某水庫扶壁式擋土墻破壞原因分析及加固措施研究

王榮魯，孟麗娟，洪崗輝，孫其臣

（1.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2.中國水電基礎局有限公司，天津 301700；3.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

某水庫扶壁式擋土墻破壞原因分析及加固措施研究

王榮魯1，孟麗娟1，洪崗輝2，孫其臣3

（1.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2.中國水電基礎局有限公司，天津 301700；3.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

對某水庫擋土墻破壞原因進行了詳細的調(diào)查與檢測，對擋土墻混凝土進行了多項檢測評估與監(jiān)測資料分析，同時對擋土墻結(jié)構(gòu)進行了復核計算，分析破壞的主要原因。分析表明擋土墻背水面水荷載超載是造成墻體較大變形的主要原因，上部超載也對擋土墻的穩(wěn)定和基底面的應力分布有不利影響，在施工中未按要求設置排水設施是破壞的直接原因。針對擋土墻破壞的現(xiàn)狀，提出了可行的處理方案與加固措施，實踐表明，修復效果良好。

擋土墻；破壞；原因分析；加固措施

1 研究背景

擋土墻是水利水電工程中常用的建筑物，幾乎在所有的防洪、治澇、灌溉、供水和發(fā)電等水利水電工程中都是不可缺少的。它不但具有擋土作用，而且還兼有擋水、導水和側(cè)向防滲等多種功能，應用廣泛和運用復雜是擋土墻的兩個顯著特點［1］。擋土墻的主要和常用的結(jié)構(gòu)型式有重力式、衡重式、半重力式、懸臂式、U型結(jié)構(gòu)、板樁式和空箱式等。扶壁式擋土墻屬輕型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性主要靠底板以上填土重量來保證，高度大于10 m的高擋土墻多采用這種型式。因此，擋土墻發(fā)生事故導致不能發(fā)揮作用，不僅影響整個樞紐工程的正常運用，而且還將增加整個工程中各建筑物的施工難度和工程造價。尤其是岸墻和翼墻的布置，不僅影響水流和側(cè)向防滲條件，而且事關(guān)整個工程的安全，一些水工建筑物的失事，往往是由于翼墻或岸墻的破壞，造成的所屬水工建筑物隨之破壞的嚴重后果［2-4］。

本文通過對發(fā)生位移變形的擋土墻進行檢測、監(jiān)測資料分析及復核計算，找出擋土墻基礎變位、墻體變形及開裂等問題的原因，最終以擋土墻安全狀況的綜合評價為依據(jù)，提出有針對性的修復加固建議。

2 工程概況

某水庫為中型水庫，是北京市國家重點工程的配套工程，水庫主要功能為防洪和供水。工程建設內(nèi)容包括庫區(qū)新建防滲墻、新建泵站及庫尾橡膠壩、改造及維護庫區(qū)現(xiàn)狀建筑物等。由于鐵路客運專線工程從水庫西側(cè)通過，與調(diào)蓄水庫工程交叉施工。庫區(qū)西側(cè)采用防滲墻加高及扶壁擋土墻方案，扶壁式擋土墻位于水庫西堤北部，擋土墻全長190.16 m，自北向南分為14個單元，墻頂高程為59.0 m，上寬0.6 m，基座寬度9 m和9.8 m，扶壁寬度0.8 m，扶壁內(nèi)間距2.7 m，擋土墻平均高度約11 m。扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

場區(qū)15 m深度范圍內(nèi)，為卵礫石單一地質(zhì)結(jié)構(gòu)，工程地質(zhì)條件較好，地基承載力的標準值建議為260 kPa。擋墻設計底高程處有回填土，施工中要求清除回填土，回填砂礫料，厚度為1.5 m。墻后填土為黏性土，分層碾壓，壓實度達到92%。

2011年7月初填筑擋墻后填土過程中發(fā)現(xiàn)擋墻9單元與10單元之間的伸縮縫張開了2 cm。7月23日晚暴雨，次日發(fā)現(xiàn)扶壁式擋墻與改移段擋墻之間的伸縮縫明顯拉大。7月25日，裂縫處距擋墻頂5 m處止水帶被拉開，水從西側(cè)漏出，根據(jù)漏水情況看，止水帶被拉開10 cm左右。此后發(fā)現(xiàn)擋墻基礎均存在不同程度沉降，趾板存在擠壓破壞，擋墻底部出現(xiàn)裂縫，擋墻整體向庫內(nèi)傾斜變形，其安全運行成為問題。本文通過對發(fā)生位移變形的擋土墻進行檢測、監(jiān)測資料分析及復核計算，找出擋土墻基礎變位、墻體變形及開裂等問題的原因，最終以擋土墻安全狀況的綜合評價為依據(jù)，提出有針對性的修復加固建議。

圖1 扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)

3 擋土墻檢測及監(jiān)測情況

3.1現(xiàn)場混凝土檢測方案根據(jù)本工程破壞特點，制定了具體實施檢測方案［5］。首先對扶壁式擋土墻進行全面的缺陷檢查，主要依靠具有工程檢測經(jīng)驗的工程技術(shù)人員在現(xiàn)場目視查明混凝土擋土墻表面存在的病害和缺陷，并采用讀數(shù)顯微鏡、米尺等專用工具量測出裂縫的寬度、長度和位置，伸縮縫的狀況等，并對上述內(nèi)容做好記錄。其次是通過回彈法檢測混凝土的強度，對擋土墻混凝土的強度進行較全面的檢測，因回彈法檢測的回彈值受諸多因素的影響，如混凝土表面平整度、碳化深度和含水量等，因此，為比較準確地檢測擋土墻混凝土的抗壓強度，在無損檢測的基礎上，還采取鉆孔取芯法，實測混凝土的抗壓強度，用以復核回彈儀檢測值。采用讀數(shù)顯微鏡，采用帶拍照功能的裂縫寬度檢測設備，再次對裂縫寬度檢測。最后根據(jù)裂縫性狀，現(xiàn)場選取了6條典型裂縫，對其進行超聲波裂縫深度檢測。

3.2現(xiàn)場混凝土檢測結(jié)論

（1）由普查情況看，目前擋土墻部分單元存在基礎錯臺變位、底部趾板基礎局部脫空，部分相鄰單元伸縮縫拉開、甚至漏水墻體變形、開裂，下部擋土墻裂縫較普遍存在長度不等的裂縫43條，部分裂縫有內(nèi)外貫穿和滲水等問題；（2）擋土墻混凝土回彈推定強度在41.8～55.8 MPa，芯樣實測抗壓強度最低為37.7 MPa，最高達到49.8 MPa，均滿足設計混凝土強度等級C30的強度要求；（3）擋土墻的裂縫均自下而上，裂縫寬度為0.15～1.1 mm不等，長度不一，但均分布在下部的單元，所檢測的6條裂縫最小縫深為15 cm，其余均超過40 cm或者貫穿。貫穿裂縫滲水析白，裂縫的存在將影響整個擋土墻的耐久性，貫穿裂縫對結(jié)構(gòu)安全也存在一定影響。

3.3監(jiān)測系統(tǒng)的布置

（1）沉降觀測點。扶壁式擋土墻自南向北分別為14、13、12…1單元，每單元距擋土墻兩端1 m左右處布設一個沉降觀測點，每單元布設2個沉降觀測點，共28個沉降觀測點。

（2）水平位移觀測點。分別于扶壁式擋土墻1、4、8、11、14單元和直接接墻GY1單元（南側(cè)與扶壁擋土墻相連接）布設6個水平位移觀測點。

（3）傾角計觀測。對應扶壁式擋土墻水平位移觀測處布設5個傾角計，與水平位移觀測平行進行。

3.4監(jiān)測成果分析

（1）沉降量監(jiān)測結(jié)果表明，目前擋土墻的沉降依然在發(fā)展，并未趨于穩(wěn)定；11單元至14單元的沉降量明顯偏大，觀測到的累積最大沉降量為10.48 mm（11單元），累積最小沉降量為0.32 mm（1單元），說明擋土墻的沉降在縱向呈現(xiàn)非均勻性。

（2）14個單元中，有5個單元本身存在不均勻沉降，其中3、10單元整體傾向下游，12、13及14單元整體傾向上游。說明擋土墻的基礎沿縱向存在差異。

（3）水平位移監(jiān)測結(jié)果表明，所有單元的ΔY累積水平位移向庫內(nèi)方向，且其水平位移變化量和累計位移量均無減小或趨穩(wěn)的趨勢。1、4、8單元向庫內(nèi)傾斜位移量較11、14單元小。14單元的沉降和水平位移在觀測期位移量最大，分別達到3.7 mm和3.9 mm。

（4）因沉降與水平位移觀測始于發(fā)生變形破壞之后的7月31日，變形的初值未監(jiān)測到，實際沉降與變形比上述監(jiān)測到的數(shù)值要大。在縱向及垂直擋墻方向的不均勻變形導致了在伸縮縫處部分止水破壞，趾板混凝土局部擠壓破壞。

4 擋土墻復核計算和破壞原因

4.1基本資料根據(jù)《水工擋土墻設計規(guī)范》（SL379-2007），本水庫為II等工程，擋土墻為次要建筑物，為3級建筑物。設計地震烈度8度。水庫西堤平臺0+031～0+219段擋土墻采用C30扶壁式擋土墻，其中0+031～0+070段墻高11.1m，0+070～0+219段墻高12.1 m。扶壁式擋土墻取兩相鄰永久縫之間的擋土區(qū)段作為計算單元，對擋土墻結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、地基承載力以及結(jié)構(gòu)應力等進行計算分析。水庫正常蓄水位56.4 m，最高蓄水位58.5 m，汛期為了不影響水庫承擔的防洪任務，以汛限水位48.0 m運行。墻頂活荷載為人群荷載400 kg/m2。

地基為中等堅硬的砂卵石地基，場區(qū)15 m深度范圍內(nèi)，為卵礫石單一地質(zhì)結(jié)構(gòu)，工程地質(zhì)條件較好，地基承載力標準值建議為260 kPa。參數(shù)選擇如下：混凝土墻體容重25 kN/m3，混凝土強度等級C30，裂縫計算鋼筋直徑32 mm，填土內(nèi)摩擦角330°，墻后填土黏聚力0.0 kPa，墻后填土容重19kN/m3，墻背與墻后填土摩擦角17.50°，地基土容重18 kN/m3，修正后地基承載力特征值300 kPa。墻底摩擦系數(shù)0.5，地基土類型為土質(zhì)地基，地基土內(nèi)摩擦角350°，墻后填土浮容重9 kN/m3，地基浮力系數(shù)0.7。

4.2部分設計工況下的計算復核對正常蓄水位、汛期、地震+正常蓄水位共3種工況進行復核［6-7］，各工況對應的庫水位見表1。

抗滑穩(wěn)定系數(shù)允許值、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)允許值及基底應力允許值見表2—4。

表1 特征水位

表2 擋土墻基底面抗滑安全系數(shù)允許值

表3 擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)允許值

表4 擋土墻基底應力最大值與最小值之比的允許值

本工程地基為中等堅硬的砂卵石地基，基本荷載組合時，基底最大應力與最小應力的比值允許值為2.00，特殊荷載組合時為2.50。各計算工況下的計算結(jié)果見表5。

表5 各工況下計算結(jié)果

4.3復核主要結(jié)論

（1）擋土墻在正常蓄水位、正常蓄水位+地震及汛期3種工況下抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、基底應力及基底應力的不均勻系數(shù)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（2）此擋墻破壞時為施工期，水庫汛期水位48 m，墻后水位超過52.0 m時，擋土墻基底應力的不均勻系數(shù)大于2.00；當水位超過55.0 m時，不均勻系數(shù)均大于3.00，均不滿足規(guī)范要求。

（3）當墻后水位超過55.0 m時，抗滑穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求，基底應力不均勻系數(shù)不滿足規(guī)范要求外，基底應力最大值為276.44 kPa，大于地基允許承載力標準值260 kPa。

（4）由于墻后未設置排水溝，致使汛期墻后水位較高，造成超載，使得墻體抗滑穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求，基底應力的不均勻系數(shù)不滿足規(guī)范要求，基底應力最大值大于地基允許承載力標準值，是造成擋土墻發(fā)生較大變位的主要原因。

4.4擋土墻破壞原因分析綜合現(xiàn)場檢測、監(jiān)測資料分析及復核計算的情況來看，破壞產(chǎn)生原因是復雜的，多方面因素引起的。主要包括：（1）擋土墻破壞時正處于施工期，庫內(nèi)水位為汛期水位，墻后水位不宜超過52.0 m。由于暴雨，擋土墻后實際水位遠高于原設計水位，背水面水荷載超載是造成墻體較大變形的主要原因。施工過程中未按設計要求設置排水設施，導致雨后積水不能迅速排出，從而引起超載；（2）擋土墻后大量額外的施工機械及材料堆積導致超載，從而對擋土墻的穩(wěn)定和基底面的應力分布有不利影響；（3）扶壁式擋墻與直墻段擋墻之間的伸縮縫變形明顯，止水帶破壞，有漏水現(xiàn)象，這是由于背水面雨水引起擋土墻超載變形，向庫內(nèi)傾斜，而直墻段擋土墻由于雨水超載引起擋土墻產(chǎn)生傾向庫區(qū)內(nèi)的變形引起的；（4）本工程屬于擴建工程，擋土墻基礎部位的地質(zhì)工作未及時開展，在擋土墻與水庫岸坡銜接處，擋土墻的基礎總是一半落在原狀土一半落在回填土上。雖然本工程基礎處理到位，回填土質(zhì)量控制較好，但仍不能避免尾部擋土墻發(fā)生傾斜和變形。這也是基礎出現(xiàn)不均勻沉降的原因之一。

5 修復方案建議及效果

5.1修復方案建議

（1）首先立即對擋土墻的超載進行卸荷，并加強沉降與變形的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果確定合適的加固處理方案；（2）按原設計及時在擋土墻墻后布置排水降水系統(tǒng)，確保降低墻后水位；（3）擋土墻下部的裂縫系溫度應力產(chǎn)生的裂縫，與基礎的沉降變形無直接關(guān)系，但對工程耐久性產(chǎn)生一定影響，宜在氣溫較低、裂縫開度較大時進行處理，以恢復結(jié)構(gòu)的整體性和防滲性。對縫寬大于0.2 mm的裂縫進行化學灌漿處理并進行表面柔性封閉；對縫寬小于0.2 mm的非貫穿性裂縫僅進行表面柔性封閉；（4）對擋土墻趾板處與塑性防滲墻接縫部位進行檢查，確認止水是否破壞，如破壞增設表層止水；對伸縮縫變形大的部位確認止水材料是否破壞，如破壞增設表層柔性止水系統(tǒng)；（5）擋土墻趾板脫空及破壞部位的處理：將剝蝕部位或脫空的底板進行鑿除直至新鮮混凝土，將基面用水沖洗干凈，然后涂刷界面劑，重新澆筑混凝土；（6）在擋土墻趾板處按原設計增加鉛絲石籠或者重新澆筑混凝土，以提高擋土墻的抗滑穩(wěn)定性，增加擋土墻的穩(wěn)定性。

5.2修復效果本工程擋土墻按照本方案修復后，后期無繼續(xù)沉降變形，裂縫未擴展。2012年7月21日北京市發(fā)生61年來特大暴雨，本工程所處的房山區(qū)為受災最嚴重的地區(qū)，降雨量達到460 mm，本工程經(jīng)過修復后安全運行，未出現(xiàn)破壞和險情，為類似工程的處理提供了成功的經(jīng)驗。

6 結(jié)語

（1）擋土墻施工時，必須嚴格按照設計要求進行，尤其注意排水設施的施工，不能隨意增加頂部荷載；（2）對擋土墻破壞原因分析時，應結(jié)合現(xiàn)場檢測、監(jiān)測成果和復核計算成果，根據(jù)實際基礎情況、破壞形態(tài)和變形發(fā)展趨勢作出綜合判斷；（3）修復方案采用綜合措施，減少荷載、增加排水措施、處理裂縫及更換止水的綜合處理措施是一種切實可行的方法，效果良好，為今后類似工程的處理提供了成功的經(jīng)驗。

［1］ 管楓年，等.水工擋土墻設計［M］.北京：中國水利水電出版社，1996.

［2］ SL379-2007，水工擋土墻設計規(guī)范［S］.

［3］ 劉健，馬偉.淺談?chuàng)跬翂Φ顾脑蚍治黾按胧跩］.廣東建材，2010（3）：141-142.

［4］ 潘吉祥.重力式擋土墻的坍塌原因分析及加固措施［J］.巖土工程界，2006，19（8）：69-70.

［5］ SL 352-2006，水工混凝土試驗規(guī)程［S］.

［6］ SL203-1997，水工建筑物抗震設計規(guī)范［S］.

［7］ SL191-2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范［S］.

Destruction reason analyses and reinforcement measure study of counterfort retaining wall of a reservoir

WANG Ronglu1，MENG Lijuan1，HONG Ganghui2， SUN Qichen3
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Glcle in River Basin，Beijing 100038，China；2.Sinohydro Foundation Engineering Co.，Ltd，Tianjin 301700，China；3.China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research Co.Ltd，Tianjin 300222，China；）

In order to find out the destruction reasons of a retaining wall of a reservoir，detailed investiga?tion and detection was carried out.On the other hand，the retaining wall concrete was detected，evaluated and the monitoring data was analyzed，and also check calculation of the retaining wall structure was execut?ed.It is indicated that overloading of water load on the negative side of the retaining wall is the main rea?son that gives rise to the relatively large deformation of the wall，and upper overloading also has some ad?verse effect on the stabilization of the retaining wall and the stress distribution of the foundation surface. The direct reason of the destruction is that the drainage facilities were not installed as required during the construction process.According to the current destruction conditions of the retaining wall，feasible treatment schemes and reinforcement measures are presented.It is proved that the rehabilitation effect is favorable.

Retaining wall；Destruction；Reason analysis；Reinforcement measures

TU476

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.01.008

1672-3031（2015）03-0201-05

（責任編輯：王冰偉）

2014-09-28

中國水利水電科學研究院科研專項“十二五”重點科研資助項目（結(jié)集1246）；水利部“948”項目（201301）

王榮魯（1979-），男，山東臨沂人，碩士，高級工程師，主要從事水工建筑物檢測評估研究。

E-mail：wangrl@iwhr.com