金沙水电站施工场平工程加筋土挡土墙设计研究

王曙东 张宏 彭海波 徐焰

摘要：金沙水电站毗邻攀枝花市主城区，工程区内地形陡峻，施工场地布置困难。为保证施工场地安全，对土工格栅加筋土挡土墙和重力式混凝土挡土墙进行了技术经济比较。在边坡整体稳定分析计算的基础上，充分利用原503电厂堆煤场已有的浆砌石挡土墙，在其上部布置土工格栅加筋土挡土墙。施工实践证明，该方案保证了规划的施工场地面积，取得了显著经济效益。

关键词：加筋土挡土墙; 场地平整; 土工格栅; 金沙水电站

中图法分类号：TU476.4 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.010

文章编号：1006 - 0081（2022）03 - 0046 - 06

0 引 言

加筋土挡土墙是由墙面、墙面基础、加筋材料和墙体填土共同组成的一种支挡结构。加筋的作用主要在于通过筋材与填土间界面上的摩阻力阻止土体侧向位移，对土体产生约束，改善土体的应力和应变性能[1-3]。加筋土挡土墙结构具有较好的稳定性和较强的变形适应能力，可因地制宜、就地取材，节约工程投资，且具有造型美观、施工方便、施工速度快的特点，已被广泛应用于高填方公路、铁路路堤、机场、护岸工程、尾矿坝、渣场等，在工程所在地攀枝花地区也有较多应用案例[4]。本文结合金沙水电站地形地质条件和现场施工场地条件，合理利用施工区内原503电厂遗留浆砌石挡土墙，通过在其上部布置加筋土挡土墙，充分发挥加筋土挡土墙特点，并采用抛石棱体增加了支挡体系整体稳定性。该方法取得了良好的技术经济效果，可为其他类似加高抬填工程支挡结构设计提供借鉴。

1 工程概况

金沙水电站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，上距观音岩水电站坝址28.9 km，下距攀枝花中心城区（攀枝花水文站断面）10.3 km[5]。

金沙水电站为Ⅱ等大（2）型工程，正常蓄水位1 022.00 m，校核洪水位为1 025.30 m，相应静库容为1.08亿m3，电站装机容量56万kW（560 MW），最大坝高66.00 m。枢纽布置方案为：右岸布置导流明渠，纵向围堰坝段以左布置3个孔口尺寸为14.5 m×23.0 m（宽×高，下同）的泄洪表孔，以右布置2个孔口尺寸为14.5 m×23.0 m的泄洪表孔和1个孔口尺寸为6.0 m×15.0 m的生态泄水孔，河床及左岸布置河床式电站厂房，左岸布置鱼道。施工导流采用三期导流方式。

金沙水电站坝址区属中山峡谷地貌，两岸山体雄厚，山高400～700 m，河谷深切，呈不对称V型谷，两岸坡形均呈上陡下缓状，上部坡角为30°～50°，下部坡角20°～25°。左岸山顶高程为1 400～1 700 m，左岸上游高程1 060 m以下地形较缓，为宽100～200 m的堆积阶地，总体坡角20°左右，503电厂厂区（已关停）和住宅区坐落于该阶地;左岸下游为陡峻的正长岩山坡，坡角一般为30°～50°，局部达60°左右。右岸山顶高程1 400～1 500 m，坡角40°～55°;其中，高程1 400～1 300 m间和高程1 080 m以下的山坡较缓，坡角25°左右，右岸坝线下游400～1 000 m分布冷轧厂堆积体。

金沙水电站毗邻攀枝花市主城区，工程征地较为困难。工程区内山高、坡陡，可利用的施工场地十分有限。经综合考虑工程区地形地质条件、征地难度等因素，金沙水电站主要施工场地沿左岸布置，其中主要施工临建设施布置于左岸上游503施工区，充分利用503电厂厂区（已关停）和住宅区场地。区内布置有金沙水电站砂石加工系统、混凝土拌和系统、系统污水处理厂、施工变电所、加油站、施工水厂、施工营地、综合仓库及综合加工厂、机电拼装场、金结拼装厂等主要施工附属企业。金沙水电站施工总布置方案如图1所示。

因503電厂现有场地面积有限，且临江侧场地施工期易受度汛洪水影响，部分施工场地需通过场地抬填平整形成。

2 场地平整布置方案

503施工区场地平整（以下简称“场平”）工程位于金沙水电站坝轴线左岸上游 0.85～1.65 km的3号公路两侧，靠山侧为A区，规划场平高程1 035.38～1 036.26 m，场地占地面积约为0.75万m2;临江侧为B区，为老库滩至下游503冲沟江边平台，规划场平高程不低于1 024.44 m，需形成平整场地面积4.30万m2。503施工区场平布置方案如图2所示。

3 地形地质条件

3.1 地形条件

场平区地面为已关停的503电厂厂区，金沙江从场平区前缘自NW向SE流过。金沙江枯水位998.00 m，一般洪水位1 007.19 m，金沙水电站正常蓄水位1 022.00 m。

施工场地A区位于光明路北侧，呈长150 m、宽80 m的矩形，为倾向金沙江的缓坡地形，高程为1 023.00～1 035.00 m。

施工场地B区位于光明路南至江边，呈长条形顺江分布，顺江长770 m，宽30～60 m，总体地形为缓坡平台，地面高程一般为1 013.00～1 023.00 m，总体坡角12°左右，上游为一临时堆煤场，下游建筑物密集分布（已废弃）。503电厂沿江大部分岸坡已修建有浆砌块石挡墙防护，墙顶高程1 012.50～1 018.50 m，可见墙底高程1 003.00～1 007.00 m，墙高7～11 m，挡墙未见损毁，墙外侧修有宽4～7 m的浆砌块石护坦，多有冲毁，挡墙外侧至水边为宽缓边滩。下游至503冲沟的260 m岸段未作防护，岸坡高20～25 m，坡角35°左右。

3.2 地质条件

场平区地表多被第四系堆积物覆盖，第四系堆积物按成因可分为人工堆积物、崩冲积物与冲积物。覆盖层下伏基岩为三叠系上统大荞地组、丙南组砂岩及华力西期正长岩。

3.2.1 覆盖层

据钻孔揭露，场平区覆盖层厚度一般为13～48 m，前缘即临江侧厚度大，向靠山侧厚度变小。其中，岸坡沿线覆盖层厚度较大，一般厚度35～48 m，最大达50余米。

覆盖层分两大层，堆煤场上游施工场地B区覆盖层上为厚7～23 m的人工堆积物、下为厚10～27 m的冲积卵石;堆煤场下游施工场地B区与施工场地A区覆盖层上为厚4～13 m的崩冲积漂（块）石夹卵石、下为厚5～55 m的冲积卵石。

（1） 人工堆积物层（Qs），按物质组成不同分为两个亚层：① 碎石夹粉土及少量块石层，分布于老库滩至堆煤场一带表层，厚度为7.0～20.0 m;碎石含量为40%～70%，粒径为2～6 cm，部分达10 cm左右;块石含量在15%左右，粒径为20 cm左右。碎、块石成分主要为正长岩;土为灰黄色粉土。该层为松散至稍密状，具强透水性。② 正长岩石渣层（为原503电厂洞室开挖弃渣），分布于堆煤场一带①层之下，厚度为4.6～15.0 m，块径一般在10 cm左右，少量达15～30 cm，呈棱角状。该层为松散至稍密状结构，具强透水性。

（2） 崩冲积层（Qcol+al ）：漂（块）石夹卵石。主要分布于503冲沟沟口至取水口一带表层，厚度为4.0～13.0 m;块石、漂石含量为40%～60%，芯样呈长20～40 cm的柱状，成分为正长岩与玄武岩;块漂石之间为卵石。该层为稍密至中密状结构，具强透水性。

（3） 冲积层（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，粒径一般为3～8 cm，少量达15 cm左右，为亚圆形，成分为正长岩、玄武岩，含少量砾石和漂石，石间由粗砂填充。结构呈稍密至中密状，具强透水性。卵石层中含有砾石、粗砂及砾砂、粉土等透镜体或薄层，场地内分布不均匀，厚度变化大，结构呈松散至稍密状。

3.2.2 基岩

场平区内未见基岩出露，仅503电厂3号洞口至上游施工场地A区北侧山坡有基岩裸露。岩性为华力西期（ξ4）正长岩，为中细粒半自形结构、块状构造，属坚硬岩。场平区下覆基岩埋深较大，一般埋深13～50余米，为华力西期正长岩与中生界三叠系上统大荞地组（T3dq）、丙南组（T3b）碎屑岩，碎屑岩以薄至中厚层泥质粉砂岩和粉砂岩为主，夹岩屑砂岩、细砂岩及少量灰岩与煤层。

4 场地平整方案设计

4.1 方案设计

4.1.1 支挡结构型式选择

施工场地A区场平方案比较常规，503场地平整方案的设计重点在于B区临江侧的支挡防护。因B区规划场平面积需达到4.3万m2，以满足金沙水电站施工附属企业和施工营地布置需要，而规划场平高程与现有岸坡地形高差约20余米，如采用放坡填筑岸堤则难以保证场平面积，且放坡方案坡脚伸入河床，影响工程施工期间防洪度汛，因此放坡填筑岸堤方案不予考虑。根据该场地情况，需采取直立式的支挡防护工程措施，一般考虑混凝土重力式挡土墙支挡结构或土工格栅加筋土结构。

（1） 混凝土挡土墙方案受挡墙高度、地基承载力的制约较大，需拆除B区上游临江侧503电厂老挡土墙，并新建挡土墙高度约20余米。考虑施工场地B区临江侧上部主要为人工堆积物，下部为冲积卵石，承载力约260～280 kPa，覆盖层厚度大，卵石层中含有砾石、粗砂及砾砂、粉土等透镜体或薄层，基础承载力难以满足20 m级重力式挡土墙要求，基础处理难度较大。估算挡土墙混凝土工程量达5.5万m3，预计工程投资达3 800万元。

（2） 土工格栅加筋土挡土墙属于柔性结构，与传统类型的支挡结构相比，具有施工方法简单、施工工期短、适应地基变形能力强、安全系数大、造价较低等优点，并可保留B区上游侧503电厂现有的老挡土墙，在老挡土墙上部新建土工格栅加筋土挡土墙，既降低了新建支挡结构高度，也大大节约了工程投资。土工格栅加筋土挡土墙方案的加筋土结构混凝土工程量仅2 715 m3，需土工格栅20.7万m2，工程投資约1 640万元，较混凝土挡土墙方案可节约投资2 000多万元，经济效益十分明显。

经技术、经济综合比较，503场地B区场平支挡措施方案采用土工格栅加筋土挡土墙。

4.1.2 分段防护方案

B区场平临江侧土工格栅加筋土挡土墙防护设计稳定安全系数Fs≥1.25。场地地震烈度7度，地震水平加速度为G=0.15 g，地震状态下的稳定安全系数Fs≥1.15，墙顶距墙顶外边线0.5～11.0 m范围内汽车荷载按公路Ⅰ级考虑，距墙顶外边线11.0 m范围外按两层建筑物考虑。

加筋土挡土墙面板采用35 cm厚L型混凝土预制块，预留插筋孔，插筋灌水泥砂浆连接，面板后设30 cm厚碎石反滤层，面板顶部设宽度70 cm、厚度30 cm钢筋混凝土帽石压顶。加筋材料采用整体钢塑土工格栅，垂直于墙面方向布置，长11 m;土工格栅采用整体成型工艺，加筋带交叉交点的结点分离力要求500 N以上;极限伸长率要求≤3%;整体钢塑土工格栅的耐久性指标如下。

（1） 老化指标。整体钢塑土工格栅在氙灯老化条件下150 h后，每延米拉伸力保持95%以上。

（2） 耐碱指标。在2.5 g/L氢氧化钙悬浮液浸泡72 h后，每延米拉伸力保持95%以上。

（3） 耐酸指标。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。整体钢塑土工格栅的外裹聚乙烯塑料要求碳黑含量必须≥2%。

土工格栅加筋土挡土墙的断面主要分为3段，分别采用以下3种结构型式。

（1） Ⅰ型。主要适用于B区场平上游有老挡土墙段，在原有挡土墙外侧设顶宽3 m的堆石棱体，棱体坡比1∶1.5，棱体顶面距原挡墙顶面高差3 m。堆石棱体施工完毕后，原有挡土墙上部1∶2放坡填筑至加筋土挡土墙设计墙底高程，坡面采用50 cm厚干砌石护坡。加筋土挡土墙的墙高控制在11.5 m内。该段加筋土挡土墙的墙基位于原老挡墙的墙后填土区，地基承载力较低（<200 kPa），考虑采用碎石或卵石垫层换填处理。Ⅰ型典型断面如图3所示。

（2） Ⅱ型。主要适用于B区场平下游段墻基高程较高且墙外地面较宽缓的可放坡填筑处，即在原地面以上放坡填筑至加筋土挡土墙设计墙底高程后，在其上修建加筋土挡土墙;墙高控制在8.0 m以内，墙脚外采用50 cm厚干砌石护坡，护坡坡脚设80 cm×100 cm（宽×高）浆砌石脚槽封闭。Ⅱ型典型断面如图4所示。

（3） Ⅲ型。主要适用于B区场平下游段墙基高程较低且墙外地形较陡或地形有突变处，即在加筋土挡土墙下部设C15块石混凝土挡土墙脚墩。混凝土挡土墙高4～6 m，在其上修建加筋土挡土墙，加筋土挡土墙的墙高控制在11.5 m以内。Ⅲ型典型断面如图5所示。

4.2 加筋土挡土墙稳定分析

加筋挡土墙的设计方法归纳起来主要分为极限平衡法（Limiting Equilibrium Method），极限状态法（Limit State Method）和数值模拟法（Numerical Simulation Method）3大类。极限平衡法和极限状态法是用于分析加筋土挡墙极限破坏时的稳定安全系数，数值模拟法则用于分析加筋土结构在工作应力状态和极限破坏状态时筋材材料的拉力分布与土体变形情况;数值模拟法的参数需要进行复杂的试验来确定，极限平衡法简单、易行，设计应用方便，但其对拉筋、土体、滑动面做出了许多假定，将未知的、不定的因素都归结到安全系数上，设计结果趋于保守[6]。

503场地平整工程采用极限平衡法进行稳定安全分析计算。工程回填材料的物理力学指标见表1。

施工场地B区为临江侧涉水工程，设计主要依据GB 50286-2013《堤防工程设计规范》，沿江侧支挡构筑物按2级堤防防护标准考虑。利用理正商业软件对B区整体稳定性进行计算。计算时在B区上游有老挡墙段、下游无老挡墙无混凝土脚墩段、下游无老挡墙有混凝土脚墩段各选取一个典型断面。考虑503场地平整工程为金沙水电站施工期临时工程，使用期较短，正常使用工况按施工期度汛洪水骤降工况考虑，非正常使用工况按施工期常水位遭遇地震考虑。整体稳定计算采用瑞典圆弧法，并根据有关规范验算了加筋土挡土墙的抗滑移、抗倾覆、筋带抗拔系数和地基应力，计算结果见表2。从计算结果可知，场平工程和加筋土挡土墙是稳定的。

4.3 施工技术要求

场地平整填筑前，清除填筑区域内的废弃建筑物、煤渣、植被杂草根茎、腐植土及其他软弱土层。 加筋土挡土墙面板后12 m范围内为挡墙墙身填筑区，应采用水稳性和渗水性较好的石渣作为填料;12 m范围外利用电站主体工程开挖所采土石料填筑。控制填料的最大粒径≤15 cm或填料压实厚度的2/3，且相应粒径的块体总含量≤15%;避免含有尖锐棱角的粗粒料直接摊铺在筋带表面。场地采用分层摊铺填筑、分层碾压。摊铺机械应距面板1.5 m以上，垂直筋材运行;在距面板1.5 m的范围内应用人工摊铺。

加筋土挡墙施工时，需严格控制地基土承载力，对无法满足承载力要求的部位，在施工过程中进行了相应换填处理。采用级配碎石作为换填或填筑基础垫层，最大粒径≤50 mm，换填或填筑基础垫层的压实系数大于0.97，采用振动碾压实。

整体钢塑格栅下料长度为设计长度另加1 m的富余，以便与预制面块连接。将钢塑格栅的一端制作成型并夹入预制面块后，采用钢筋插销连接上下两层面块。整体钢塑格栅垂直于墙面，铺设在压实整平的填料上，不得重叠、卷曲或折曲，垂直墙面方向不得搭接，不得与硬质棱角填料直接接触。为避免填料在摊铺和碾压时扰动筋材，将筋材在格栅的尾部固定。当挡墙沿纵向在平面上形成折线或曲线时，在转角处设置的加强筋与设计的筋材不能直接接触，须在设计的格栅铺设好并摊铺大于5 cm厚的填料后，再在其上铺设加强筋。

Ⅰ型标准断面在下部原有老挡墙外侧设顶宽3 m的堆石棱体，抛石坡比按1∶1.5控制，堆石棱体顶面低于原挡墙顶高程的300 cm以内。堆石棱体采用自卸车辆以端进法向前延伸立抛，抛石料选用新鲜不易风化的块石，粒径为30～70 cm，临水面采用大块石护面。

5 结 语

金沙水电站毗邻攀枝花市主城区，征地较为困难。工程区内地形陡峻，靠近金沙江岸边的可利用场地受施工期度汛水位变化影响较大，施工场地十分有限。金沙水电站的场平方案根据现场地形地质条件，充分利用原503电厂堆煤场沿金沙江岸边已有的浆砌石挡土墙，通过在其上部布置土工格栅加筋土挡土墙、在浆砌石挡土墙外侧布置堆石棱体提高其安全系数，新老挡土墙形成二级支挡结构，有效降低了新建支挡结构高度，并充分发挥了土工格栅加筋施工方法简单、工期短、适应地基变形能力强、边坡安全系数大、外形美观的优点，节约工程投资2 000多万元。503场地平整工程于2015年底建成并投入使用。2021年10月，金沙水电站全部机组投产发电，经施工期安全监测和日常巡视，在电站施工期间，场平工程范围内未发生地基沉陷、上部建筑物墙面开裂等情况，加筋土挡土墙墙面未发生鼓出、错位、开裂等明显变形位移，保证了施工场地的稳定和安全。

参考文献：

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[2] 包承纲. 土工合成材料应用原理与工程实践[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008.

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[4] 刘昌禄. 攀枝花地区加筋挡土墙筋带锚固特性研究[D]. 成都：西南交通大学，2014.

[5] 长江勘测规划设计研究有限责任公司. 金沙江金沙水电站可行性研究报告[R]. 武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2017.

[6] 杨广庆. 加筋挡土墙合理设计方法的探讨[J]. 长江科学院院报，2014，31（3）：11-18.

（编辑：高小雲）

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