加筋土拱坝设计研究

张世贤，周灵源，黄双华

(1.攀枝花学院 土木工程学院，四川 攀枝花 617000;2.西南交通大学 建筑勘察设计研究院，四川 成都 610031)

1 场地状况

根据四川省攀枝花学院校园总体规划，需要在拟建图书馆东侧形成高程为1 230 m平台，并在紧邻该平台的东侧再形成高程为1 197 m的运动场平台，两台之间高差33 m，平台连接线的弧长约170 m，且刚好位于攀枝花公园后山和攀枝花学院分析测试中心山坡之间的山谷地带，山谷深约 50余 m，谷上口宽约170 m，下口宽30多 m。拟形成的1 230 m平台全部是机械自行走碾压的新填土，力学性能差，填土厚度达33～38 m，土压力巨大。如何解决两个平台之间的挡土问题，成了影响学校总体规划能否实现的关键问题。

2 挡土方案的确定

图书馆高程1 230 m平台和运动场1 197 m平台高差33 m，如果加上挡土结构基础深度，估计挡土结构总高应该在40 m左右。无论用什么形式的挡土结构，确保1 230 m平台和1 197 m平台的安全成为最重要的课题。如果采用重力式挡土墙，则挡土高度太高，挡墙截面要求巨大，不经济，安全没有保障。如用锚杆，则墙背为新填土，无法锚固，不可行。如用钢筋混凝土拱坝，则因坝高达近40 m，弧形长度约为170 m，在钢筋混凝土拱坝内产生的应力巨大，对坝基土承载力要求高。由于基础土质为多年沉积下来的淤泥质土，该土层下的持力层为昔格达土，地基承载力一般，由于昔格达土有亲水性的特点，脱水干裂，遇水膨胀，易于崩解和泥化流动。钢筋混凝土拱坝基础将会产生较大基础变形，引起不可忽视的附加应力，影响坝体安全，而且造价很高，不经济。

课题组经过多次实地考察，反复对比论证，根据实际地形特点，最后形成的挡土方案为:采用圆弧形加筋(竹筋)土拱坝挡土结构。

为保证安全的情况下，最大限度地节约投资，坝体全部就地取材，采用现场的昔格达土，坝面部分用昔格达土加石灰形成灰土，拉筋为竹筋，十分经济。表1是几种挡土结构相关的经济技术对比分析资料。

表1 常见挡土结构的经济技术对比分析表

从以上分析可以看出，采用加竹筋土拱坝非常适合该地形状况，技术上完全可行，而且投资仅为同类挡土结构的17.5% ～26.9%，经济效益十分显著。

3 加筋(竹筋)土拱坝的设计

3.1 平面设计

拱坝平面为圆弧形，分3台，第1台圆弧长度Lfg为35.9 m，圆弧中轴半径为60.0 m;第2台圆弧长度Lcd为91.0 m，圆弧中轴半径为70.0 m;第3台圆弧长度Lab为166.3 m，圆弧中轴半径为80 m，平面布置见图1。

图1 拱坝平面布置(单位:mm，高程:m)

3.2 剖面构造设计

3.2.1 坡度设计

拱坝总高约40 m，其中高程1 197 m平台以上33 m，以下为基础3～6 m。拱坝总体分3台，沿高度方向第1台高9 m，面坡为1∶0.5;第2、3台高度均为12 m，面坡为1∶1。可以看出，第1台的坡度较第2、3台陡，这对于一般挡土结构来说是不合适的，但在这里却不一样，原因基于以下两点:①场地建设的需要。1 197 m平台为拟建的标准运动场，必须有100 m跑道，如果采用和第2、3台一样的坡度或更缓的坡度，则坝脚须伸出至少4.5 m的距离，这对于场地本来就十分有限的运动场来说是无法满足的。②土拱坝的受力形式能够满足安全的要求。土拱受力不同于普通挡土结构，它能将拱背土压力沿拱体传到坝肩，确保坝体安全稳定。

3.2.2 防水、滤水体系设计

坝体的防水、滤水体系设计体现的是疏堵结合的思想。疏就是采用滤水体系进行主动引流、疏导;堵就是采用防水体系进行主动截流、封堵。

首先说坝体的防水体系。它包括坝体的防水和坝面的防水。坝体的防水就是将约40 m高的坝体渗水通过每台的水平滤水层将水分台截流、引排;在每个平台部分浇筑竹筋混凝土，避免雨水浸蚀坝体。坝面的防水在坝面用三七灰土护面，避免雨水浸蚀坝体;将每个坡面的雨水通过设置在每台坡脚的截水沟将水汇集排走。

坝体的滤水体系设计包括水平滤水和竖直滤水体系。竖直滤水体系指的是用坝体内的柔性人工干砌竖直毛石滤水带将坝背土层水流通过水平滤水带引流排走。水平滤水指的是通过设在每台坝脚处的人工干砌水平毛石滤水带将竖直毛石滤水带的水流汇集排走，最后通过基础人工干砌水平毛石滤水带将水引排到坝前的排水沟排走。

由此可见，整个坝体的防水、滤水体系设计既是相对独立的又是相互关联的，而且整个防水、滤水体系也是坝体结构的一部分，充分体现了结构和功能的完美统一。

3.2.3 截面设计

(2)丰富实践内容。校园文化活动内容丰富多彩，可以开展以“校训、校徽、校歌”为代表的校园精神，还组织五四青年节等爱国主义演讲比赛、校园歌手大赛等，这些都能引导学生积极上进，渗透爱国主义教育。例如，在每年12月1日的艾滋病日，学生们都积极发挥主观动性，通过在校园内普及艾滋病知识，发放预防艾滋病宣传册和拉条幅等形式吸引广大学生关注艾滋，热爱生命；雷锋日，高校学生积极开展以“践行雷锋精神，大学生在行动”为主题的学雷锋环保校园日活动等。这些活动既能够让广大在校大学生产生热爱校园环境的热情，而且可以约束学生的行为，促使学生形成良好的生活习惯，从小见大，把思想政治教育细化到大学生的日常生活中。

坝体截面设计充分考虑了土压力的特性，整个坝体分级放台，逐级放坡，下陡上缓，坝体截面下小上大，坝背土层碾压区逐级放大。这些做法充分考虑到了土的自然休止角原理，有利于最大限度地减小土压力，保证坝体的稳定。

截面设计中加筋灰土面板的使用是一个重要特色。普通加筋土挡墙面板均为钢筋混凝土结构，面板本身不是结构的一部分，面板和筋带之间的连接有老化的问题，如果面板与筋带连接锈蚀，则危及挡土结构的安全。加筋土拱坝面板则完全不同，该面板是用三七灰土加竹筋夯实而成既可与竹筋一起挡土，又可成为坝体结构的一部分，与坝体协同受力，愈久愈坚。详见图2。

坝体的这种设计使其自适应变形的能力非常强，它对基础承载力要求不高，即使有局部变形也能自适应，不会在坝体产生过大的附加应力，而且随着时间的推移，坝体和坝背土体将会逐级成为一体，安全性更高耐久性将更好。

3.3 竹筋布置

图2 加筋土拱坝剖面图(单位:mm，高程:m)

坝体竹筋的布置充分利用了竹筋的抗拉强度好的特点。将竹筋沿横向间距300 mm，纵向间距500 mm，形成竹筋网片布置，每隔350 mm厚放一层竹筋网片，并且将竹筋深入强度较好的灰土面板中，并在面板端部预留翻转预留锚固长度。详见图3和图4。

图3 竹筋网编织大样图(单位:mm)

图4 竹筋锚固大样(单位:mm)

若将夯实土体比作“素混凝土”，那一层层竹筋就是一层层纵横交错的“钢筋网片”，整个坝体就形如“钢筋混凝土”坝体。由于抗拉强度很高的竹筋的掺入，极大地改善了坝体土体的力学性能，大大增强了坝体的整体性、协同性、安全性和稳定性。由此可见，是否充分利用竹筋抗拉强度高的优点已成为加筋土拱坝设计成败的关键要点。

4 加筋(竹筋)土拱坝基础处理研究

4.1 工程地质概况

加筋土拱坝位于攀枝花公园后山和攀枝花学院分析测试中心山坡之间的山谷地带，山谷深约50余m，谷上口宽170多m，下口宽30多m。山谷谷底为上游山上的地下水和雨水自然形成的小溪，常年流量较大，遇雨季两山之间的水汇集到山谷，流量更大。山谷谷底的土质全部为多年的沉积下来的淤泥质土，土层厚度为3～9 m，含水量高，承载力低，淤泥质土以下为昔格达土粉砂岩，承载力可达300 MPa。攀枝花公园后山山体土质为昔格达土，攀枝花学院分析测试中心山坡土质部分为昔格达土和强风化花岗岩。

4.2 加筋(竹筋)土拱坝基础处理方案

土拱坝坝体主要为加筋灰土和加筋素土，不同于钢筋混凝土坝，不能长期受地下水的侵蚀。基础处理必须同时解决地基承载力低的问题和基础排水问题。面对恶劣的地质条件，课题组经过多次现场踏勘和反复论证，最后形成了四个字的总体处理方案，那就是“换土引流”处理方案。

引流:就是将坝体背后的常年流水通过基础引到坝体前面的排水沟排走。

基础引流可以用塑料管，但引流量小，容易堵塞，风险大。通过计算流量，决定将基础毛石全部干砌，将上游流水通过沿坝内专设的人工干砌毛石滤水带引流到基础，再通过基础毛石间的缝隙引流到坝前的排水沟内。

这种柔性人工干砌毛石滤水带引流方式安全可靠，不易堵塞，且能与坝体形成整体协同工作，保证坝体整体稳定。

为了避免毛石基础上部土坝的土落入毛石缝隙，造成引流堵塞，又在毛石上先铺一层20 cm厚的级配碎石，碎石上铺10 cm厚山砂，经碾压后开始做加筋土坝。

这种“换土引流”处理方案将承载力低和基础排水问题一并解决，经近10年的实际运行，经实际观测无明显变形，效果良好。

4.3 加筋(竹筋)土拱坝实施效果

加筋(竹筋)土拱坝施工完毕后，成功地解决了坝后回填高度达30多m的60多万m3昔格达土的回填和图书馆、人工湖的修建问题，历经近10年的使用和观测，坝体无明显变形和位移。

坝体内部排水系统运行良好，人工湖渗水和地下水从浸湿线处被有效截住，并通过该排水系统排水至坝底附近的地下水池及运动场排水沟，坝面干燥无水浸出迹象。

灰土加(竹)筋面板，强度高，抗冲刷能力强。经实测其强度均值为1.2 MPa，表面虽经10个雨季的雨水冲刷，但无明显冲刷痕迹。

加筋(竹筋)土拱坝与同等支护高度、长度的其它支护结构相比较，造价仅为其30%左右，经济效益十分显著。

5 结语

1)加筋(竹筋)土坝坝体剖面构造采用了新的结构形式，充分利用了建筑场地条件和弧形拱结构优良的力学特性，采用分阶(三阶)变坡、下陡(1∶0.5)上缓(1∶1)、逐阶收台的坝体结构形式，使填土坝既能承受较大的(填)土压力，同时具有坝体整体性好、抗变形能力强和良好的稳定性能，有效解决了建设场地空间尺度不足的问题，经查新该技术处于国内先进水平。

2)针对“昔格达土”作为填筑土存在具有亲水性、吸水膨胀、脱水干裂，遇水时易崩解、分散和泥化流动的特点，为解决高填方边坡滑坡稳定问题，在填土坝内创造性地采用了柔性人工干砌毛石滤水带构成立体引排水体系与坝体共受力，独特的渗水引排设计，有效地解决了该种类型高填方加筋坝的排水问题，该项技术经查新属首创，处于国内领先水平。

3)由“昔格达土”掺石灰(7∶3)，人工夯实填筑形成35 m高坝，坝面整体性和防水性好，与其它面板结构处理技术相比，不设专用面板的处理技术构造简单、方便施工、成本低，节约了工程费用，值得推广应用。

［1］韩晓雷，郅彬.灰土强度影响因素研究［J］.岩土工程学报，2002(6):32-34.

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