阿克苏河流域多浪延伸工程挡墙设计与稳定性验算

王起银

（新疆塔里木河流域阿克苏管理局 新疆 阿克苏 843000）

挡墙也就是俗称的护坡，传统的挡墙工程对边坡的处理主要是强调其强度功效，一般建于坡地，用以加固土坡或石坡，防止山崩，以及防止土块和石块落下以保护行人和附近建筑物的安全。亦可防止水土侵蚀，在本工程中主要是用于河堤加固防止水土侵蚀。在进行挡墙施工时，受到场地、工程地质条件等的限制，常常无法采用放坡开挖的方式建造临时边坡，传统的挡墙结构型式及其施工工艺无法实施。所以，为了保证挡墙结构的可行性，需要结合工程实际进行工程挡墙结构型式的设计。

1 工程概况

本工程为渠首枢纽工程，主要布置有引水闸、冲沙闸、护底堤坝、溢流堰和导流堤等。冲沙闸与河道主流方向一致，位于枢纽左侧，引水闸与河道主流方向呈现31.64°夹角，位于枢纽右侧，两闸之间通过圆弧形翼墙进行连接，设计流量3.34m3/s，闸室净宽3m，闸底板高程1700.9m，消力池高程1700.5m，闸墩顶高程1705.7m，闸室高4.8m，引水闸铺盖长度为10m，闸室长度为7m，冲沙闸布置3孔弧形钢闸门，闸室总净宽12m。

本工程按两岸分层引水型式布置，泄洪闸底板高程1420.5m。东岸进水闸高程为1421.7m，西岸进水闸高程为1421.5m，泄洪闸两侧设悬板式冲砂廊道，闸后采取裙板消能，闸底板用耐磨砼护面。进水闸、泄洪闸均为弧形钢闸门。导流堤用砂卵石填筑，迎水坡用浆砌卵石护砌，复合土工布防渗。

2 挡墙型式设计

2.1 工程条件

工程区河流河床中的深覆盖层的岩性一般均为单一的第四系的砂卵砾石，具有透水性强、结构松散、孔隙率大等特征[1]。中部出露中生界，边缘为古生界，褶皱和断裂稀少，未见岩浆侵入活动。本工程挡墙设计还必须考虑经常性浸水与季节性浸水、水对墙身的冲刷作用等等[2]。根据《中国地震动参数区划图（2001）》分析，工程区地震动峰值加速度0.05g，相应的地震基本烈度6度，属抗震有利地段。

由于该工程区深层为砂卵砾石，较为适宜做衡重式浆砌石挡墙。而浅层的细粉砂土质不适宜作为填土，但是外购土换填会增大建设成本。故而采用自嵌式+衡重式浆砌石挡墙技术，在碎石反滤层后，用粉细沙+灰土（也就是加入一定配比的水泥调配成的灰土）进行回填，再用400g反滤土工布包裹，用土工格栅加筋，成功解决了这一难题。

2.2 挡墙型式设计

结合该堤段地形，对于陡岸及河滩高程较低段采用浆砌石挡墙。挡土墙横断面形式的选择按堤防稳定性、经济性、合理性等综合因素考虑，挡土墙段堤防位于县城城区及乡镇周边，其断面形式在满足自身稳定及强度的情况下，结合县城的人文景观、城市建筑物布局进行选取，拟选择的挡土墙形式为衡重式浆砌石挡土墙。

使用衡重式浆砌石挡土墙可以大大减小重力式挡土墙断面的尺寸，而且一般在挡墙高度小于12m时采用。根据《堤防工程设计规范》GB50286-98进行本次堤防断面与挡墙型式的设计，首先考虑如何在墙体位置布设排水孔；其次，对于排水孔的布设要分正常和非正常两种情况分别考虑和计算。

本工程所选择的堤防断面型式必须能充分满足墙身强度、整体稳定性的要求，减少断面设计工作量，并且能够结合工程实际进行堤防断面设计。本工程各个河段的堤防高度均在10m左右，完全符合衡重式浆砌石挡土墙的适用范围，故而采用本型式挡墙。中间设5道沉降缝，纵向共分6段，中间段挡墙最高达11m，基础宽达5m，挡墙立面和侧面各断面如图1所示。

3 挡墙稳定性验算

3.1 工程时期与实际情况

在本工程挡墙整体稳定计算过程中，选用以下三种计算情况。

（1）完建期。作用于挡土墙的荷载，主要有挡土墙自重和土压力，当墙后地下水位高时，墙后受静水压力，底部受扬压力作用。

图1 本工程挡墙立面和侧面各断面图

表1 断面参数一览表

（2）正常挡水位运用期。上游为正常挡水位，下游为相应的低水位，此时作用挡土墙上的荷载有自重、土压力、水重、静水压力、扬压力、浪压力等。

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（3）非常挡水位期。上游为校核洪水位，下游为相应低水位。作用荷载类别与正常挡水位运用期相同，只是具体荷载大小不同。

浆砌石衡重式挡土墙设计断面稳定复核计算，挡墙稳定复核计算分别在各工程段选择一个墙体最高的断面进行复核计算，作为最不利断面。断面结构型式为顶宽0.5，临水坡 1∶0.1，上墙背水坡 1∶0.25，下墙背水坡1∶0.20。

结合本工程实际情况来看，适合采用衡重式浆砌石挡墙型式。为了使最终设计出来的挡墙在土压力和外荷载等作用下，充分满足稳定性和强度等要求，在挡墙设计过程中，应该对其沿基底的抗滑动稳定性、抗倾覆稳定性、基底应力和偏心距以及墙身强度等进行验算。由于篇幅所限，本文只进行了抗滑动稳定性及抗倾覆稳定性验算。而且一般情况下，主要由滑动稳定性及倾覆稳定性来控制设计，其他各项可不必验算[3]。

3.2 抗倾覆稳定验算

抗倾覆验算按照下列公式计算。

式中，ΣMb——对b点的抗倾覆稳定力矩的和，kN/m；

ΣM b'——对b点的倾覆力矩的和，kN/m。

受力分析如图2所示。

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-98)，4级堤防正常运用条件下防洪墙的抗倾覆安全系数应不小于1.45，非常运用条件下防洪墙的抗倾覆安全系数不小于1.35。经计算，正常运用条件下防洪墙K0=5.7＞1.45，非常运用条件下K0=1.60～2.53≥1.35，证明设计挡墙抗倾覆安全系数满足规范要求。

图2 本工程挡墙受力分析图

3.3 抗滑稳定性验算

根据下列公式，将本工程相关数据代入可以求得：

其中，Ks——抗滑稳定安全系数；

Σf——总抗滑动力，kN；

Σf'——总滑动力，kN。经计算：

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-98)，4级堤防正常运用条件下防洪墙的抗滑安全系数应不小于1.20，非常运用条件下防洪墙的抗滑安全系数不小于1.05。经计算，正常运用条件下防洪墙Ks=2.63＞1.20，非常运用条件下Ks=1.14～1.55≥1.05，挡土墙抗滑稳定是满足要求的。

3.4 地基应力验算

地基应力验算,按照下列公式。

式中，∑N——垂直力的总和，kN/m；

∑M——力矩的总和，kN/m；

F——堤防基础底面面积，m2；

W——地基基础底面的截面模量，m3；

[δ]——地基允许应力，kN/m2，根据《地质勘察报告》，[δ]=200kPa(砂砾石地基)。

经计算 δ=102.50kPa～171.20 kPa≤200 kPa，地基承载力可以满足设计要求。

以上计算结果证明本工程所采用的浆砌石挡土墙是安全的。

4 结论与展望

由上述过程可以看出，衡重式挡土墙是一种利用土的下压力和墙重心的后移作用以增加墙稳定性且节约断面尺寸的一种挡墙设计模式。一般情况下，当工程的施工位置确定时,土质的参数是较难改变的。因此，选定挡墙形式后，需要对挡墙的尺寸进行不断调整，以符合其稳定性的验算。

目前，由于高科技在相关领域的应用，注重研究土颗粒与衡重式挡墙筋带之间的摩阻理论已不再适用。我们只要借助电阻应变就可以非常直观地观察到挡墙加筋环在土压作用下产生的拉伸变形，没必要再进行深入的微观分析，只要积累一定量的观察资料即可，通过对资料的分析和研究，便可提出适用于本地区工程条件的设计标准。这种革新对衡重式挡墙外部形态和所适用的工程条件几乎没有任何影响，它保留了挡墙的全部工程特性，外部稳定计算理论和方法也不用做任何改变。陕西水利

[1]邓铭江,裴建生,王智.干旱区内陆河流域地貌单元特征及地下水储水构造[J].水力学报.2006,(11):1360-1365.

[2]郭明权.浸水地区挡土墙的设计[J].山西建筑,2007,33(2):131-132.

[3]陈晖.重力式挡土墙的稳定性验算[J].山西建筑.2008,(6):138-139.