某既有防洪擋土墻加固方案研究

李 星，李方芳

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 401120)

某既有防洪擋土墻位于水庫(kù)下游，防洪擋土墻墻體較高，現(xiàn)狀墻體瘦薄，建成運(yùn)行數(shù)年后，局部墻體已出現(xiàn)險(xiǎn)情，存在較大安全隱患。本文結(jié)合工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件和擋墻病害特征，運(yùn)用聯(lián)合支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)組合，通過計(jì)算表征擋墻安全性能的工程參數(shù)，對(duì)比分析加固措施前后擋土墻，驗(yàn)證了加固措施的可靠性。

1 工程概況及擋土墻病害特征

1.1 工程概況

某工程段防洪擋土墻位于河道的左岸，距離上游水庫(kù)壩體約500 m處，防洪擋土墻長(zhǎng)670 m，防洪為集鎮(zhèn)建設(shè)開發(fā)項(xiàng)目附屬工程。防洪擋土墻建成后，常年受洪水沖刷影響，墻體沿岸出現(xiàn)局部墻身變形、鼓包、裂縫等病害特征，存在較大安全隱患。擋土墻保護(hù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，堤防工程主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)。

1.2 擋土墻現(xiàn)狀問題

(1)防洪擋土墻現(xiàn)狀墻頂高程不滿足防洪要求，影響保護(hù)場(chǎng)鎮(zhèn)行洪安全；

(2)防洪擋土墻現(xiàn)狀出現(xiàn)裂縫、鼓包等不良現(xiàn)象，已建墻體現(xiàn)狀抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定均不滿足規(guī)范要求，且墻體提供的抗力嚴(yán)重不足；

(3)墻體排水管道堵塞嚴(yán)重且分布較少，排水措施不到位，使護(hù)岸排水不暢，墻面滲水嚴(yán)重，影響護(hù)岸結(jié)構(gòu)安全；

(4)擋墻防洪擋土墻建成后期墻頂修建臨河建筑(房屋)距離堤頂過近，已成建筑形成的附加荷載加之已建擋墻上，嚴(yán)重影響護(hù)岸結(jié)構(gòu)安全。

2 工程布置及加固方案比較

根據(jù)地質(zhì)勘察成果及工程場(chǎng)地條件，結(jié)合安全評(píng)價(jià)鑒定結(jié)果，對(duì)工程段防洪擋土墻提出格構(gòu)錨固、原擋墻培厚、樁基承臺(tái)式擋墻、抗滑樁三個(gè)加固方案進(jìn)行比較選擇[1]。

方案一：格構(gòu)錨固+原擋墻培厚

格構(gòu)錨固：對(duì)于墻前覆蓋層較深擋墻段，采用錨桿和混凝土格構(gòu)梁形成復(fù)合加固結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)兩排錨桿，錨桿鋼筋束提供受力所需鋼筋截面。

圖1 方案一 擋墻整治典型橫斷面

原擋墻加厚：對(duì)于墻前覆蓋層淺基巖出露擋墻段，對(duì)現(xiàn)有擋墻迎水面處新建漿砌塊石擋墻，新建擋墻與現(xiàn)有擋墻設(shè)插筋加強(qiáng)連接，二者形成復(fù)合體聯(lián)合受力。

圖2 方案一 原擋墻培厚典型結(jié)構(gòu)圖

方案二：樁基承臺(tái)式擋墻

通過設(shè)置樁基承臺(tái)式擋墻對(duì)原擋墻提供抗力改善原擋墻受力情況，設(shè)兩排C30鋼筋砼抗滑樁，抗滑樁頂部為L(zhǎng)形C25鋼筋砼擋墻，L形擋墻頂部位于原擋墻頂部以下，墻底兼做樁基承臺(tái)。

圖3 方案二 擋墻整治典橫斷面型圖

方案三：抗滑樁

設(shè)兩排C30鋼筋砼抗滑樁，抗滑樁置于基巖下，并用C25鋼筋砼擋土板連接，擋土板底部置于沖刷深度以下，擋土板之間用砂礫石回填，樁與墻之間、樁與樁之間用C25鋼筋砼桁架梁連接聯(lián)合受力。

圖4 方案三 擋墻整治典橫斷面型圖

表1 三種加固方案綜合比較表

綜上，方案一、方案二、方案三對(duì)原擋墻受力情況都能得到很好改善，方案一在投資方面優(yōu)勢(shì)明顯，故本階段推薦方案一，即采用格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)型式和原擋墻培厚對(duì)原防洪擋土墻分段進(jìn)行加固。

3 格構(gòu)錨固防洪擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 擋墻穩(wěn)定計(jì)算

擋土墻采用庫(kù)侖土壓力理論進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算基底應(yīng)力、穩(wěn)定驗(yàn)算及上墻截面驗(yàn)算都采用容許應(yīng)力理論。

(1)作用在擋土墻上的荷載及其組合

1)作用在擋墻上的荷載

各種荷載主要有：擋土墻自重及填土重、擋土墻墻后填土破裂體范圍內(nèi)的各種恒載及人群等臨時(shí)活荷載、土壓力、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力。

2)計(jì)算工況及荷載組合

重力式擋墻在中、枯水位下穩(wěn)定最差，計(jì)算工況選擇設(shè)計(jì)洪水位驟降0.5 m～1 m，設(shè)計(jì)枯水位以及不利中水位三種情況[2]。同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際情況，確定以下三種計(jì)算工況，即基本組合：工況1、工況2；特殊組合：工況3。

正常運(yùn)用情況：

工況1：正常運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)洪水位下的穩(wěn)定滲流期或不穩(wěn)定滲流期的背水側(cè)堤坡。

工況2：設(shè)計(jì)洪水位驟降期的臨水側(cè)堤坡。

非常運(yùn)用情況:

工況3：施工期(含竣工期)的臨水、背水側(cè)堤坡。

(2)計(jì)算參數(shù)

1)原擋土墻參數(shù)如下：

擋土墻重度r=22 kN/m3，砂卵石土基底摩擦系數(shù)取0.4，地基承載力特征值350 kPa；基巖基底摩擦系數(shù)取0.4，地基承載力特征值800 kPa。

2)擋土墻的抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

穩(wěn)定驗(yàn)算(抗剪公式)采用如下公式計(jì)算:

(1)

3)擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算

抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算按下列公式計(jì)算:

(2)

(3)計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)測(cè)斷面，本工程原擋墻格構(gòu)錨固段選取巖石基礎(chǔ)上擋墻最高斷面和卵石土上擋墻最高斷面為標(biāo)準(zhǔn)斷面。對(duì)擋墻整治前后按照規(guī)范分別進(jìn)行各種工況的結(jié)構(gòu)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見計(jì)算成果表2，計(jì)算結(jié)果表明各標(biāo)準(zhǔn)斷面整治措施滿足抗傾、抗滑穩(wěn)定要求。

表2 格構(gòu)錨固擋墻段穩(wěn)定計(jì)算成果表

本工程原擋墻培厚段選取巖石基礎(chǔ)上擋墻最高斷面9 m和最矮斷面6 m為控制斷面，對(duì)擋墻整治前后按照規(guī)范分別進(jìn)行各種工況的結(jié)構(gòu)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見計(jì)算成果表3，結(jié)果表明各控制斷面整治措施設(shè)計(jì)合理，滿足抗傾、抗滑穩(wěn)定要求。

表3 擋墻培厚段穩(wěn)定計(jì)算成果表

3.2 格構(gòu)錨固框架梁配筋計(jì)算

根據(jù)靜力平衡條件，集中力F可以分為作用在橫梁上的Fx和作用在縱梁上的Fy，橫縱方向均為多跨連續(xù)梁。橫縱方向的分力Fx、Fy依據(jù)文克勒彈性地基梁計(jì)算[3-5]，公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)x=0.5F，F(xiàn)y=0.5F，錨桿軸向力與擋墻墻面夾角為14.29°，錨桿設(shè)計(jì)拉力值為500 kN，故Fx=Fy=242.17 kN。

計(jì)算彎矩和剪力，進(jìn)行配筋計(jì)算。本工程格構(gòu)橫梁取10 m橫梁段作為橫向典型梁進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)取長(zhǎng)度最短即最不利的縱向梁作為典型梁進(jìn)行計(jì)算，長(zhǎng)度為4.8 m，計(jì)算時(shí)考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.20，受力圖見圖6。

圖5 橫向梁受力圖

圖6 縱向梁受力圖

經(jīng)計(jì)算，縱向梁最大彎矩為242.17 kN·m，橫向梁最大彎矩為72.64 kN·m?？v向梁最大剪力為193.74 kN，橫向梁最大剪力為145.30 kN。故用取彎矩為242.17 kN·m、取剪力為193.74 kN進(jìn)行配筋計(jì)算，公式如下：

as=KM/fcbh02

(7)

(8)

(9)

計(jì)算得As=1926.89 mm2，故選用鋼筋4根B25鋼筋，實(shí)際配筋受拉鋼筋配筋面積1964 mm2。

斜截面承載力抗剪計(jì)算：

根據(jù)規(guī)范要求，矩形截面受彎桿件，其受剪截面應(yīng)符合下列要求。

hw/b≤4.0時(shí)，KV≤0.25fcbh0

(10)

hw/b≥6.0時(shí)，KV≤0.2fcbh0

(11)

計(jì)算得KV=222.80 kN≤0.25fcbh0=786.5 kN，故截面滿足構(gòu)造要求。

根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)于僅配有箍筋的矩形截面受彎桿件，其斜截面受剪承載力應(yīng)該符合下列規(guī)定[6]：

KV≤Vc+Vsv

(12)

Vc=0.7ftbh0

(13)

Vsv=1.25fyvAsvh0/s

(14)

計(jì)算得KV=222.80 kN>Vc=213.36 kN，故對(duì)格構(gòu)梁選配箍筋，計(jì)算得Vc+Vsv=373.06 kN>KV=222.80 kN，滿足規(guī)范要求。

3.3 錨桿設(shè)計(jì)分析

(1)錨桿桿體截面面積計(jì)算

根據(jù)《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》，錨桿桿體截面面積應(yīng)按下式確定[7]：

(15)

本工程設(shè)計(jì)采用HRB500熱軋鋼筋，取值435 N/mm2。

(2)錨桿錨固長(zhǎng)度計(jì)算

1)錨桿的桿體截面面積計(jì)算

根據(jù)《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》(CECS 22：2005)，錨桿桿體截面面積應(yīng)按下式確定：

(16)

計(jì)算得本工程錨桿桿體截面面積至少為1839.08 mm2，故選用3根C28 HRB500滿足要求。

2)錨桿錨固長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》(CECS 22：2005)，錨桿或單元錨桿的錨固段長(zhǎng)度可按下式估算，并取其中的較大值：

(17)

(18)

經(jīng)計(jì)算，La>5.84 m且La>2.98 m，因此，綜合考慮，加固擋墻錨桿錨固段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度取為6 m。

4 結(jié)論

本文通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定了采用格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)型式和原擋墻培厚對(duì)原防洪擋土墻分段進(jìn)行加固的組合加固方案。對(duì)加固后的防洪擋土墻進(jìn)行抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定都得到大幅度提高，滿足規(guī)范要求。同時(shí)對(duì)混凝土格構(gòu)梁、錨桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，結(jié)果表明混凝土格構(gòu)梁配筋率適中，錨桿錨固長(zhǎng)度在規(guī)范規(guī)定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，能為已建防洪擋土墻提供足夠的抗力。加固后的既有擋墻受力情況得到很好的改善，穩(wěn)定性得到提高，加固方案經(jīng)濟(jì)合理。