水工挡土墙特点与结构形式分析

於正芳

【摘要】本文针对水工挡土墙的特点以及结构形式进行了系统分析，首先概括指出了水利工程领域中水工挡土墙的构造要求，然后就常见的水工挡土墙结构形式进行了逐一分析与阐述，最后结合某堤防工程实例，就河道两侧悬臂式水工挡土墙的结构设计要点进行了分析，望能够引起业内人士的共同关注与重视。

【关键词】水工挡土墙；特点；结构形式

水工挡土墙是指在水利水电领域工程建设中用于防治土体滑塌以及承受土体压力的特殊挡土建筑物。既往报道中认为，由于水工挡土墙多需要在浸水环境中工作，必须承受不同特征水位变化所产生的水压力，同时还应当满足水工建筑主体对水流条件的相应要求。鉴于水工挡土墙运行环境的特殊性与复杂性，目前已根据不同应用条件产生了多种水工挡土墙结构形式，在构造以及设计方面均具有一定的特殊性。本文即针对水工挡土墙的结构形式及其设计要点进行分析与总结。

1、水工挡土墙构造要求

相较于其他工程领域的挡土墙结构而言，考虑到水工领域建筑物运行环境以及工作条件的特殊性，在挡土墙构造方面有一定的特殊要求。主要体现在以下几个方面：第一，为了实现水工挡土墙与主体建筑的岸墙连接，以方便止水装置的设置，改善水流条件，故在水工挡土墙构造中墙身临水面大多采用直立形式，少数为营造景观效果也有采用台阶式形式，挡墙背侧则应当优先选用悬臂或俯斜形式。第二，考虑到工作条件的特殊性，在水工挡土墙结构构造中应进行防渗设计与处理，硬质不透水水工挡土墙结构分缝间必须设置垂直性止水装置，且与墙前防渗底板之间的水平止水构成封闭系统，以确保止水密封性能；生态透水型挡土墙在背土侧设置透水土工布防止土体流失。第三，为满足挡土墙稳定要求，挡土墙底板一般要求坐落于土层物理力学性质较好的土层上，若土层无法满足挡墙的承载力或抗滑稳定需求，则应进行地基处理，处理方式包括换填土和桩基加固等。第四，水工挡土墙的墙顶高程应考虑两岸连接、墙前水位、风浪爬高、安全超高等条件加以确定。在确定基础埋置深度时，则必须充分考虑地基岩性、冻层深度、冲刷深度等相关参数，以确保水工挡土墙结构科学合理。

2、水工挡土墙常见结构形式

在当前技术条件支持下，水工挡土墙的结构形式呈现出了多样化的发展趋势与特点，在工程实践领域中，常用的水工挡土墙结构形式包括重力式水工挡土墙、衡重式水工挡土墙、悬臂式水工挡土墙、扶壁式水工挡土墙、锚杆水工挡土墙、加筋土水工擋土墙等多种类型。不同结构形式的水工挡土墙在具体特点以及适用范围方面多存在一定的差异性。具体分析如下：

1）重力式挡土墙。此种结构形式水工挡土墙是指借助于水工挡土墙自身重力以确保土压力作用下挡土墙结构的稳定性，在国内水利工程建设领域中应用比较广泛，多选用混凝土或石料砌筑而成，结构形式如下图（见图1）所示。重力式挡土墙多遵循因地制宜原则就地取材，结构简单，经济效益良好且施工方便，在小型水工建筑物中应用优势突出。但由于此类重力式挡土墙结构体积较大且重量较大，在土地基基础之上可能受到地基承载作用力的约束，因此高度有一定限制。而在岩基结构中，虽然不会受到承载力影响，但考虑到结构断面以及材料耗费问题，故仍然建议将重力式挡土墙的高度控制在6.0m范围内。

图1：重力式挡土墙结构形式示意图

2）半重力式挡土墙。半重力式挡土墙多选用混凝土原料砌筑形成。与前述重力式挡土墙对比，半重力式挡土墙断面更小、前后底脚较大，且需要根据混凝土结构强度进行配筋优化。由于此类水工挡土墙的断面小，故能够更加有效的利用混凝土结构抗拉强度，在高度相同的前提下，地基应力更低，且较少出现应力集中分布现象。结合水利工程实践应用经验来看，若地基基础较软或地下水水位偏高，可以半重力式挡土墙替代重力式挡土墙，挡土墙结构高度多在8.0m以内。

3）衡重式挡土墙。衡重式挡土墙是通过墙体重心后移以及衡重台上部填土自身重力的方式对抗土体侧压力，以确保自身结构稳定性，主要由上墙结构、下墙结构以及衡重台这三个部分构成，砌筑原料以浆砌石或混凝土为主。在选用衡重式挡土墙结构时，衡重台以下可以直接于开挖边坡内进行混凝土浇筑，极大节约了模板支护开支。同时，衡重式挡土墙结构中，衡重台以下墙背断面为仰斜，因此可以在一定程度上减轻土压力值。相较于重力式以及半重力式挡土墙而言，衡重式挡土墙的断面相对较小，尤其是对于容许承载力较高的岩基基础而言，该结构形式下挡土墙高度可达到20.0m以上。

4）悬臂式挡土墙。悬臂式挡土墙在水工建筑领域中同样比较常见，主要通过踵板以及趾板上填土重量以确保结构稳定。此类结构形式挡土墙主要构成包括立壁、趾板、以及踵板这三个部分，结构轻型化。在实际应用中，悬臂式挡土墙结构构造较为简单，对松软地基基础有较好的适应性，对于地震高发以及石料不足的区域较为适用。但考虑到随着高度增加，水工挡土墙立壁结构下方弯矩作用力有同步增长趋势，因此会导致混凝土以及钢筋用量的增加，故从经济性的角度考虑，多将悬臂式水工挡土墙结构高度控制在6.0m～9.0m范围内。

5）加筋土挡土墙。加筋土挡土墙是指通过将拉筋加入土体内的方式，借助于土体与拉筋间的摩擦作用，以提高土体性能，改善土体变形条件，从而稳定土体，确保挡土墙结构作用可靠发挥。目前技术条件下，加筋土挡土墙主要由填料、填料中拉筋以及墙面板这三个部分构成。加筋土属于柔性结构物，对地基基础轻微变形有良好的适应性，填土作用下所致地基变形对此类挡土墙结构稳定性的影响相对较小，因此结构整体具有良好的抗震特点。除此以外，加筋土挡土墙在实际应用中还具有占地面积小，造价低廉以及造型美观等诸多优势，对于地形平坦且宽敞的填方区域有非常良好的适用性。

3、水工挡土墙地基处理

挡土墙基础设计时，应根据挡土墙所处工程位置的地勘资料，充分分析地基土的组成，并根据土层物理力学参数计算挡土墙稳定，若地基土承载力或挡土墙抗滑稳定不满足要求，应进行地基处理，常用的地基处理方式有换填土和桩基。

换填土处理方法常用于河道水流速度较慢且结构较小的水工挡土墙型式，该方法是在挡土墙底部挖除原有物理力学参数较差的土层，如淤泥土、浜填土之类，换成土质较好的土体或包含加强土体的碎石间隔土及高压旋喷桩等，换填土厚度一般为1.0m以上。换填土处理方法还可以用于地下管线较多或邻近建筑的工程区，此类地区约束条件较多，在地基承载力或挡土墙抗滑稳定不满足要求且无法实施桩基的情况下，换填土方法较为实用。

桩基处理可用于绝大部分挡土墙，且对于挡土墙结构型式不限制，尤其是软土地区，应用范围较广，该方法是挡土墙底板浇筑前在挡土墙底板下预先打入桩基，在进行底板与墙身的浇筑。桩基可分为预制方桩或板桩、钻孔灌注桩、PHC管桩和钢板桩等，设计时可根据具体的地基土条件和经济指标确定采用桩基型式。

4、水工挡土墙结构设计实例

上海市西部地区流域泄洪通道防洪堤防达标工程（金山区白牛塘）项目位于上海市金山区，按照50年一遇设计防洪标准，工程为Ⅱ等工程，主要水工建筑物级别为2级，河道护岸为悬臂式挡土墙结构。悬臂式挡土墙高度为3.8m，墙顶宽度为0.4m，墙底宽度为3.0m，背坡倾斜度为1：0。该挡土墙坐落于③1层灰色淤泥质粉质粘土上，回填土为一般粘土，地基土容重为18.0kN/m3，墙后填土内摩擦角为30.0°，墙底摩擦系数取0.3。挡土墙墙身结构如下图（见图2）所示。结构设计及稳定性验算计算工况及水位组合如下表（见表1）所示。

经计算，本工程中悬臂式水工挡土墙稳定性如下表（见表2）所示。结合表2可见：本堤防工程选用悬臂式水工挡土墙结构可满足结构稳定性要求。

由上表可知：挡土墙抗滑稳定不满足要求，需进行地基处理。考虑挡墙结构较大且高度较高且工程为Ⅱ等工程，建筑物级别为2级，工程选用桩基基础，采用300×300×9000mm钢筋砼方桩，前排桩桩间距1m，后排桩桩间距1.5m，前后排桩排距2.3m，并采用“m”法计算桩基承载力，結果显示：桩基水平位移、竖向位移及桩基轴力最大出现在施工期，分别为7.6mm和4.3mm和136kN，规范允许的位移值为10mm，同时单桩竖向承载力为151kN，因此，计算值满足规范位移要求及桩基竖向承载力的要求。

5、结束语

近年来，随着水利水电工程建设的不断进步与发展，包括水电站、码头、引水枢纽以及水库枢纽等各种渠系建筑物中对水工挡土墙的应用也日益广泛。本文在系统分析水工挡土墙构造特点与基本要求的基础之上，从重力式挡土墙、半重力式挡土墙、衡重式挡土墙、悬臂式挡土墙以及加筋土挡土墙这几个方面入手，对水工挡土墙常见的几种结构形式进行了分析，最后结合某堤防工程实例，就河道两侧悬臂式水工挡土墙的结构设计要点进行了分析，望能够引起业内人士的共同关注与重视。

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