新建擋土墻與其附近已有攔擋工程最小安全距離探討

劉 磊，寧勇華，王 婷

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

1 問題由來

秦嶺隧洞工程為陜西省引漢濟(jì)渭工程的組成部分，隧洞為明流洞，全長81.779 km，設(shè)計(jì)流量70 m3/s，多年平均輸水量15.05億m3。沿線共設(shè)置棄渣場10處，以接納隧洞棄渣，全部位于地形陡峻的秦嶺山區(qū)。涼水井棄渣場為其中之一，選址位于陜西省安康市寧陜縣四畝地鎮(zhèn)涼水井村，蒲河右岸，占地14.6 hm2，堆置方量115萬m3（壓實(shí)方），為三級臨河型棄渣場。當(dāng)?shù)卦缫言谠撎幮藿ㄓ袧{砌石河堤，堤頂寬0.6 m，外露高度5 m。因堆渣而需要新建的擋土墻選址也位于該河堤附近，且該河堤應(yīng)當(dāng)?shù)匾?，不得拆除或覆蓋。其一，若新建擋土墻設(shè)計(jì)在河堤之外，則已有河堤將被堆渣完全覆蓋，成為隱蔽工程，而且將占用并縮窄蒲河河道，無法獲得當(dāng)?shù)卣昂拥拦芾聿块T的同意；其二，若將新建擋土墻修筑在河堤之上，因?yàn)楹拥痰脑O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低于新建擋土墻設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且河堤內(nèi)部破損情況未知，無法進(jìn)行穩(wěn)定設(shè)計(jì)；其三，新建擋土墻若退后一定距離修建，則由于會減少一定的連續(xù)耕種面積而遭到當(dāng)?shù)卮迕竦馁|(zhì)疑。經(jīng)過討論，最終決定擋土墻按照方案三執(zhí)行，工程在確保擋土墻穩(wěn)定的情況下，需要求出擋土墻與河堤最近距離，遵循最大限度少占用耕地的原則，以確保當(dāng)?shù)卮迕竦睦妗?/p>

2 安全距離確定的思路

已有攔擋工程（即河堤）根據(jù)現(xiàn)狀只能獲得其墻頂寬和外露部分墻高，實(shí)際修筑的斷面形式和內(nèi)部破損情況未知，在計(jì)算分析中將其視為“保護(hù)對象”，即除去河堤在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮的荷載（如墻后填土體產(chǎn)生的土壓力，墻外水流作用力，墻頂荷載等）之外，盡量不使其受到新建擋土墻修建后產(chǎn)生的新荷載，即維持老河堤受力狀態(tài)基本不變，來求得新建擋土墻與老河堤的最短距離。

新建擋土墻的地基土體假設(shè)為連續(xù)介質(zhì)，無黏性，半無限空間彈性體，各向同性，用一般土力學(xué)方法來定義土中的應(yīng)力。

新建擋土墻設(shè)計(jì)為土工格柵擋墻，由面墻、格柵和填料組成，與墻后棄渣容重基本相當(dāng)，本文在研究安全距離時(shí)，格柵擋墻荷載以豎直向的均布荷載P代替，其寬度為B。由于擋墻修建長度L遠(yuǎn)大于寬度B，因此將擋墻基底視為條形基底[1]。

在以上假設(shè)條件下，按照土力學(xué)方法，求出均布荷載P的作用下（即格柵擋墻修建后），地基土體中的附加應(yīng)力分布情況，使已有河堤盡量分布在附加應(yīng)力影響范圍之外,求出此時(shí)的安全距離值S即可。

3 附加應(yīng)力分析

根據(jù)以上思路，建立坐標(biāo)軸，求出基底中任意一單元點(diǎn)的附加應(yīng)力，計(jì)算圖見圖1。

圖1 基底單元點(diǎn)附加應(yīng)力計(jì)算圖

條形基底受均布荷載作用，利用附加應(yīng)力計(jì)算式求解附加應(yīng)力分布，計(jì)算式如下[2]：

式中：σz為應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)處的豎向附加應(yīng)力值；P為均布荷載值，本例中 P=160 kN/m2；m 為系數(shù)，m=x/B；n 為系數(shù)，n=z/B。

令：

式中：Kz為無因次量。

根據(jù)涼水井棄渣場的實(shí)際，B=8 m，由此Kz僅為x和z的函數(shù)，將Kz的計(jì)算結(jié)果按x值和z值列表見表1。

表1 Kz隨x、z變化取值表

根據(jù)表1，繪制Kz值等值線分布圖，見圖2。

圖2 Kz值等值線分布圖

由上圖可以得出Kz值的幾種變化規(guī)律：

規(guī)律一：在同一深度z范圍內(nèi)（即同一水平線上），Kz在x為4時(shí)取最大值，兩邊對稱遞減，逐漸趨近于0，這表明距離新建擋土墻的中心越遠(yuǎn)，基底受到的附加應(yīng)力越小。

規(guī)律二：在x在0～8 m的范圍內(nèi)（即新建擋土墻占地范圍內(nèi)），Kz從1開始隨z值的增加而減少，逐漸趨近于0，這表明在新建擋土墻占地范圍內(nèi)，深度越大，附加應(yīng)力影響越小。

規(guī)律三：在x＞8 m時(shí)（即新建擋土墻占地范圍之外），Kz先是從0開始隨著z值的增加而增加，到某一深度后，又隨著z值的增加而減少，逐漸趨近于0，這表明在新建擋土墻占地范圍外的某一距離處，均存在著一個最大應(yīng)力，并且不同距離處，最大應(yīng)力及其存在的深度均不相同。

規(guī)律四：沒有Kz嚴(yán)格取到0的點(diǎn)位，只是在x或z趨向于無窮大時(shí)，Kz趨近于0。

新建擋渣墻對于土中引起的水平向附加應(yīng)力值σ1應(yīng)為豎向附加應(yīng)力值σz乘以土的側(cè)壓力系數(shù)K0（K0采用經(jīng)驗(yàn)公式K0=1-sinφ′確定[1]，φ′為土的有效內(nèi)摩擦角，根據(jù)涼水井棄渣場的實(shí)際情況，可取K0=0.4）。

4 安全距離的最終確定

由于新建擋墻必然對已有河堤產(chǎn)生附加應(yīng)力影響，在此情況下，先分析已有河堤墻背所受到的現(xiàn)狀主動土壓力σ0，然后疊加σ1，求出擋渣墻修建后已有河堤墻背受到的應(yīng)力（σ0+σ1），比較兩者大小，盡量保證已有河堤的受力狀態(tài)基本不變。

已有河堤其任意深度下受到的土壓力值σ0可采用主動土壓力公式計(jì)算（設(shè)已有河堤后為無黏性土）[1]：

式中：σ0為作用于某深度處的墻后水平向填土應(yīng)力值；γ為填土容重，取20 kN/m3；z為計(jì)算深度，z取0～6之間的值（河堤最大高度6 m）；φ為填土內(nèi)摩擦角，取30°。

對于深度為z處的河堤墻背進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，有：

考察已有河堤受力狀態(tài)的改變程度，可引入受力改變幅度系數(shù) α，令 α=（σ0+σ1）/σ0，則：

由于Kz是x和z的函數(shù)，故α也是x和z的函數(shù)，可仿照“Kz隨 x、z變化取值表”制成“α 隨 x、z變化取值表”，見表 2、（只分析x＞8時(shí)的情況）。

表2 α隨x、z變化取值表

同理，可根據(jù)表2，繪制α值等值線分布圖，見圖3。

圖3 α值等值線分布圖

根據(jù)α的定義，它代表了擋渣墻修建之后與之前，x、z處河堤所受到的水平向應(yīng)力之比，該值越接近1，越能說明相應(yīng)位置處擋渣墻的修建對河堤的受力改變幅度小，但根據(jù)前文的理論分析，不存在嚴(yán)格的α=1的點(diǎn)位，故實(shí)際中，只能估計(jì)現(xiàn)狀河堤的內(nèi)部受損情況和折舊情況，先提出一個能夠接受的α值，然后在表3和表4中找到相應(yīng)的點(diǎn)位，從而進(jìn)一步確定安全距離S，例如：

選定α不能超過1.4，那么在整個河堤高度范圍內(nèi)（z=1 m～6 m），x的最小值只能取13 m，此時(shí)S=x-B=13-8=5 m；

選定α不能超過1.2，那么在整個河堤高度范圍內(nèi)（z=1 m～6 m），x的最小值只能取16 m，此時(shí)S=x-B=16-8=8 m；

選定α不能超過1.1，那么在整個河堤高度范圍內(nèi)（z=1 m～6 m），x的最小值只能取21 m，此時(shí)S=x-B=21-8=13 m。

根據(jù)涼水井棄渣場的工程實(shí)際，經(jīng)過幾番現(xiàn)場查勘，對已損毀的河堤斷面進(jìn)行詳細(xì)檢查，并由這些斷面推測整條河堤的受損毀程度，在盡量擴(kuò)大可復(fù)耕面積和盡量維護(hù)擋墻工程安全性之間選取平衡點(diǎn)，設(shè)計(jì)中最終采用α=1.2的設(shè)定，得出安全距離S=8 m，即新建的格柵式擋渣墻在距離已有河堤8 m遠(yuǎn)處放線施工。

5 從壓力擴(kuò)散角度驗(yàn)證安全距離

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，從應(yīng)力擴(kuò)散角度考慮，本工程格柵式擋渣墻下墊面組成大部分為卵石、碎石及石渣，且z/B=6/8=0.75＞0.5，擴(kuò)散角θ可取為30°[3]，由此估計(jì)應(yīng)力擴(kuò)散邊緣距離新修格柵式擋渣墻約為3.46 m，其值小于本文設(shè)計(jì)采用值8 m，表明S=8 m屬于偏安全的范圍。土工合成材料加筋墊層其壓力擴(kuò)散角宜由現(xiàn)場凈荷載試驗(yàn)確定[3]，而現(xiàn)場缺少基礎(chǔ)持力層內(nèi)摩擦角、壓縮模量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，擋渣墻下墊面也無換填處理措施；另外，考慮到已有河堤外側(cè)為蒲河，存在舊河堤基礎(chǔ)將來受沖刷失穩(wěn)的可能，應(yīng)該在3.46 m之外再預(yù)留安全富余距離，本文選取S=8 m為合適取值。涼水井棄渣場實(shí)施情況見圖4。

圖4 涼水井棄渣場實(shí)施照片

6 結(jié)論

引漢濟(jì)渭涼水井棄渣場于2018年完成施工，本文在分析新建擋土墻對已有河堤的荷載影響時(shí)，從應(yīng)力分析角度出發(fā)，分別分析了新建擋土墻在修建前后對已有河堤受力的不同，重點(diǎn)分析了條形基底受均布荷載時(shí)的附加應(yīng)力分布，并提出受力改變幅度系數(shù)α來反映不同的可接受風(fēng)險(xiǎn)程度，以此來確定不同的安全距離S，可以根據(jù)工程的不同實(shí)際情況，取不同的安全距離S值，為其他在新建擋土墻附近存在必須要保護(hù)而又缺乏資料的已有河堤時(shí)，如何確定安全距離的最小值，具有參考價(jià)值。