貼坡式擋墻設(shè)計

江 波,邱 玲

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610072)

貼坡式擋墻設(shè)計

江 波,邱 玲

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610072)

貼坡式擋墻是一種常見的擋墻結(jié)構(gòu)型式，兼有坡面保護、防淘防沖等功能。通過分析明確貼坡式擋墻破壞機理、受力特點及抗滑、抗傾覆安全決定因素，提出貼坡式擋墻設(shè)計控制要點，指導(dǎo)貼坡式擋墻設(shè)計。

貼坡式擋土墻;破壞模式;荷載組合;抗滑穩(wěn)定;抗傾覆穩(wěn)定

0 前 言

貼坡式擋墻是一種常見的擋墻結(jié)構(gòu)型式，兼有坡面保護、防淘防沖等功能，同重力式、衡重式擋墻不同，自身重力一般對邊坡整體穩(wěn)定性貢獻較少。貼坡式擋墻作為護岸在河道防護中得到大量的使用，但近年也出現(xiàn)了不少貼坡式擋墻水毀事故。

藏木水電站混凝土拌合系統(tǒng)護岸上游接尾水渠擋墻，下游延伸至藏木大橋，全長約420 m。護岸按照20年一遇洪水標準設(shè)計(Q=8 870 m3/s)，相應(yīng)水位高程為3 257.78 m。護岸采用混凝土貼坡式擋墻同下部防沖墻相結(jié)合的結(jié)構(gòu)型式，高程3 247.50～3 260.00 m采用混凝土貼坡式擋墻，高程3 247.50 m以下設(shè)置防沖墻，貼坡式擋墻同防沖墻之間采用錨筋連接。擋墻基礎(chǔ)下層為河床沖積堆積層(alQ4)，上層為人工回填土(mlQ4)，如圖1所示。

護岸施工先在高程3 247.50 m平臺利用沖擊鉆完成防沖墻槽孔施工，整體下入鋼筋籠后灌注防沖墻混凝土，最后完成高程3 247.50 m以上貼坡式擋墻施工。

圖1所示混凝土貼坡式擋墻同下部防沖墻相結(jié)合的結(jié)構(gòu)型式可以在不填筑縱向圍堰、河道水位高不能大開挖及澆筑水下混凝土時采用，滿足河道防護、防淘要求的同時，可以縮短并節(jié)約一定的工期和投資。

圖1 貼坡式擋墻典型結(jié)構(gòu)型式(單位：cm)

1 貼坡式擋墻破壞模式

(1)坡面失穩(wěn)。貼坡式擋墻本身對坡面穩(wěn)定貢獻較小，坡面整體失穩(wěn)由邊坡本身引起，貼坡式擋墻同邊坡一起發(fā)生滑移，這種破壞一般因坡體本身坡度過陡、坡體土體物理力學指標不滿足要求、墻后地下水位過高、墻后排水不暢等引起。

通過設(shè)置合理的墻后土體坡度，控制墻后填土物理力學指標等可以防止此種破壞發(fā)生。

(2)面板傾覆破壞。因水力淘刷、滲透導(dǎo)致貼坡式擋墻墻背填土被逐漸帶走，形成空腔，造成面板向被側(cè)塌陷、傾覆(見圖2)，可見墻背填土被淘空，混凝土面板在水壓力作用下發(fā)生剪切破壞。在貼坡式擋墻填土坡度過陡時也可能發(fā)生向臨河側(cè)的傾覆破壞，但這種情況出現(xiàn)的幾率較小。

圖2 貼坡式擋墻破壞案例1

通過設(shè)置合理的墻后土體坡度、可靠排水、設(shè)置反濾,可以防止此種破壞發(fā)生。

(3)面板滑移破壞。因面板抗滑穩(wěn)定不滿足要求發(fā)生的破壞(見圖3)，可見面板整體下滑造成的擦痕，破壞過程中面板整體完好，或者僅在面板中部出線水平裂縫。

通過提高墻后填土基底摩擦系數(shù)等可以防止此種破壞發(fā)生。

(4)面板強度破壞。面板強度、剛度不滿足要求，在外荷載作用下發(fā)生破壞(如水力沖刷)。

總結(jié)近年貼坡式擋墻失事案例，因面板滑移破壞引起的事故較多，破壞發(fā)生可能毫無征兆，破壞發(fā)展迅速(可能向上下游傳遞)，危害巨大，且抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)影響因素眾多，本文重點分析貼坡式擋墻抗滑穩(wěn)定安全及影響因素。

圖3 貼坡式擋墻破壞案例2

2 貼坡式擋墻穩(wěn)定及影響因素分析

2.1 貼坡式擋墻荷載組合

貼坡式擋墻在正常運行工況下荷載組合見圖4，其主要承受荷載見表1。

圖4 貼坡式擋墻荷載組合

荷載名稱計算式荷載方向面板自重GG=γcV, γC為混凝土的重度;V為面板體積垂直向下墻前水壓力F1F1=γwh21/sinθ/2, γw為水的重度;h1為墻前水位垂直坡面指向坡內(nèi)墻后水壓力F2F2=γwh22/sinθ/2, h2為墻后水位垂直坡面指向坡外基底揚壓力UU=γw(h1+h1)×b, b為基底寬度垂直向上脈動水壓力PfrPfr=±2.31βmAKpρwv2/2, βm為面積均化系數(shù);A為作用面積;ρw為水的密度;Kp為脈動壓強系數(shù);v為斷面平均流速垂直坡面指向坡外(不利工況)錨桿拉力F3F3=n×N, N為單根錨桿拉力;n為錨桿數(shù)量垂直坡面指向坡內(nèi)防沖墻、錨筋提供的剪力及水平向摩擦力F4水平指向坡內(nèi)土壓力F5因貼坡式擋墻墻背一般較緩,土壓力一般為被動土壓力(反力)垂直坡面指向坡外坡面對面板的摩擦力F6F6=fF5, f為坡面同面板的摩擦系數(shù)沿坡面向上

2.2 貼坡式擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)推求

采用剛體極限平衡法推求貼坡式擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

(1)滑動力

ΣS=(G-U)×sinθ-F4×cosθ

(1)

其中θ為坡面仰角。

(2)抗滑力

ΣR=f×F5=f×((G-U)×cosθ+

F1-F2+F3+F4sinθ-Pfr)

(2)

其中f為坡面填土同貼坡混凝土面板間的摩擦系數(shù)。

(3)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

k=f×((G-U)×cosθ+F1-F2+F3+

F4sinθ-Pfr)/((G-U)×sinθ-F4×cosθ)

(3)

2.3 貼坡式擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)影響因素及提高措施

由式(3)可知抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)k相關(guān)影響因素，對這些影響因素進一步分解可以得到提高貼坡式擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的措施，見表2。

表2 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)影響因素分析

2.4 貼坡式擋墻抗傾覆影響因素及提高措施

因貼坡式擋墻設(shè)計中一般會選擇較小(合適)的坡面坡度，貼坡式擋墻一般不會發(fā)生向臨河側(cè)的傾倒破壞。貼坡式擋墻抗傾覆(臨河側(cè))影響因素及提高措施見表3。

表3 抗傾覆影響因素分析

3 貼坡式擋墻設(shè)計

3.1 軸線選擇

貼坡式擋墻軸線應(yīng)做到順、直，滿足河道防護及岸坡目標保護的同時，不侵占原始河道斷面、不影響河道過流及行洪，防止河道流態(tài)紊亂、流速增大及引起回流。

3.2 坡度選擇

在貼坡式擋墻設(shè)計過程中應(yīng)選擇合適的坡面仰角，確保坡面穩(wěn)定，防止因θ太大帶來坡面穩(wěn)定及貼坡式擋墻抗滑、抗傾覆問題，一般θ不應(yīng)大于地質(zhì)推薦穩(wěn)定開挖坡比。θ在貼坡式擋墻設(shè)計過程中一般結(jié)合邊坡穩(wěn)定分析確定。

3.3 墻后土體墻背土體填土的物理力學參數(shù)內(nèi)摩擦角、粘聚力、土體(填土)同貼坡式擋墻面板之間的摩擦系數(shù)關(guān)乎貼坡式擋墻抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)。墻背為原狀土時，應(yīng)選擇合適的開挖坡比，必要時可采取必要的地基處理手段；墻背為填土時，宜采用強度較高砂卵石、開挖石渣料等，不宜采用沙壤土、崩坡積土等，并確保碾壓回填質(zhì)量。

3.4 面板設(shè)計

貼坡式擋墻抗滑穩(wěn)定并非依托面板自重，貼坡式擋墻設(shè)計中面板并非越厚越好。面板只要滿足強度、剛度要求即可，甚至混凝土面板可以利用其它輕質(zhì)、超薄、高強度材料代替，盲目增加面板厚度對貼坡式擋墻抗滑穩(wěn)定是不利的。

3.5 排水設(shè)計

降低墻背地下水位可以提高貼坡式擋墻抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)，在貼坡式擋墻設(shè)計中需要注意以下事項：

(1)設(shè)置可靠的排水措施并確保排水通暢；

(2)設(shè)置可靠的反濾措施，防止地下水及河道水流淘蝕帶走墻后填土細顆粒，進而引起后續(xù)反應(yīng)。

3.6 錨固設(shè)計

在貼坡式擋墻墻背設(shè)置一定數(shù)量的錨桿，對提高貼坡式擋墻抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)是非常有用的，在錨桿施工造孔困難時可以采用自進式錨桿。

3.7 面板同下部基礎(chǔ)連接設(shè)計

貼坡式擋墻面板同基礎(chǔ)(或下部防滲墻)之間的可靠連接對提高貼坡式擋墻抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)是非常有利的。

3.8 伸縮縫設(shè)計

面板之間伸縮縫應(yīng)采用填縫材料可靠填縫，防止水流脈動壓力傳遞到墻背，建議在伸縮縫設(shè)置止水。

4 結(jié) 語

本文分析了貼坡式擋墻典型的破壞模式、影響貼坡式擋墻抗滑穩(wěn)定及抗傾覆穩(wěn)定的因素，并梳理了貼坡式擋墻設(shè)計中的注意事項。采用合理的設(shè)計方法和設(shè)計手段，輔以嚴格的施工質(zhì)量過程控制，貼坡式擋墻水毀事故是可以得到控制的。

2016-08-23

江波(1981-)，男，湖北十堰人，高級工程師，從事水電站廠房設(shè)計及項目管理工作。

TU476.4

B

1003-9805(2017)01-0023-03