水工擋土墻設(shè)計、計算及在工程應(yīng)用中需注意的幾個問題

韓超　李輝

摘 要：簡要介紹擋土墻在工程實際中設(shè)計、計算過程，并總結(jié)了在擋土墻計算及應(yīng)用過程中需注意的幾個問題。

關(guān)鍵詞：水工；擋土墻；設(shè)計；計算；問題

1 研究背景

改革開放以來，水利投資不斷加大。隨著投資不斷加大，近年來修建了大量水工建筑物，這些水工建筑物為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及保護(hù)人民群眾生命財產(chǎn)安全發(fā)揮了巨大作用。在興建的各種水工構(gòu)筑物中，擋土墻在各種水利水電工程及各種渠系建筑物中有著廣泛的應(yīng)用，在其中大部分的水工構(gòu)筑物設(shè)計中，都會遇到有關(guān)擋土墻的設(shè)計內(nèi)容。下面將水工擋土墻計算及在各種水工建筑物中實際應(yīng)用經(jīng)驗總結(jié)如下。

水工擋土墻有多種形式。其中主要和常用的結(jié)構(gòu)形式有重力式、衡重式、半重力式、懸臂式、扶臂式、板樁式和空箱式等。其中，在水工建筑物中應(yīng)用最為廣泛的為重力式、懸臂式和扶臂式。

重力式擋土墻以墻體本身重量平衡外力以滿足穩(wěn)定的要求，大多采用混凝土和漿砌石建造。重力式擋土墻由于體積、重量較大，在地基上往往由于受地基承載力限制，不宜太高，一般高度以6m以下較為經(jīng)濟(jì)。由于重力式擋土墻多就地取材、施工方便、構(gòu)造簡單、造價相對較低，故在中、小型水工建筑物或一些不宜修建混凝土部位廣泛應(yīng)用。懸臂式擋土墻由斷面較小的立墻身和底板（前趾板和踵板）組成，屬于輕型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其穩(wěn)定性主要靠踵板上填土重來保證。懸臂式擋土墻可以在較高范圍內(nèi)應(yīng)用。一般8米以下高度范圍內(nèi)應(yīng)用較多。扶臂式擋土墻由墻面板、底板（前趾板和踵板）和扶臂三部分組成，屬輕型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其穩(wěn)定性主要靠踵板以上填土重來保證。高度大于10m的擋土墻多采用這種形式。扶臂式擋土墻一般在大型水利水電工程中有較廣泛的應(yīng)用。

2 擋土墻設(shè)計的基本內(nèi)容

2.1 擋土墻的穩(wěn)定性驗算

擋土墻的穩(wěn)定性驗算包括以下內(nèi)容：（1）抗滑穩(wěn)定性驗算。（2）抗傾穩(wěn)定性驗算。（3）地基應(yīng)力驗算和應(yīng)力大小比、偏心距控制。

2.2 擋土墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計

對混凝土、漿砌石擋土墻進(jìn)行截面的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力及剪應(yīng)力驗算，對鋼筋混凝土擋土墻各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和配筋的計算。

2.3 擋土墻的細(xì)部構(gòu)造

擋土墻細(xì)部構(gòu)造主要包括擋墻合理分縫及止水、排水設(shè)計等。

3 擋土墻設(shè)計基本步驟

以前擋土墻穩(wěn)定計算均采用手工計算，其基本步驟為：首先初步擬定斷面尺寸，根據(jù)擋土墻斷面尺寸及水位、填土和地基強(qiáng)度指標(biāo)等相關(guān)條件，參考已有工程建設(shè)經(jīng)驗，初擬出斷面輪廓尺寸及各部分的結(jié)構(gòu)尺寸；根據(jù)正常運(yùn)用、設(shè)計、校核、施工及建成等各種情況分別進(jìn)行相應(yīng)外荷載計算，然后列表求出各種荷載組合情況下的水平力、垂直力及對前趾端點(diǎn)產(chǎn)生的力矩；擋土墻穩(wěn)定性驗算，根據(jù)上述計算結(jié)果，對各種設(shè)計情況分別進(jìn)行抗滑、抗傾穩(wěn)定和地基應(yīng)力的驗算，要求穩(wěn)定安全系數(shù)、地基應(yīng)力滿足相關(guān)規(guī)范要求；如不滿足上述要求，應(yīng)改變斷面輪廓尺寸或采用增加穩(wěn)定措施，重新進(jìn)行穩(wěn)定驗算，直到滿足要求為止；選擇出最不利設(shè)計和荷載組合情況對各截面強(qiáng)度進(jìn)行驗算或配筋計算；最后進(jìn)行相應(yīng)的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計。

4 計算實例

由于篇幅所限，文章僅以懸臂式鋼筋混凝土擋土墻在工程實際中穩(wěn)定計算及應(yīng)用舉例說明。某堤防工程，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級。沿河兩側(cè)修建鋼筋混凝土懸臂式擋土墻，墻身結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

擋土墻計算已知條件：墻后填土水平，中等密實粘土地基，回填砂礫土，地基容許承載力[R]=180KN/m2，容許應(yīng)力大小比[η]=2.5，基地摩擦系數(shù)f=0.4，抗滑穩(wěn)定系數(shù)KC≥[KC]=1.3，抗傾穩(wěn)定系數(shù)K0 ≥[K0]=1.5，其他計算參數(shù)見擋土墻計算參數(shù)表（表2）。

擋土墻穩(wěn)定計算公式與整體穩(wěn)定計算公式相同，采用理正計算機(jī)軟件計算。采用軟件計算具有修改簡便、計算效率高、可采用多種工程措施、多種情況設(shè)計等多項優(yōu)點(diǎn)，并且可針對多種擋土墻形式進(jìn)行計算，可涵蓋大多數(shù)現(xiàn)階段在工程中應(yīng)用的擋土墻計算。荷載組合見表3。

其中

（1）土壓力采用庫倫土壓力公式計算。

計算公式：

（2）抗傾覆穩(wěn)定計算公式：

式中：K0-擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑My-對擋土墻基地前趾的抗傾覆力矩（KN/m）；∑Mh-對擋土墻基底前趾的傾覆力矩（KN/m）。

（3）抗滑穩(wěn)定計算公式：

KC-擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f-擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.4。

（4）擋土墻基地應(yīng)力計算：

Pmax/min-擋墻基底應(yīng)力最大值或最小值；∑G-作用在擋土墻上的全部垂直于基底面的荷載（KN）；∑M-作用在擋土墻上全部荷載對于基底面平行前墻墻面方向形心軸的力矩之和（KN/m）；A-擋墻基底面的面積（m2）；W-擋墻基底面對于基底面平行前墻墻面方向形心軸的截面積矩（m3）。

（5）地基應(yīng)力不均勻系數(shù)。

Pmax-擋土墻基底應(yīng)力的最大值；Pmin-擋土墻基底應(yīng)力的最小值。

以上（2）-（5）公式中的計算參數(shù)如下：

[η]-基底應(yīng)力最大值與最小值之比的允許值，[η]=2.5；[σ]-地基允許承載力；[KC]-允許的抗滑穩(wěn)定系數(shù)，[KC]=1.3；[K0]-允許的抗傾覆滑穩(wěn)定系數(shù)，[K0]=1.5。

經(jīng)計算各項系數(shù)均滿足穩(wěn)定要求。

5 計算及實際應(yīng)用中需注意問題

5.1 基礎(chǔ)資料收集

由于擋土墻應(yīng)用廣泛，受力復(fù)雜，所以在計算之前，應(yīng)做好基礎(chǔ)資料收集工作，包括地基參數(shù)選擇、填土參數(shù)選擇、合理確定強(qiáng)度安全系數(shù)等。應(yīng)注意在計算前期收集齊需要用的計算資料，并且保證資料的正確，這樣才能做到事半功倍，為接下來的計算打好基礎(chǔ)。

5.2 擋土墻運(yùn)用情況選擇

作用在擋土墻上的荷載主要有擋墻自重及填土重、在填土面上恒載及汽車、人群等臨時的活荷載、土壓力、靜水壓力、揚(yáng)壓力（包括基地浮托力和滲透壓力）、浪壓力等，擋土墻在施工、建成、檢修和運(yùn)用時期，上述各種荷載會產(chǎn)生不同組合情況，在設(shè)計中需要將同時作用的各種荷載進(jìn)行組合，并將水位作為組合的主要條件來考慮。一般在整體穩(wěn)定驗算中，選擇以下三種情況：（1）完建期，作用于擋土墻的荷載，主要有擋土墻自重和土壓力，擋墻后地下水位高時，墻后受靜水壓力，底部受揚(yáng)壓力作用；此種情況最危險，相當(dāng)于擋墻前無水墻后填土為水平填土，易形成傾覆破壞，在計算時一定要注意；（2）正常運(yùn)用期，上游為正常擋水位，下游為相應(yīng)的低水位，此種情況為正常運(yùn)用時的一般情況，此時作用擋土墻上荷載有自重、土壓力、水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力等；（3）非常擋水期，上游為校核擋水位，下游為相應(yīng)低水位，作用荷載類型與正常運(yùn)用期荷載類型相同，只是具體荷載大小不同；一般在擋墻計算中取前兩種情況作為計算工況來考慮。還有一個重要的問題就是墻前墻后水位的確定。要根據(jù)作用不同荷載不同組合，來確定墻前墻后水位。墻前一般為正常擋水位，需注意的是正常運(yùn)用期墻后水位確定，一定要慎重。經(jīng)過大量計算發(fā)現(xiàn)，墻后水位大于墻前水位則擋墻極易發(fā)生傾覆破壞，地基應(yīng)力也不滿足要求，這在計算中需要格外注意。

5.3 墻后填土內(nèi)摩擦角確定

大多數(shù)擋土墻其穩(wěn)定性主要靠踵板上填土重來保證，其中墻后填土內(nèi)摩擦角是一項很重要的參數(shù)，一般由土工試驗確定。在這一過程中應(yīng)保證實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，因為這一數(shù)據(jù)直接影響到擋土墻穩(wěn)定性計算。

5.4 細(xì)部構(gòu)造設(shè)計

擋土墻的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計同樣重要，如合理確定擋墻的分縫位置、止水、排水設(shè)計等內(nèi)容。一般在混凝土結(jié)構(gòu)擋土墻15m-20m設(shè)一道伸縮縫，漿砌石結(jié)構(gòu)擋土墻10m左右設(shè)一道伸縮縫，伸縮縫用瀝青木板或者橡塑閉孔發(fā)泡板處理，縫寬2cm；為防止墻后水位過高，在適當(dāng)位置應(yīng)設(shè)置一排或者幾排排水孔，以排泄墻后水位，以利穩(wěn)定；一般排水管使用PVC管，內(nèi)填砂礫石，在排水管后部用無紡布包裹，以防止帶走墻后填土。

6 結(jié)束語

擋土墻應(yīng)用范圍較廣、受力復(fù)雜、結(jié)構(gòu)形式多種多樣，文章僅是在計算及實際應(yīng)用中總結(jié)出幾點(diǎn)經(jīng)驗。擋土墻計算及運(yùn)用是一個非常復(fù)雜的過程，在工程實踐中還有許多不同情況沒有發(fā)現(xiàn)，需日后不斷完善。

參考文獻(xiàn)

[1]水工擋土墻設(shè)計[M].中國水利水電出版社，1996.

[2]SL379-2007.水工擋土墻設(shè)計規(guī)范[S].

作者簡介：韓超，男，中級工程師，在職研究生學(xué)歷，現(xiàn)就職于赤峰市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，從事水利規(guī)劃、設(shè)計工作。

李輝（1985，10-），男，本科，2007年畢業(yè)于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于赤峰市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，中級工程師。