宋集屯水库溢洪道尾水渠衡重式挡土墙设计

刘春梅，李 军

(1.黑河市水务局，黑龙江 黑河 164300；2.黑河市水利勘测设计院，黑龙江 黑河 164300)

宋集屯水库溢洪道尾水渠衡重式挡土墙设计

刘春梅1，李 军2

(1.黑河市水务局，黑龙江 黑河 164300；2.黑河市水利勘测设计院，黑龙江 黑河 164300)

宋集屯水库尾水渠常年受水流冲刷，现挡土墙已不能正常使用，急需重新修建。本文根据宋集屯水库溢洪道的尾水渠两侧挡土墙设计方案，给出了衡重式挡土墙的设计、计算过程，为衡重式挡土墙设计提供参考。

衡重式挡土墙；设计；土压力；计算

1 概 况

宋集屯水库位于黑龙江省黑河市爱辉区西岗子镇境内，公别拉河支流阿陵河下游，距黑河市50 km，地理坐标为东经127°17′、北纬49°56′。坝址以上流域面积295 km2，是一座以灌溉、防洪为主，结合发电、养鱼等综合利用的中型水库。宋集屯水库枢纽工程由拦河坝、溢洪道、引水建筑物、发电厂及尾水渠等组成。

2 溢洪道尾水渠工程现状及存在问题

宋集屯水库溢洪道建于1963年，溢洪道尾水渠总长224.00 m，底宽为25.43～33.59 m，坡比1∶0.5～1∶0.9，底坡i=0.002。溢洪道尾水渠已运行多年，常年受水流冲刷，因资金限制，尾水渠一直没有进行过维修加固，尾水渠右侧边坡冲刷得立陡，左侧边坡不成形，现已不能正常运用，不但影响溢洪道正常泄流，而且对两岸及下游人民生命财产安全构成严重威胁，重新修建尾水渠刻不容缓[1]。

3 尾水渠两侧挡土墙设计

3.1 尾水渠两侧挡土墙型式选择比较方案

分别对溢洪道尾水渠两侧边墙采用衡重式挡土墙和悬臂式挡土墙两方案进行比较，方案一：溢洪道尾水渠两侧边墙为衡重式挡土墙，墙顶宽0.5 m，底宽2.0 m，墙高5.2 m；方案二：溢洪道尾水渠两侧边墙为悬臂式挡土墙，墙顶宽0.4 m，底宽4.6 m，墙高5.5 m；投资见表1。

表1 溢洪道尾水渠两侧不同型式挡土墙投资比较表

经两方案分析比较，方案一造价低，经济上合理，所以本次设计采用方案一衡重式挡土墙结构型式方案，墙顶宽0.5 m，底宽2.0 m，墙高5.2 m。

3.2 衡重式挡土墙设计资料

衡重式挡土墙为4级建筑物，基本荷载组合，挡土墙墙高5.2 m，基础埋深1.0 m，墙后填土水平，地基为碎石土，墙后回填风化岩。地基容许承载力[R]=300 kPa，地基与基础内摩擦系数f=0.45，填土湿容重γ=26.1 kN/m3，γ饱=26.1 kN/m3，γ浮=15.1 kN/m3，内摩擦角φ=28°，墙背摩擦角δ=φ，滑动稳定安全系数[Kc]=1.2，抗倾安全系数[K0]=1.4，基底压力分布不均匀系数[η]=2.5，结构图见图1。衡重式挡土墙为增加安全性配置构造筋，直径为12 mm，间距为200 mm。

图1 衡重式挡土墙结构图

3.3 衡重式挡土墙受力分析

3.3.1 土压力计算方法选用

目前通用的土压力计算方法是库仑理论(1773)和朗肯理论(1857)[2]。库仑理论可用于墙背是垂直的或倾斜的、墙背是光滑的或粗糙的、墙后填土表面是水平的或是倾斜的、墙后填土表面无附加荷载或有附加荷载。库仑理论计算土压力所适用挡土墙墙背与铅直线形成夹角的范围是+20°～-20°之间。

3.3.2 库仑理论的基本假定

(1)假定土中破裂面为一平面。

(2)墙后填土为均质无粘性土。

(3)当墙体发生一定位移(移动或转动)时，墙后土体中形成破裂棱体，并沿墙背和土中出现的破裂面滑动。

(4)挡土墙和破裂棱体均视为刚体，破裂棱体处于极限平衡状态，Ea与墙背法线方向成δ角，R与破裂面成φ度角，Ea和R均偏向阻止棱体滑动的一侧。

3.3.3 应用库仑理论的注意事项

(1)由于将墙后填土的曲面破裂面假定为平面破裂面，当墙背为仰斜，且倾角(墙背与水平面的夹角)等于土壤内摩擦角φ时，土压力为零，但此情况下墙仍受压力，原因则是墙背仰斜较大时，破裂面形状更为弯曲，不是平面所能代表的，故引起较大偏差，设计者应充分考虑到这一点。当墙背为俯斜且倾角很大时，墙后填土可能产生第二破裂面，此时土压力应按第二破裂面计算，避免不必要的浪费。因第二破裂面在第一破裂面内侧，所包围的楔形土体比较小，故所产生的土压力较第一破裂面情况时要小，设计挡土墙时，断面尺寸应酌情减小。

(2)由于库仑理论假定滑动面为平面，其计算方法更适合于砂性土，当用于黏性土时，其土压力计算公式有所不同，可用等效内摩擦角计算，不可用错。

(3)假如墙后填土不是无限远的，即坡面陡于破裂面，如岩石、开挖的坡面等，则与库仑理论计算土压力所假设的条件不符，存在有限范围内的填土问题。此时，如果岩石或土壤的陡坡是稳定的，则陡坡面就是破裂面，按力的平衡所求得主动土压力值比按库仑理论计算的主动土压力要小一些，故挡土墙断面尺寸可适当减小。

(4)库仑理论假定墙后填土是无限远的，即在足够长的距离内是均匀的，并且是不变形但可以破裂，而且破裂面能够在填土内发生，填土颗粒沿破裂面下滑时对挡土墙产生侧向压力。墙后填土破裂面是一曲面，为计算方便，土压力计算时假定为一平面，从这一平面(破裂面)与墙背之间形成的楔状土体各力平衡中，求出最大土压力。

本次土压力计算选用库仑理论计算。

3.3.4 衡重式挡土墙计算

衡重式挡土墙分别按上墙和下墙把两力叠加起来进行计算，上墙需计算第二破裂面，下墙可按虚拟墙背法计算[2-3]。

3.3.4.1 土压力计算

(1)上墙土压力计算(墙前后均无水)

第二破裂角

(1)

土压力公式如下：

(2)

P1=γH1ka=28.32 kN/m

(3)

(4)

(2)下墙土压力计算

土压力公式如下：

ΔG1=γΔC1BC2=41.4 kN

(5)

ka′=

=0.13

(6)

(7)

(8)

Δα2=α2-α2′=2.43°

(9)

δ2′=δ2-Δα2=16.32°

(10)

(11)

E2=P2×H2=22.5 kN

(12)

(13)

E3=P3×H2=18 kN

(14)

式中：α为墙背倾角，°；δ为墙背摩擦角，°；ΔG为延长墙背与实际墙背之间土楔重量，kN；Ka为主动土压力系数；E为作用于挡土墙的主动土压力，kN；P为土压力强度，kN·m-1；EX，EY为土压力的水平和垂直分力，kN；γ为填土的重度，kN·m-3；α1，α2为上墙和下墙墙背倾角，°；φ为土内摩擦角，°；δ1，δ2为上墙和下墙的墙背摩擦角，°；H1，H2为上墙和下墙的墙高，m。

3.3.4.2 墙身自重、土重及各力对前趾力矩计算

墙身自重、土重计算及各力对前趾力矩计算见表2。

表2 各力力矩计算表

∑G=311.74 kN

∑H=54.50 kN

∑M=355.94 kN·m

3.3.4.3 稳定验算

(1)抗滑验算

(15)

满足要求。

式中：KC为计算抗滑稳定安全系数；∑G为作用于挡土墙基底全部竖向荷载之和，kN；∑H为作用于挡土墙全部水平向荷载之和，kN；f为挡土墙底面与地基土之间的摩擦系数；KC为容许抗滑稳定安全系数。

(2)抗倾验算

(16)

满足要求。

式中：∑MY为作用于墙身各力对墙前趾的稳定力矩，kN；∑Mo为作用于墙身各力对墙前趾的倾覆力矩，kN；K0为抗倾覆稳定安全系数。

(3)偏心矩及地基应力验算

(17)

(18)

(19)

式中：B为挡土墙基底宽度，m；∑G为作用于挡土墙的全部竖向荷载之和，kN；∑M为各力对前趾端点力矩，kN；δmax为最大应力，kPa；δmin为最小应力，kPa；η为基底压力分布不均匀系数。

所以地基应力满足要求，设计衡重式挡土墙尺寸合理。

4 结 论

宋集屯水库溢洪道尾水渠建成后，保证了溢洪道正常泄流。通过对溢洪道尾水渠两侧边墙的衡重式挡土墙的压力计算，给出了计算土压力的适用条件及土压力的计算方法，为水工挡土墙的设计提供了算例，积累了经验。

[1] 黑河市水利勘测设计院.黑河市宋集屯水库水毁修复实施方案[R].黑河：黑河市水利勘测设计院，2013.

[2] 管枫年，薛广瑞，王殿印.水工挡土墙设计[M].北京：中国水利水电出版社，1996.

[3] 中华人民共和国水利部.SL 379-2007水工挡土墙设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2007.

刘春梅(1979-)，女，工程师，主要从事防汛抗旱工作。E-mail：liuchunmei452@163.com

U417.1+1

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2096-0506(2015)05-0044-03