某挡水路基结构设计及填筑方法探讨

王 璐

(大连水木工程管理有限公司，辽宁 大连 116033)

1 概述

掌岗图沟位于乌兰木伦河右岸，按照1∶10000地形图现场查勘适合布置开元路的线路有两处，即上游线路和下游线路。该工程上、下游路顶高程由文明西街路面高程确定，路顶宽度根据A级公路双向八车道确定，开元路挡水路基高程下游线路比上游线路高2.5m，但下游线路长度比上游线路短341m，路基投资相差不大。下游线路紧邻小学、幼儿园，不利于工程布置。

从地形条件看，上游线路有利于对工程的布置，与开元路、文明西街路网结合较好。从地质条件看，上游路线路基覆盖层较浅，有利于处理；基础表层为细粒土质砂，其下为全风化砂砾岩及强风化砂砾岩，下部为弱风化层砂岩，透水性较小，虽存在路基绕渗的可能性，但通过工程措施可以解决。从工程施工、建筑材料运输等建库条件看，上游路线紧邻开元路、文明西街，外运材料运输条件较好，工程施工期对小学、幼儿园干扰程度小，上游路线的选择从技术角度是可行的，为推荐路线。

工程拟选坝址位于掌岗图沟中上游，紧邻掌岗图移民新村，在开元路与文明西街交汇处，河谷呈东西向，西高东低，倾向下游，河谷呈“U”形，谷底宽约510m，高程在1334～1380m。河谷两岸为缓坡丘陵，从地形上看，在可行性研究阶段推荐坝址处坝线以坝轴线最短为宜；该坝还有连接左岸开元路、文明西街与右岸规划城镇道路的要求。挡水路基轴线位于拟建开元路轴线上，横跨掌岗图沟，呈南北偏西走向。排洪渠、输水涵与挡水路基垂直布置，排洪渠位于挡水路基右岸桩号1+223处，输水涵位于挡水路基左岸0+650处。挡水路基上下游坡顶设置马道，宽2m，高程为1354.50m，马道高程以下上下游坡比为1∶3。上游坡面设300mm厚C30钢筋混凝土板防渗，坡脚设C30砼防渗齿墙；下游坡面设500mm厚腐殖土，表面铺设草皮护坡，坡脚设贴坡排水。

2 路基宽度及高程确定

2.1 土料的选择

根据地质勘察料场分析成果，料场细砂岩屑储量为182.80万m3，砂砾料储量为319.40万m3，挡水路基如采用单一砂砾料，料场储量不足，因此本设计对挡水路基进行分区筑坝，即在混凝土面板后设置3m厚砂砾料，坝体中间部位设置细砂岩屑，坝基填筑3～4m厚砂砾料，坝脚设置防渗齿墙，齿墙底深入强风化层0.5m。

2.2 路顶宽度的确定

根据该区域总体规划可知，开元路规划路宽为45m，设计马道以上路基上下游边坡坡比为1∶2～1∶2.5，马道宽2m，根据此原则和开元路路顶高程确定挡水路基宽度，经综合考虑，为保证两侧马道与开元路平行，并使开元路路基边坡为1∶2～1∶2.5，确定挡水路基顶宽为97m。

2.3 路顶高程的确定

根据土石坝设计的相关规范计算路顶高程，其计算结果见表1。

根据表1，最大路顶高程为1354.19m，经综合考虑，马道以下挡水路基顶高程采用1354.50m。

表1 路顶超高计算成果

3 挡水路基结构设计

3.1 路基边坡的确定

3.1.1上游边坡

上游坡面设置马道，宽2m，高程为1354.50m，该高程以下坡比为1∶3，坡面设300mm厚C30钢筋混凝土板防渗，板下设置50mm厚C15砼垫层；该高程以上公路路基坡比为1∶2～1∶2.5，坡上防护形式以开元路道路设计为准。

3.1.2下游边坡

下游坡面设置马道，宽2m，高程为1354.50m，马道高程以下坡比为1∶3，坡面填筑500mm厚腐殖土，坡上采用草皮护坡；马道高程以上公路路基坡比为1∶2～1∶2.5，坡上防护形式以开元路道路设计为准。

3.2 挡水路基下游排水体设计

挡水路基下游设置贴坡排水，顶高程为1339.70m，底高程为1334.20m，坡比取1∶3，设反滤层，分别为土工布、粗砂30cm、砂砾石30cm和干砌石50cm。贴坡排水长435m，桩号为0+565～1+000。

3.3 挡水路基上游混凝土防渗面板设计

3.3.1防渗面板厚度设计

根据土石坝设计规范的相关要求，上游混凝土面板护坡厚度计算公式为

(1)

式中，t—护坡板厚度，m；η—系数，对于整体式大块护面板，η=1.0；hp—累积频率为1%的波高，m；Lm—平均波长，m；b—沿坝坡向板长，b=5.3～60.66m；ρw—水的密度，ρw=1.0t/m3；ρc—板的密度，ρc=2.5t/m3；m—坡度系数，m=3。

通过计算，护坡厚度t=0.044～0.098m，根据混凝土面板堆石坝的相关要求，设计挡水路基高度为20.80m，水头较小，因此本设计上游混凝土防渗面板厚度确定为0.3m。防渗面板下设50mm厚C15砼垫层。板内设置单层钢筋，布置在面板中间位置，顺坡选用直径为14mm的HRB400钢筋，水平方向选用直径为12mm的HRB400钢筋，混凝土防渗面板每10m设置一道垂直缝，缝宽20mm，缝内设置止水，水平方向不设缝。

3.3.2混凝土防渗面板止水设计

混凝土面板垂直缝内止水结构[1]，即在缝内底部设置止水铜片，厚1.2mm，铜片上设置闭孔泡沫板，缝顶部设置φ40mm橡胶棒，橡胶棒上部设置GB止水材料填缝，垂直缝表面手刮聚脲，宽520mm。

3.3.3坝后排水沟设计

坝后排水沟设置在挡水路基下游贴坡排水沟后，共设置2条，每条长30m，与贴坡排水沟垂直布置。坝后沟沟坡由300mm厚的干砌体保护，在100mm厚的砂砾垫层下，垫层设置450g/m2土工布。

3.3.4坝基设计

工程在上游坡脚处修建C30砼防渗齿墙，齿墙厚1m，底高程深入强风化岩0.5m，根据地勘资料，总体来看，强风化岩透水性小(3.6～3.9Lu)，但局部较大，砂砾层达到6.6×10-2cm/s，通过修建防渗齿墙可以有效起到路基防渗的作用，并与趾板连为一体，这样有助于趾板的稳定[2- 4]。

3.3.5混凝土面板及防渗齿墙稳定计算

以挡水路基桩号0+800为典型断面进行计算，坡面面板长60.66m，坡脚18°(坡比1∶3)。

Fx=Gsin18°

Fy=Gcos18°

(2)

f=μFy

式中，G—面板重量，kN；μ—基底摩擦系数，坡面细砂μ=0.30，全风化岩μ=0.40；f—基底摩擦力，kN。

通过计算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，面板不稳定，面板滑动力传递到防渗齿墙上。

同理，计算防渗齿墙抗滑力，计算结果如下：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，防渗齿墙摩擦力大于护坡面板自重产生的滑动力[5]，因此防渗齿墙稳定，结构尺寸满足设计要求。

4 渗流计算

挡水路基典型剖面选用桩号0+800处，高30.93m。其渗透系数选择见表2。

表2 渗透系数取值表

渗漏量、渗透坡降计算选用路基桩号0+800处进行计算。桩号0+800处剖面在各水位情况下的渗漏量见表3。

表3 渗漏量计算表

由计算结果可知，开元路工程路基挡水后渗漏量很小，满足工程渗漏量的要求，因此坝基采用砼防渗齿墙和坡面采用混凝土面板防渗是合理的[6]。

下游坡渗透坡降按下式计算：

(3)

式中，J—渗透坡降；hw—水头损失；H1—上游水位；H2—下游溢出点水头值；L—浸润线长度。

其结果应满足下式：

J≤[J]

(4)

式中，J—计算渗透坡降；[J]—允许渗透坡降。

根据路基桩号0+800处剖面渗流计算结果可知，允许渗透坡降均大于各工况平均比降，满足设计要求。各工况计算比降见表4。

表4 各工况计算比降成果表

5 挡水路基填筑方法

5.1 坝基与岸坡处理

清理坝基、岸坡和防渗齿墙时应对以下部分予以清除，①相对密度小于0.70的砂层；②树根、草皮、木块、瓦砾、砖块、淤泥、乱石、坟墓等；③松动岩石、孤石、施工过程中堆积在坝基内的废渣或弃渣等；④表层腐质土。

5.2 坝基处理要求

坝基清除后，用碾压机械平均碾压4遍，为防止坝体除险造成不均匀沉降或裂缝，岸坡应大致平整，清理后的岸坡坡度不应大于1∶3，坝体与基础应采取斜面连结，清基后如有裂缝应进行处理，对坝基内勘测试验用的试坑、钻孔等应清除其中的杂物，并进行填塞或处理，如遇泉眼及渗透水，应将其导出或另行处理，不宜堵塞。坝基、坑塘需降水，形成干地施工条件，清除淤泥达到建基面要求，边坡按现状地形不陡于1∶3。

5.3 坝体填筑要求

挡水路基的填筑标准参照土石坝设计规范要求进行设计，其砂砾料的相对密度大于等于0.75，细砂岩屑填筑的压实度不低于98%。

5.4 坝料的复查与开采

(1)施工方应根据挡水路基填筑料要求，对料场土料进行质量、储量和运输条件复核，做好土料的供应规划。

(2)土料应按规范要求进行检验，符合要求即可作为上坝材料，不合格的坝料，一律不得运输上坝。

6 结语

挡水路基工程是以挡水为主，兼顾交通、防洪、生态的综合性工程。工程建成后可解决伊旗水资源缺乏问题，完善交通路网，减少疏干水资源的浪费，提高下游城区段的防洪标准。调节中水不仅形成了碧波荡漾的景观水面，创造出良好水景观，还实现了水资源的循环利用，同时通过景观建设，打造滨水生态廊道，提升河道空间活力，给游人及当地市民提供优美的休憩、娱乐环境，具有重大的生态效益和社会效益。