某擋水路基結構設計及填筑方法探討

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地形圖現場查勘適合布置開元路的線路有兩處，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A級公路雙向八車道確定，開元路擋水路基高程下游線路比上游線路高2.5m，但下游線路長度比上游線路短341m，路基投資相差不大。下游線路緊鄰小學、幼兒園，不利于工程布置。

從地形條件看，上游線路有利于對工程的布置，與開元路、文明西街路網結合較好。從地質條件看，上游路線路基覆蓋層較淺，有利于處理；基礎表層為細粒土質砂，其下為全風化砂礫巖及強風化砂礫巖，下部為弱風化層砂巖，透水性較小，雖存在路基繞滲的可能性，但通過工程措施可以解決。從工程施工、建筑材料運輸等建庫條件看，上游路線緊鄰開元路、文明西街，外運材料運輸條件較好，工程施工期對小學、幼兒園干擾程度小，上游路線的選擇從技術角度是可行的，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元路、文明西街與右岸規劃城鎮道路的要求。擋水路基軸線位于擬建開元路軸線上，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300mm厚C30鋼筋混凝土板防滲，坡腳設C30砼防滲齒墻；下游坡面設500mm厚腐殖土，表面鋪設草皮護坡，坡腳設貼坡排水。

2 路基寬度及高程確定

2.1 土料的選擇

根據地質勘察料場分析成果，料場細砂巖屑儲量為182.80萬m3，砂礫料儲量為319.40萬m3，擋水路基如采用單一砂礫料，料場儲量不足，因此本設計對擋水路基進行分區筑壩，即在混凝土面板后設置3m厚砂礫料，壩體中間部位設置細砂巖屑，壩基填筑3～4m厚砂礫料，壩腳設置防滲齒墻，齒墻底深入強風化層0.5m。

2.2 路頂寬度的確定

根據該區域總體規劃可知，開元路規劃路寬為45m，設計馬道以上路基上下游邊坡坡比為1∶2～1∶2.5，馬道寬2m，根據此原則和開元路路頂高程確定擋水路基寬度，經綜合考慮，為保證兩側馬道與開元路平行，并使開元路路基邊坡為1∶2～1∶2.5，確定擋水路基頂寬為97m。

2.3 路頂高程的確定

根據土石壩設計的相關規范計算路頂高程，其計算結果見表1。

根據表1，最大路頂高程為1354.19m，經綜合考慮，馬道以下擋水路基頂高程采用1354.50m。

表1 路頂超高計算成果

3 擋水路基結構設計

3.1 路基邊坡的確定

3.1.1上游邊坡

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

3.1.2下游邊坡

下游坡面設置馬道，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，坡上采用草皮護坡；馬道高程以上公路路基坡比為1∶2～1∶2.5，坡上防護形式以開元路道路設計為準。

3.2 擋水路基下游排水體設計

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

3.3 擋水路基上游混凝土防滲面板設計

3.3.1防滲面板厚度設計

根據土石壩設計規范的相關要求，上游混凝土面板護坡厚度計算公式為

(1)

式中，t—護坡板厚度，m；η—系數，對于整體式大塊護面板，η=1.0；hp—累積頻率為1%的波高，m；Lm—平均波長，m；b—沿壩坡向板長，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，m=3。

通過計算，護坡厚度t=0.044～0.098m，根據混凝土面板堆石壩的相關要求，設計擋水路基高度為20.80m，水頭較小，因此本設計上游混凝土防滲面板厚度確定為0.3m。防滲面板下設50mm厚C15砼墊層。板內設置單層鋼筋，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設置一道垂直縫，縫寬20mm，縫內設置止水，水平方向不設縫。

3.3.2混凝土防滲面板止水設計

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

3.3.3壩后排水溝設計

壩后排水溝設置在擋水路基下游貼坡排水溝后，共設置2條，每條長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，在100mm厚的砂礫墊層下，墊層設置450g/m2土工布。

3.3.4壩基設計

工程在上游坡腳處修建C30砼防滲齒墻，齒墻厚1m，底高程深入強風化巖0.5m，根據地勘資料，總體來看，強風化巖透水性小(3.6～3.9Lu)，但局部較大，砂礫層達到6.6×10-2cm/s，通過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定[2- 4]。

3.3.5混凝土面板及防滲齒墻穩定計算

以擋水路基樁號0+800為典型斷面進行計算，坡面面板長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，坡面細砂μ=0.30，全風化巖μ=0.40；f—基底摩擦力，kN。

通過計算Fx=0.30×60.66×1×25×0.309=140.58kN，f=0.30×0.30×60.66×1×25×0.951=129.80kN，Fx-f=140.58-129.80=10.78kN>0，面板不穩定，面板滑動力傳遞到防滲齒墻上。

同理，計算防滲齒墻抗滑力，計算結果如下：Fx1=10.78×0.951=10.25kN，f1=0.40×0.50×4.1×1×25+0.40×10.78×0.309=21.83kN，Fx1-f1=10.25-21.83<0，防滲齒墻摩擦力大于護坡面板自重產生的滑動力[5]，因此防滲齒墻穩定，結構尺寸滿足設計要求。

4 滲流計算

擋水路基典型剖面選用樁號0+800處，高30.93m。其滲透系數選擇見表2。

表2 滲透系數取值表

滲漏量、滲透坡降計算選用路基樁號0+800處進行計算。樁號0+800處剖面在各水位情況下的滲漏量見表3。

表3 滲漏量計算表

由計算結果可知，開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—下游溢出點水頭值；L—浸潤線長度。

其結果應滿足下式：

J≤[J]

(4)

式中，J—計算滲透坡降；[J]—允許滲透坡降。

根據路基樁號0+800處剖面滲流計算結果可知，允許滲透坡降均大于各工況平均比降，滿足設計要求。各工況計算比降見表4。

表4 各工況計算比降成果表

5 擋水路基填筑方法

5.1 壩基與岸坡處理

清理壩基、岸坡和防滲齒墻時應對以下部分予以清除，①相對密度小于0.70的砂層；②樹根、草皮、木塊、瓦礫、磚塊、淤泥、亂石、墳墓等；③松動巖石、孤石、施工過程中堆積在壩基內的廢渣或棄渣等；④表層腐質土。

5.2 壩基處理要求

壩基清除后，用碾壓機械平均碾壓4遍，為防止壩體除險造成不均勻沉降或裂縫，岸坡應大致平整，清理后的岸坡坡度不應大于1∶3，壩體與基礎應采取斜面連結，清基后如有裂縫應進行處理，對壩基內勘測試驗用的試坑、鉆孔等應清除其中的雜物，并進行填塞或處理，如遇泉眼及滲透水，應將其導出或另行處理，不宜堵塞。壩基、坑塘需降水，形成干地施工條件，清除淤泥達到建基面要求，邊坡按現狀地形不陡于1∶3。

5.3 壩體填筑要求

擋水路基的填筑標準參照土石壩設計規范要求進行設計，其砂礫料的相對密度大于等于0.75，細砂巖屑填筑的壓實度不低于98%。

5.4 壩料的復查與開采

(1)施工方應根據擋水路基填筑料要求，對料場土料進行質量、儲量和運輸條件復核，做好土料的供應規劃。

(2)土料應按規范要求進行檢驗，符合要求即可作為上壩材料，不合格的壩料，一律不得運輸上壩。

6 結語

擋水路基工程是以擋水為主，兼顧交通、防洪、生態的綜合性工程。工程建成后可解決伊旗水資源缺乏問題，完善交通路網，減少疏干水資源的浪費，提高下游城區段的防洪標準。調節中水不僅形成了碧波蕩漾的景觀水面，創造出良好水景觀，還實現了水資源的循環利用，同時通過景觀建設，打造濱水生態廊道，提升河道空間活力，給游人及當地市民提供優美的休憩、娛樂環境，具有重大的生態效益和社會效益。