水利工程中挡土墙的设计应用

□黄观幸（江西省水利水电建设有限公司）

0 引言

当前随着社会经济的持续快速增长，我国国民经济得到了较大的发展，尤其是涉及民生的水利工程。在水利工程施工过程中，会存在比较复杂的施工环境，如地形起伏较大、场地不平整等，面如复杂多变的环境，如何保障工程安全、按时完成时投资者和建设者共同关注的话题，采用挡土墙进行施工防护是维护水利工程施工安全的重要措施。水利工程施工过程中，采用挡土墙可以大幅度提高工程安全性，对潜在的崩塌、滑塌等地质灾害可以起到很到的预防和防护作用，同时对于人工建造的陡坡和斜坡也能起到较大的稳定作用。从结构上讲，挡土墙可以分为重力式挡土墙、悬臂式挡土墙和扶壁式挡土墙。对于挡土墙，尤其是重力式挡土墙，鉴于其结构简单、施工方便和就地取材的有点，在水利工程中得到了较为广泛的应用。鉴于挡土墙在水利工程中起到较大的安全防护作用，因此对于挡土墙的安全分析显得尤为必要，当前多采用安全系数法为度量，但是定值设计方法对于土壤的各项物理力学指标的随机性无法进行定量分析，使得挡土墙的定值计算方法的安全系数偏于不安全，甚至产生破坏的现象。鉴于挡土墙的重要作用，本文首先从挡土墙的分类开始介绍，针对常用的重力式挡土墙，分别从可靠度分析模型介绍，然后结合工程经验介绍了但土墙存在的问题和改进的措施，接着从细节上介绍了挡土墙在实际水利工程中的应用，相关研究对于未来类似工程提供一定的理论和工程经验支持。

1 挡土墙的分类

鉴于挡土墙施工简便、占地面积小和施工费用少的特点，因此在水利工程中场地高差大、场地起伏大的情况下较为适用。根据挡土墙的受力形式，挡土墙主要分为重力式挡土墙、扶壁式挡土墙和衡重式挡土墙等。以下做详细介绍：

1.1 重力式挡土墙

作为水利工程中最为常见的挡土墙形式，以自身重力来维持挡土墙在土侧压力下稳定的重力式挡土墙，在水利工程中得到了较为广泛的应用。重力式挡土墙多采用石块、片石或混凝土整体浇注的形式；由于其体积和重量均较大，因此在软土地基上的应用受到了一定程度的应用；同时如果挡土墙墙体太高、需要较多的建筑材料，重力式挡土墙在经济上也并不划算。即在地基较好且挡土墙高度适中的情况下，如果当地有石料可用则重力式片石挡土墙则是挡土墙形式的首选。关于挡土墙的具体形式如图1所示。

图1重力式挡土墙格式图

根据图1所示，维持混凝土稳定的形式多是根据自身重量和上部填土质量进行设计的，随着挡土墙高度的增加，体积也会较大的增加。鉴于浆砌石重力式挡土墙彼此粘结强度较弱，因此多采用延长墙趾的方式。

1.2 扶壁式挡土墙

作为挡土墙的另一种常见形式，扶壁式挡土墙主要是依靠底板上的填土质量来维持挡土墙的稳定的挡土墙。悬臂式挡土墙包括底板、直墙构成，主要构件包括立壁、趾板及踵板等。具体构件形式如图2所示。

图2扶壁式挡土墙图

根据图2可知，扶壁式挡土墙结构较为简单，方便施工，由于踵板的采用，在松软地基中也能得到较为广泛的应用。如果施工条件对于挡土墙的高度要求较高时，使得力臂下部弯矩较大，使得对于材料的需求较多，扶壁式挡土墙则体现了其经济性。

1.3 衡重式挡土墙

对于衡重式挡土墙，分为空腹衡重式和实心衡重式挡土墙，主要结构如图3所示。

图3 衡重式挡土墙图

根据图3所示，空腹式混凝土挡土墙，由于墙呈空腹状态，可以采取开孔充水或者用渣土填充，这可以较大程度的增加挡土墙的重量，大大增加挡土墙的稳定程度。

2 重力式挡土墙结构稳定性可靠度分析模型

鉴于重力式挡土墙在水利工程中较为常见，同时在水利工程病害检测中，重力式挡土墙的稳定性成为较为常见的病害，根据查阅相关文献和实际工程，稳定性是造成重力式挡土墙破坏的主要原因，以下从受力原理上计算重力式挡土墙的抗倾覆稳定性，对于重力式挡土墙的稳定性提供理论上的支持。

2.1 重力式挡土墙抗倾覆稳定性功能函数的建立

对于挡土墙的稳定性，主要是要求挡土墙不发生围绕墙趾的倾覆性破坏，计算模型如图4所示。

对于其稳定性要求的数学表达式如下：

式中:MR为抗倾覆力矩；MS为倾覆力矩。

根据库伦压力理论可知，当填土表面水平，上部不考虑压力作用的时候，土压力计算公式如下所示：

图4 重力式挡土墙计算模型图

式中：主动土压力系数Ka；其计算公式如下：

式中:γ—墙后填土的重度；H—挡土墙高度；ϕ—内摩擦角；α—挡土墙墙背倾角；δ—土对挡土墙墙背的摩擦角。

根据上述分析，可得绕墙趾转动的抗倾覆稳定的功能函数，具体如下式所示：

式中：G—挡土墙自重；Ex，Ey—主动土压力的水平和垂直分力；G Z x，G Z y，Z—重力、水平土压力、垂直分力到墙趾距离。

2.2 重力式挡土墙抗滑移稳定性功能函数的建立

对于重力式挡土墙的要求，则要求强身不产生沿基底的滑动破坏，具体如下式所示：

式中：FR、FS—抗滑力和滑动力。

式中：μ—土对挡土墙基底的摩擦系数；a0—挡土墙的基底倾角；Gn、Gt—重力分力，分别为垂直于基底、平行于基底；Ean，Eat—主动土压力分力，分别为垂直于基底和平行于基底。

3 工程应用

3.1 工程概况

为了解的抗滑移和抗倾覆稳定性验算在重力式挡土墙安全验证总的应用，需要通过计算对于实际挡土墙进行安全分析。根据设计图纸和实地考察情况，挡土墙墙背倾角α=81.50°，地面均布荷载为10 kPa。挡土墙高度为5 400 mm，触底宽度为1 200 mm，土背墙摩擦角δ=9.50°；挡土墙背后为人工填土，γ挡土=22 kN/m3，基底以下为杂填土，γ填土=18 kN/m3，其他有关岩土参数和挡土墙参数如图5和表1所示。

图5 某重力式挡土墙计算示意图

表1岩土参数取值表

3.2 稳定性分析

根据上述公式可知，对于挡土墙的墙背土压力，根据库伦静止土压力进行计算，查表可知主动土压力系数Ka=4.43×10-1，查规范可知：

对于重力式挡土墙的抗滑移稳定性系数计算如下式：

带入规范取值参数，需要满足Ka≥1.30。

对于重力式挡土墙的抗倾覆稳定性安全系数计算如下式：带入规范取值参数，需要满足Kt≥1.60。

代入工程中实际计算参数，可以得到重力式挡土墙的抗滑移稳定性参数：Ka=0.81＜1.30。

即不满足规范对于重力式挡土墙抗滑移系数≥1.30的要求。

重力式挡土墙的抗倾覆性参数：

Kt=1.75＞1.60。即重力式挡土墙抗倾覆稳定性参数满足规范要求。

4 结果分析及解决措施

4.1 结果分析

根据上述分析结果，挡土墙的抗滑移稳定性系数不满足规范要求；根据现场调查发现，挡土墙顶部产生较大变形；综合分析主要是由以下几种情况造成：①挡土墙填料主要为可塑性粘土组成，填土性质与原设计采用的砂土，回填后做压密注浆压密处理的效果相差较大，即增加了主动土压力。②填土采用可塑性粘土，同时排水不畅，造成水流停滞给顶部增加了较大的主动土压力。③挡土墙地基处理不合理，采用杂填土，使得地基无法满足重力式挡土墙及墙背土压力在竖向的分离，使得地基发生较大变形，造成挡土墙的整体滑移甚至倾覆。

4.2 加固措施

根据上述对于挡土墙稳定性不足原因的分析，需要采取以下加固处理措施：增加挡土墙稳定主要是增加挡土墙抗滑与抗倾覆的能力。设置倾斜的墙底，通过增加抗滑力来增加整体重力式挡土墙的康华稳定性，选择台阶形式基础，增加被动土压力来提高挡土墙的抗滑能力。疏通所有挡土墙的原设计排水孔，对于积水位置考虑增加排水孔，重新施工的话，考虑增加排水孔的梅花形布置，同时孔眼不低于100 mm。改善重力式挡土墙断面类型的方式进行改进。如挡土墙较高时选择增加卸荷平台，或者改善挡土墙与地基接触方式或者提高地基处理等级。

5 结语

挡土墙的作用主要是通过维持挡土墙背后土体的稳定性来增加水利工程的安全性，因此对于水利工程建设工程需要合理设置挡土墙，选择合理的挡土墙形式，充分发挥挡土墙维持水利工程安全的作用。对于重力式挡土墙而言，需要做好挡土墙的结构稳定性分析计算，保障工程安全。对于重力式挡土墙的常见稳定性问题，文章做了计算，通过与规范要求对比分析，提出了挡土墙失稳的原因，并分析了针对性的解决措施。相关研究对于未来类似工程提供可资借鉴的经验。

[1]谭益锋.浅谈水利工程重力式挡土墙设计与施工技术[J].城市建设理论研究,2014(14).

[2]郑红英，赵学辉.水工建筑物中挡土墙设计内容及施工质量要求的探讨[J].水利科技与经济，2011（03）.

[3]詹成明.重力式挡土墙的可靠度分析方法及其工程应用研究[D].中国科学院大学,2016.

[4]詹成明.重力式挡土墙的可靠度分析方法及其工程应用研究[D].中国科学院大学,2016.

[5]黄薇.浅谈重力式挡土墙在重庆市某公园西门边坡治理工程中的应用[J].北方交通,2013(6):32-33.