某水庫消力池衡重式擋土墻設計分析

何昕倩，陳積乾

（四川蜀禹水利水電工程設計有限公司,四川 德陽 618000）

0 引言

擋土墻是指支承填方或山坡土體、防止填土或土體變形失穩(wěn)的構筑物，其廣泛用于水利水電、礦山、公路、鐵路工程等各個行業(yè)。水工擋土墻在水庫樞紐、水電站、渠系建筑物、堤防工程中用途甚廣，發(fā)揮著擋土及擋水的作用[1]。擋土墻有重力式、衡重式、懸臂式、扶壁式等多種結構型式，其中衡重式擋土墻因衡重臺使墻身重心后移，墻底應力趨于平衡，可提高擋土高度，增強墻體穩(wěn)定性；下墻仰斜不僅對受力有利，還可減少開挖與回填量，常用于水利水電樞紐工程中的岸墻及翼墻處[2]。

1 概況

四川省某水庫工程是以農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)供水等綜合利用的中型水利工程，其放空隧洞與泄洪隧洞共用一個消力池，樞紐永久主要建筑物為3 級，消力池擋土墻按3 級設計。消力池段建基面置于弱風化砂巖或弱風化粉砂質泥巖上，地基承載力≥900 kPa。

消力池采用底流消能，消力池全長100.0 m，寬34.0 m，深15.0 m，尾坎高7.0 m，池內最高水位13.30 m。消力池底板與邊墻分離，底板采用C30 混凝土澆筑，厚1.0 m；邊墻采用C25 混凝土擋土墻，最大高度16.0 m。

消力池擋土墻高度大，若采用重力式擋土墻方案，其結構斷面及基礎開挖量明顯大于衡重式擋墻；同時衡重式擋墻適用于更高的擋土高度，雖然墻體底面積小，對地基承載力的要求高，但考慮消力池段地基完整性好，承載力高，因此采用衡重式擋土墻方案。

2 體型設計

消力池段擋土墻高度因消力池底板高程不同而高度漸變，此處不作詳述，僅選擇最大墻高為16.0 m的衡重式擋土墻進行分析。衡重式墻身總高H=16.0m，上墻高H1=7.5m，墻頂寬B1=1.0m，衡重臺寬B2=4.15m，底寬B=4.0m，墻面?zhèn)蓉Q直，上墻背坡1∶0.3，下墻背坡1∶0.4，墻底水平。衡重式擋土墻的斷面尺寸見圖1。

圖1 衡重式擋土墻結構圖（尺寸單位：cm）

3 衡重式擋土墻設計

消力池尾坎高度7.00 m（以下文中高度均自擋土墻建基面計），運行期消力池內常水位即7.0 m。如圖1 所示，墻內設排水管降低墻前后水位差，第一排排水孔布置高程11.50 m，第二排排水孔布置高程8.50 m，第三排排水孔布置高程5.70 m。分析消力池的運行條件，確定擋土墻設計應考慮完建期（墻后填土水平，墻后水位5.70 m，墻前水位1.0 m）和運行期工況（墻后填土水平，墻后水位8.50 m，墻前水位7.0 m）。完建期與運行期計算原理相同，因水位組合不同，下墻土壓力、墻前后水壓力及揚壓力計算結果有所不同，各力含義見圖2。

圖2 衡重式擋土墻受力圖

3.1 基本資料

（1）擋土墻的建筑物等級：3級

（2）填土內摩擦角φ=35°，填土粘度系數(shù)C=5 kPa，根據(jù)土體抗剪強度相等條件計算填土等效內摩擦角：φD=arctg（tgφ+C /γH）=35.66°。

（3）上墻背摩擦角δ=φD=35.662°。下墻背摩擦角δ'=φD/2～2φD/3，取δ'=20°。

（4）水上填土濕容重：γ=18（kN/m3），水下填土浮容重：γ'=9（kN/m3）

3.2 擋土墻荷載計算

（1）上墻土壓力

衡重式擋墻上墻的土壓力計算時應進行第二破裂角判別，第二破裂角：a1=45-φ/2=27.17°，墻頂與衡重臺末端連線傾角：aE=40.475°，a1>αE，所以可以形成第二破裂面，以第二破裂面BC1為墻背，傾角a1=27.17°。墻背摩擦角δ=φD=35.662°，墻后填土面水平，β=0°。上墻主動土壓力系數(shù)為：

（2）下墻土壓力

衡重式擋墻為折線型墻背，墻后土壓力計算可采用力多邊形法或延長墻背法。一般多采用延長墻背法進行近似計算。延長墻背法[3]是將下墻背延長與填土表面相交，以此虛構仰斜式擋墻，按庫倫土壓力計算墻背土壓力后取下墻段土壓力分布圖為下墻土壓力作用圖。此法忽略了衡重式擋墻第二滑裂面與延長墻背間的三角形土楔體對下墻土壓力的影響，因此需校正墻背來消除誤差，下墻土壓力計算過程如下：

1）延長下墻墻背，交填土面于C2點，計算ΔC2BC1的重量：

2）校正墻背傾角：

4）按校正墻背AC3計算作用其上的土壓力，主動土壓力系數(shù)為：

5）下墻土壓力與水平方向夾角：a'2+δ'2=-17.44°+15.64°=-1.80°，下墻土壓力不列計算過程，下墻土壓力E、E3、E4、E5見圖 2，E2x、E3x、E4x、E5x為土壓力水平向分力，E2y、E3y、E4y、E5y為土壓力豎向分力。

（3）靜水壓力計算

（4）揚壓力計算

（5）墻身自重、第二破裂面與上墻背間土重計算

墻身自重：G墻=1545.3 kN，第二破裂面與上墻背間土重：G土=452.29 kN

（6）完建期工況的擋墻力及力矩成果見表1。

表1 完建期工況的擋墻力及力矩成果表

3.3 擋土墻結構驗算

（1）抗滑穩(wěn)定

擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：

式中：f為擋墻基底與地基間摩擦系數(shù)；ΣG為作用于擋土墻上全部垂直于水平面的荷載總和；ΣH為作用于擋土墻上全部平行于基底面的荷載總和。

（2）抗傾覆計算

擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：

式中：MV為作用于墻趾處的順時針方向的力矩，即為抗傾覆力矩；MH為作用于墻趾處的逆時針方向的力矩，即為傾覆力矩。

（3）基底應力計算

式中：e為擋墻受力的合力偏心距；ΣM為作用于計算截面以上全部荷載對截面垂直水流流向形心軸的力矩總和；ΣG意義同前。

（4）擋土墻穩(wěn)定計算結果見表2。

表2 擋土墻穩(wěn)定計算成果

4 結論及建議

經(jīng)計算分析，該擋土墻在完建期及運行期均能滿足抗滑及抗傾穩(wěn)定要求，最大基底應力小于地基承載力，最小基底應力為正值滿足不出現(xiàn)拉應力的要求，擋土墻基礎置于堅硬巖石上，基底最大最小應力比值不作控制。為了避免不利運行條件下墻底出現(xiàn)拉應力，在擋土墻與基礎之間設Φ25 錨筋。

擋土墻的安全運行，不僅要設計合理，更要保證施工質量。施工中應注意以下幾點：①水工擋土墻混凝土體積較大，在擋土墻臨水面層已配置了構造鋼筋，但施工中也應做好溫度控制及混凝土養(yǎng)護，避免出現(xiàn)溫度裂縫。②墻后水位對擋墻的運行影響很大，因此施工中應按設計要求做好排水孔布置、坡度、管口反濾料，避免排水管堵塞失效。③擋土墻的墻后填土的內摩擦角是擋墻設計中的關鍵參數(shù)，填土內摩擦角又同填料性質及填筑質量密切相關，施工中應嚴格把控以滿足設計填土要求。