宋集屯水庫溢洪道尾水渠衡重式擋土墻設(shè)計

劉春梅，李 軍

(1.黑河市水務(wù)局，黑龍江 黑河 164300；2.黑河市水利勘測設(shè)計院，黑龍江 黑河 164300)

宋集屯水庫溢洪道尾水渠衡重式擋土墻設(shè)計

劉春梅1，李 軍2

(1.黑河市水務(wù)局，黑龍江 黑河 164300；2.黑河市水利勘測設(shè)計院，黑龍江 黑河 164300)

宋集屯水庫尾水渠常年受水流沖刷，現(xiàn)擋土墻已不能正常使用，急需重新修建。本文根據(jù)宋集屯水庫溢洪道的尾水渠兩側(cè)擋土墻設(shè)計方案，給出了衡重式擋土墻的設(shè)計、計算過程，為衡重式擋土墻設(shè)計提供參考。

衡重式擋土墻；設(shè)計；土壓力；計算

1 概 況

宋集屯水庫位于黑龍江省黑河市愛輝區(qū)西崗子鎮(zhèn)境內(nèi)，公別拉河支流阿陵河下游，距黑河市50 km，地理坐標為東經(jīng)127°17′、北緯49°56′。壩址以上流域面積295 km2，是一座以灌溉、防洪為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的中型水庫。宋集屯水庫樞紐工程由攔河壩、溢洪道、引水建筑物、發(fā)電廠及尾水渠等組成。

2 溢洪道尾水渠工程現(xiàn)狀及存在問題

宋集屯水庫溢洪道建于1963年，溢洪道尾水渠總長224.00 m，底寬為25.43～33.59 m，坡比1∶0.5～1∶0.9，底坡i=0.002。溢洪道尾水渠已運行多年，常年受水流沖刷，因資金限制，尾水渠一直沒有進行過維修加固，尾水渠右側(cè)邊坡沖刷得立陡，左側(cè)邊坡不成形，現(xiàn)已不能正常運用，不但影響溢洪道正常泄流，而且對兩岸及下游人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重威脅，重新修建尾水渠刻不容緩[1]。

3 尾水渠兩側(cè)擋土墻設(shè)計

3.1 尾水渠兩側(cè)擋土墻型式選擇比較方案

分別對溢洪道尾水渠兩側(cè)邊墻采用衡重式擋土墻和懸臂式擋土墻兩方案進行比較，方案一：溢洪道尾水渠兩側(cè)邊墻為衡重式擋土墻，墻頂寬0.5 m，底寬2.0 m，墻高5.2 m；方案二：溢洪道尾水渠兩側(cè)邊墻為懸臂式擋土墻，墻頂寬0.4 m，底寬4.6 m，墻高5.5 m；投資見表1。

表1 溢洪道尾水渠兩側(cè)不同型式擋土墻投資比較表

經(jīng)兩方案分析比較，方案一造價低，經(jīng)濟上合理，所以本次設(shè)計采用方案一衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)型式方案，墻頂寬0.5 m，底寬2.0 m，墻高5.2 m。

3.2 衡重式擋土墻設(shè)計資料

衡重式擋土墻為4級建筑物，基本荷載組合，擋土墻墻高5.2 m，基礎(chǔ)埋深1.0 m，墻后填土水平，地基為碎石土，墻后回填風化巖。地基容許承載力[R]=300 kPa，地基與基礎(chǔ)內(nèi)摩擦系數(shù)f=0.45，填土濕容重γ=26.1 kN/m3，γ飽=26.1 kN/m3，γ浮=15.1 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=28°，墻背摩擦角δ=φ，滑動穩(wěn)定安全系數(shù)[Kc]=1.2，抗傾安全系數(shù)[K0]=1.4，基底壓力分布不均勻系數(shù)[η]=2.5，結(jié)構(gòu)圖見圖1。衡重式擋土墻為增加安全性配置構(gòu)造筋，直徑為12 mm，間距為200 mm。

圖1 衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)圖

3.3 衡重式擋土墻受力分析

3.3.1 土壓力計算方法選用

目前通用的土壓力計算方法是庫侖理論(1773)和朗肯理論(1857)[2]。庫侖理論可用于墻背是垂直的或傾斜的、墻背是光滑的或粗糙的、墻后填土表面是水平的或是傾斜的、墻后填土表面無附加荷載或有附加荷載。庫侖理論計算土壓力所適用擋土墻墻背與鉛直線形成夾角的范圍是+20°～-20°之間。

3.3.2 庫侖理論的基本假定

(1)假定土中破裂面為一平面。

(2)墻后填土為均質(zhì)無粘性土。

(3)當墻體發(fā)生一定位移(移動或轉(zhuǎn)動)時，墻后土體中形成破裂棱體，并沿墻背和土中出現(xiàn)的破裂面滑動。

(4)擋土墻和破裂棱體均視為剛體，破裂棱體處于極限平衡狀態(tài)，Ea與墻背法線方向成δ角，R與破裂面成φ度角，Ea和R均偏向阻止棱體滑動的一側(cè)。

3.3.3 應(yīng)用庫侖理論的注意事項

(1)由于將墻后填土的曲面破裂面假定為平面破裂面，當墻背為仰斜，且傾角(墻背與水平面的夾角)等于土壤內(nèi)摩擦角φ時，土壓力為零，但此情況下墻仍受壓力，原因則是墻背仰斜較大時，破裂面形狀更為彎曲，不是平面所能代表的，故引起較大偏差，設(shè)計者應(yīng)充分考慮到這一點。當墻背為俯斜且傾角很大時，墻后填土可能產(chǎn)生第二破裂面，此時土壓力應(yīng)按第二破裂面計算，避免不必要的浪費。因第二破裂面在第一破裂面內(nèi)側(cè)，所包圍的楔形土體比較小，故所產(chǎn)生的土壓力較第一破裂面情況時要小，設(shè)計擋土墻時，斷面尺寸應(yīng)酌情減小。

(2)由于庫侖理論假定滑動面為平面，其計算方法更適合于砂性土，當用于黏性土時，其土壓力計算公式有所不同，可用等效內(nèi)摩擦角計算，不可用錯。

(3)假如墻后填土不是無限遠的，即坡面陡于破裂面，如巖石、開挖的坡面等，則與庫侖理論計算土壓力所假設(shè)的條件不符，存在有限范圍內(nèi)的填土問題。此時，如果巖石或土壤的陡坡是穩(wěn)定的，則陡坡面就是破裂面，按力的平衡所求得主動土壓力值比按庫侖理論計算的主動土壓力要小一些，故擋土墻斷面尺寸可適當減小。

(4)庫侖理論假定墻后填土是無限遠的，即在足夠長的距離內(nèi)是均勻的，并且是不變形但可以破裂，而且破裂面能夠在填土內(nèi)發(fā)生，填土顆粒沿破裂面下滑時對擋土墻產(chǎn)生側(cè)向壓力。墻后填土破裂面是一曲面，為計算方便，土壓力計算時假定為一平面，從這一平面(破裂面)與墻背之間形成的楔狀土體各力平衡中，求出最大土壓力。

本次土壓力計算選用庫侖理論計算。

3.3.4 衡重式擋土墻計算

衡重式擋土墻分別按上墻和下墻把兩力疊加起來進行計算，上墻需計算第二破裂面，下墻可按虛擬墻背法計算[2-3]。

3.3.4.1 土壓力計算

(1)上墻土壓力計算(墻前后均無水)

第二破裂角

(1)

土壓力公式如下：

(2)

P1=γH1ka=28.32 kN/m

(3)

(4)

(2)下墻土壓力計算

土壓力公式如下：

ΔG1=γΔC1BC2=41.4 kN

(5)

ka′=

=0.13

(6)

(7)

(8)

Δα2=α2-α2′=2.43°

(9)

δ2′=δ2-Δα2=16.32°

(10)

(11)

E2=P2×H2=22.5 kN

(12)

(13)

E3=P3×H2=18 kN

(14)

式中：α為墻背傾角，°；δ為墻背摩擦角，°；ΔG為延長墻背與實際墻背之間土楔重量，kN；Ka為主動土壓力系數(shù)；E為作用于擋土墻的主動土壓力，kN；P為土壓力強度，kN·m-1；EX，EY為土壓力的水平和垂直分力，kN；γ為填土的重度，kN·m-3；α1，α2為上墻和下墻墻背傾角，°；φ為土內(nèi)摩擦角，°；δ1，δ2為上墻和下墻的墻背摩擦角，°；H1，H2為上墻和下墻的墻高，m。

3.3.4.2 墻身自重、土重及各力對前趾力矩計算

墻身自重、土重計算及各力對前趾力矩計算見表2。

表2 各力力矩計算表

∑G=311.74 kN

∑H=54.50 kN

∑M=355.94 kN·m

3.3.4.3 穩(wěn)定驗算

(1)抗滑驗算

(15)

滿足要求。

式中：KC為計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用于擋土墻基底全部豎向荷載之和，kN；∑H為作用于擋土墻全部水平向荷載之和，kN；f為擋土墻底面與地基土之間的摩擦系數(shù)；KC為容許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

(2)抗傾驗算

(16)

滿足要求。

式中：∑MY為作用于墻身各力對墻前趾的穩(wěn)定力矩，kN；∑Mo為作用于墻身各力對墻前趾的傾覆力矩，kN；K0為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)。

(3)偏心矩及地基應(yīng)力驗算

(17)

(18)

(19)

式中：B為擋土墻基底寬度，m；∑G為作用于擋土墻的全部豎向荷載之和，kN；∑M為各力對前趾端點力矩，kN；δmax為最大應(yīng)力，kPa；δmin為最小應(yīng)力，kPa；η為基底壓力分布不均勻系數(shù)。

所以地基應(yīng)力滿足要求，設(shè)計衡重式擋土墻尺寸合理。

4 結(jié) 論

宋集屯水庫溢洪道尾水渠建成后，保證了溢洪道正常泄流。通過對溢洪道尾水渠兩側(cè)邊墻的衡重式擋土墻的壓力計算，給出了計算土壓力的適用條件及土壓力的計算方法，為水工擋土墻的設(shè)計提供了算例，積累了經(jīng)驗。

[1] 黑河市水利勘測設(shè)計院.黑河市宋集屯水庫水毀修復(fù)實施方案[R].黑河：黑河市水利勘測設(shè)計院，2013.

[2] 管楓年，薛廣瑞，王殿印.水工擋土墻設(shè)計[M].北京：中國水利水電出版社，1996.

[3] 中華人民共和國水利部.SL 379-2007水工擋土墻設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2007.

劉春梅(1979-)，女，工程師，主要從事防汛抗旱工作。E-mail：liuchunmei452@163.com

U417.1+1

A

2096-0506(2015)05-0044-03