挡土墙防洪堤基础主要置于稍密实的砂质土层及砂砾石层上。筋带区部分基础埋深16~20M,首先清除原地表06~10M厚的淤泥、腐质土以及垃圾、废料后,再深挖10M至中密实以上的砂质土层及砂砾石层,并碾压回填10M厚的砂砾石,整平压实。面板部分基础埋深22~26M,基础设置在稍密至中密状砂卵(砾)石层或砂质土层上,下设C15砼承台梁,底宽16M,高16M,为矩形结构。临水面用大石块回填,以防洪水冲刷淘蚀堤脚。对置于砂质土层上的面板基础,设计上加设了两排直径015~02M、长度30~40M,插入砂砾石层的木桩,以防止基础出现较大的沉降,也是增加安全性的一种措施。由于防洪堤基础各段地质性状不一,为防止基础不均匀沉降,防洪堤须设置沉降逢,间距为10M,基础地质性状变化处,还须增设。沉降逢处敷设宽度为06M的复合土工布,以起到反滤的作用。
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