水利工程中擋土墻的設計應用

□黃觀幸（江西省水利水電建設有限公司）

0 引言

當前隨著社會經濟的持續(xù)快速增長，我國國民經濟得到了較大的發(fā)展，尤其是涉及民生的水利工程。在水利工程施工過程中，會存在比較復雜的施工環(huán)境，如地形起伏較大、場地不平整等，面如復雜多變的環(huán)境，如何保障工程安全、按時完成時投資者和建設者共同關注的話題，采用擋土墻進行施工防護是維護水利工程施工安全的重要措施。水利工程施工過程中，采用擋土墻可以大幅度提高工程安全性，對潛在的崩塌、滑塌等地質災害可以起到很到的預防和防護作用，同時對于人工建造的陡坡和斜坡也能起到較大的穩(wěn)定作用。從結構上講，擋土墻可以分為重力式擋土墻、懸臂式擋土墻和扶壁式擋土墻。對于擋土墻，尤其是重力式擋土墻，鑒于其結構簡單、施工方便和就地取材的有點，在水利工程中得到了較為廣泛的應用。鑒于擋土墻在水利工程中起到較大的安全防護作用，因此對于擋土墻的安全分析顯得尤為必要，當前多采用安全系數(shù)法為度量，但是定值設計方法對于土壤的各項物理力學指標的隨機性無法進行定量分析，使得擋土墻的定值計算方法的安全系數(shù)偏于不安全，甚至產生破壞的現(xiàn)象。鑒于擋土墻的重要作用，本文首先從擋土墻的分類開始介紹，針對常用的重力式擋土墻，分別從可靠度分析模型介紹，然后結合工程經驗介紹了但土墻存在的問題和改進的措施，接著從細節(jié)上介紹了擋土墻在實際水利工程中的應用，相關研究對于未來類似工程提供一定的理論和工程經驗支持。

1 擋土墻的分類

鑒于擋土墻施工簡便、占地面積小和施工費用少的特點，因此在水利工程中場地高差大、場地起伏大的情況下較為適用。根據(jù)擋土墻的受力形式，擋土墻主要分為重力式擋土墻、扶壁式擋土墻和衡重式擋土墻等。以下做詳細介紹：

1.1 重力式擋土墻

作為水利工程中最為常見的擋土墻形式，以自身重力來維持擋土墻在土側壓力下穩(wěn)定的重力式擋土墻，在水利工程中得到了較為廣泛的應用。重力式擋土墻多采用石塊、片石或混凝土整體澆注的形式；由于其體積和重量均較大，因此在軟土地基上的應用受到了一定程度的應用；同時如果擋土墻墻體太高、需要較多的建筑材料，重力式擋土墻在經濟上也并不劃算。即在地基較好且擋土墻高度適中的情況下，如果當?shù)赜惺峡捎脛t重力式片石擋土墻則是擋土墻形式的首選。關于擋土墻的具體形式如圖1所示。

圖1重力式擋土墻格式圖

根據(jù)圖1所示，維持混凝土穩(wěn)定的形式多是根據(jù)自身重量和上部填土質量進行設計的，隨著擋土墻高度的增加，體積也會較大的增加。鑒于漿砌石重力式擋土墻彼此粘結強度較弱，因此多采用延長墻趾的方式。

1.2 扶壁式擋土墻

作為擋土墻的另一種常見形式，扶壁式擋土墻主要是依靠底板上的填土質量來維持擋土墻的穩(wěn)定的擋土墻。懸臂式擋土墻包括底板、直墻構成，主要構件包括立壁、趾板及踵板等。具體構件形式如圖2所示。

圖2扶壁式擋土墻圖

根據(jù)圖2可知，扶壁式擋土墻結構較為簡單，方便施工，由于踵板的采用，在松軟地基中也能得到較為廣泛的應用。如果施工條件對于擋土墻的高度要求較高時，使得力臂下部彎矩較大，使得對于材料的需求較多，扶壁式擋土墻則體現(xiàn)了其經濟性。

1.3 衡重式擋土墻

對于衡重式擋土墻，分為空腹衡重式和實心衡重式擋土墻，主要結構如圖3所示。

圖3 衡重式擋土墻圖

根據(jù)圖3所示，空腹式混凝土擋土墻，由于墻呈空腹狀態(tài)，可以采取開孔充水或者用渣土填充，這可以較大程度的增加擋土墻的重量，大大增加擋土墻的穩(wěn)定程度。

2 重力式擋土墻結構穩(wěn)定性可靠度分析模型

鑒于重力式擋土墻在水利工程中較為常見，同時在水利工程病害檢測中，重力式擋土墻的穩(wěn)定性成為較為常見的病害，根據(jù)查閱相關文獻和實際工程，穩(wěn)定性是造成重力式擋土墻破壞的主要原因，以下從受力原理上計算重力式擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性，對于重力式擋土墻的穩(wěn)定性提供理論上的支持。

2.1 重力式擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性功能函數(shù)的建立

對于擋土墻的穩(wěn)定性，主要是要求擋土墻不發(fā)生圍繞墻趾的傾覆性破壞，計算模型如圖4所示。

對于其穩(wěn)定性要求的數(shù)學表達式如下：

式中:MR為抗傾覆力矩；MS為傾覆力矩。

根據(jù)庫倫壓力理論可知，當填土表面水平，上部不考慮壓力作用的時候，土壓力計算公式如下所示：

圖4 重力式擋土墻計算模型圖

式中：主動土壓力系數(shù)Ka；其計算公式如下：

式中:γ—墻后填土的重度；H—擋土墻高度；?—內摩擦角；α—擋土墻墻背傾角；δ—土對擋土墻墻背的摩擦角。

根據(jù)上述分析，可得繞墻趾轉動的抗傾覆穩(wěn)定的功能函數(shù)，具體如下式所示：

式中：G—擋土墻自重；Ex，Ey—主動土壓力的水平和垂直分力；G Z x，G Z y，Z—重力、水平土壓力、垂直分力到墻趾距離。

2.2 重力式擋土墻抗滑移穩(wěn)定性功能函數(shù)的建立

對于重力式擋土墻的要求，則要求強身不產生沿基底的滑動破壞，具體如下式所示：

式中：FR、FS—抗滑力和滑動力。

式中：μ—土對擋土墻基底的摩擦系數(shù)；a0—擋土墻的基底傾角；Gn、Gt—重力分力，分別為垂直于基底、平行于基底；Ean，Eat—主動土壓力分力，分別為垂直于基底和平行于基底。

3 工程應用

3.1 工程概況

為了解的抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性驗算在重力式擋土墻安全驗證總的應用，需要通過計算對于實際擋土墻進行安全分析。根據(jù)設計圖紙和實地考察情況，擋土墻墻背傾角α=81.50°，地面均布荷載為10 kPa。擋土墻高度為5 400 mm，觸底寬度為1 200 mm，土背墻摩擦角δ=9.50°；擋土墻背后為人工填土，γ擋土=22 kN/m3，基底以下為雜填土，γ填土=18 kN/m3，其他有關巖土參數(shù)和擋土墻參數(shù)如圖5和表1所示。

圖5 某重力式擋土墻計算示意圖

表1巖土參數(shù)取值表

3.2 穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述公式可知，對于擋土墻的墻背土壓力，根據(jù)庫倫靜止土壓力進行計算，查表可知主動土壓力系數(shù)Ka=4.43×10-1，查規(guī)范可知：

對于重力式擋土墻的抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)計算如下式：

帶入規(guī)范取值參數(shù)，需要滿足Ka≥1.30。

對于重力式擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)計算如下式：帶入規(guī)范取值參數(shù)，需要滿足Kt≥1.60。

代入工程中實際計算參數(shù)，可以得到重力式擋土墻的抗滑移穩(wěn)定性參數(shù)：Ka=0.81＜1.30。

即不滿足規(guī)范對于重力式擋土墻抗滑移系數(shù)≥1.30的要求。

重力式擋土墻的抗傾覆性參數(shù)：

Kt=1.75＞1.60。即重力式擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性參數(shù)滿足規(guī)范要求。

4 結果分析及解決措施

4.1 結果分析

根據(jù)上述分析結果，擋土墻的抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)不滿足規(guī)范要求；根據(jù)現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，擋土墻頂部產生較大變形；綜合分析主要是由以下幾種情況造成：①擋土墻填料主要為可塑性粘土組成，填土性質與原設計采用的砂土，回填后做壓密注漿壓密處理的效果相差較大，即增加了主動土壓力。②填土采用可塑性粘土，同時排水不暢，造成水流停滯給頂部增加了較大的主動土壓力。③擋土墻地基處理不合理，采用雜填土，使得地基無法滿足重力式擋土墻及墻背土壓力在豎向的分離，使得地基發(fā)生較大變形，造成擋土墻的整體滑移甚至傾覆。

4.2 加固措施

根據(jù)上述對于擋土墻穩(wěn)定性不足原因的分析，需要采取以下加固處理措施：增加擋土墻穩(wěn)定主要是增加擋土墻抗滑與抗傾覆的能力。設置傾斜的墻底，通過增加抗滑力來增加整體重力式擋土墻的康華穩(wěn)定性，選擇臺階形式基礎，增加被動土壓力來提高擋土墻的抗滑能力。疏通所有擋土墻的原設計排水孔，對于積水位置考慮增加排水孔，重新施工的話，考慮增加排水孔的梅花形布置，同時孔眼不低于100 mm。改善重力式擋土墻斷面類型的方式進行改進。如擋土墻較高時選擇增加卸荷平臺，或者改善擋土墻與地基接觸方式或者提高地基處理等級。

5 結語

擋土墻的作用主要是通過維持擋土墻背后土體的穩(wěn)定性來增加水利工程的安全性，因此對于水利工程建設工程需要合理設置擋土墻，選擇合理的擋土墻形式，充分發(fā)揮擋土墻維持水利工程安全的作用。對于重力式擋土墻而言，需要做好擋土墻的結構穩(wěn)定性分析計算，保障工程安全。對于重力式擋土墻的常見穩(wěn)定性問題，文章做了計算，通過與規(guī)范要求對比分析，提出了擋土墻失穩(wěn)的原因，并分析了針對性的解決措施。相關研究對于未來類似工程提供可資借鑒的經驗。

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