新建挡土墙与其附近已有拦挡工程最小安全距离探讨

刘 磊，宁勇华，王 婷

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

1 问题由来

秦岭隧洞工程为陕西省引汉济渭工程的组成部分，隧洞为明流洞，全长81.779 km，设计流量70 m3/s，多年平均输水量15.05亿m3。沿线共设置弃渣场10处，以接纳隧洞弃渣，全部位于地形陡峻的秦岭山区。凉水井弃渣场为其中之一，选址位于陕西省安康市宁陕县四亩地镇凉水井村，蒲河右岸，占地14.6 hm2，堆置方量115万m3（压实方），为三级临河型弃渣场。当地早已在该处修建有浆砌石河堤，堤顶宽0.6 m，外露高度5 m。因堆渣而需要新建的挡土墙选址也位于该河堤附近，且该河堤应当地要求，不得拆除或覆盖。其一，若新建挡土墙设计在河堤之外，则已有河堤将被堆渣完全覆盖，成为隐蔽工程，而且将占用并缩窄蒲河河道，无法获得当地政府及河道管理部门的同意；其二，若将新建挡土墙修筑在河堤之上，因为河堤的设计标准低于新建挡土墙设计标准，且河堤内部破损情况未知，无法进行稳定设计；其三，新建挡土墙若退后一定距离修建，则由于会减少一定的连续耕种面积而遭到当地村民的质疑。经过讨论，最终决定挡土墙按照方案三执行，工程在确保挡土墙稳定的情况下，需要求出挡土墙与河堤最近距离，遵循最大限度少占用耕地的原则，以确保当地村民的利益。

2 安全距离确定的思路

已有拦挡工程（即河堤）根据现状只能获得其墙顶宽和外露部分墙高，实际修筑的断面形式和内部破损情况未知，在计算分析中将其视为“保护对象”，即除去河堤在设计时已经考虑的荷载（如墙后填土体产生的土压力，墙外水流作用力，墙顶荷载等）之外，尽量不使其受到新建挡土墙修建后产生的新荷载，即维持老河堤受力状态基本不变，来求得新建挡土墙与老河堤的最短距离。

新建挡土墙的地基土体假设为连续介质，无黏性，半无限空间弹性体，各向同性，用一般土力学方法来定义土中的应力。

新建挡土墙设计为土工格栅挡墙，由面墙、格栅和填料组成，与墙后弃渣容重基本相当，本文在研究安全距离时，格栅挡墙荷载以竖直向的均布荷载P代替，其宽度为B。由于挡墙修建长度L远大于宽度B，因此将挡墙基底视为条形基底[1]。

在以上假设条件下，按照土力学方法，求出均布荷载P的作用下（即格栅挡墙修建后），地基土体中的附加应力分布情况，使已有河堤尽量分布在附加应力影响范围之外,求出此时的安全距离值S即可。

3 附加应力分析

根据以上思路，建立坐标轴，求出基底中任意一单元点的附加应力，计算图见图1。

图1 基底单元点附加应力计算图

条形基底受均布荷载作用，利用附加应力计算式求解附加应力分布，计算式如下[2]：

式中：σz为应力计算点处的竖向附加应力值；P为均布荷载值，本例中 P=160 kN/m2；m 为系数，m=x/B；n 为系数，n=z/B。

令：

式中：Kz为无因次量。

根据凉水井弃渣场的实际，B=8 m，由此Kz仅为x和z的函数，将Kz的计算结果按x值和z值列表见表1。

表1 Kz随x、z变化取值表

根据表1，绘制Kz值等值线分布图，见图2。

图2 Kz值等值线分布图

由上图可以得出Kz值的几种变化规律：

规律一：在同一深度z范围内（即同一水平线上），Kz在x为4时取最大值，两边对称递减，逐渐趋近于0，这表明距离新建挡土墙的中心越远，基底受到的附加应力越小。

规律二：在x在0～8 m的范围内（即新建挡土墙占地范围内），Kz从1开始随z值的增加而减少，逐渐趋近于0，这表明在新建挡土墙占地范围内，深度越大，附加应力影响越小。

规律三：在x＞8 m时（即新建挡土墙占地范围之外），Kz先是从0开始随着z值的增加而增加，到某一深度后，又随着z值的增加而减少，逐渐趋近于0，这表明在新建挡土墙占地范围外的某一距离处，均存在着一个最大应力，并且不同距离处，最大应力及其存在的深度均不相同。

规律四：没有Kz严格取到0的点位，只是在x或z趋向于无穷大时，Kz趋近于0。

新建挡渣墙对于土中引起的水平向附加应力值σ1应为竖向附加应力值σz乘以土的侧压力系数K0（K0采用经验公式K0=1-sinφ′确定[1]，φ′为土的有效内摩擦角，根据凉水井弃渣场的实际情况，可取K0=0.4）。

4 安全距离的最终确定

由于新建挡墙必然对已有河堤产生附加应力影响，在此情况下，先分析已有河堤墙背所受到的现状主动土压力σ0，然后叠加σ1，求出挡渣墙修建后已有河堤墙背受到的应力（σ0+σ1），比较两者大小，尽量保证已有河堤的受力状态基本不变。

已有河堤其任意深度下受到的土压力值σ0可采用主动土压力公式计算（设已有河堤后为无黏性土）[1]：

式中：σ0为作用于某深度处的墙后水平向填土应力值；γ为填土容重，取20 kN/m3；z为计算深度，z取0～6之间的值（河堤最大高度6 m）；φ为填土内摩擦角，取30°。

对于深度为z处的河堤墙背进行应力计算，有：

考察已有河堤受力状态的改变程度，可引入受力改变幅度系数 α，令 α=（σ0+σ1）/σ0，则：

由于Kz是x和z的函数，故α也是x和z的函数，可仿照“Kz随 x、z变化取值表”制成“α 随 x、z变化取值表”，见表 2、（只分析x＞8时的情况）。

表2 α随x、z变化取值表

同理，可根据表2，绘制α值等值线分布图，见图3。

图3 α值等值线分布图

根据α的定义，它代表了挡渣墙修建之后与之前，x、z处河堤所受到的水平向应力之比，该值越接近1，越能说明相应位置处挡渣墙的修建对河堤的受力改变幅度小，但根据前文的理论分析，不存在严格的α=1的点位，故实际中，只能估计现状河堤的内部受损情况和折旧情况，先提出一个能够接受的α值，然后在表3和表4中找到相应的点位，从而进一步确定安全距离S，例如：

选定α不能超过1.4，那么在整个河堤高度范围内（z=1 m～6 m），x的最小值只能取13 m，此时S=x-B=13-8=5 m；

选定α不能超过1.2，那么在整个河堤高度范围内（z=1 m～6 m），x的最小值只能取16 m，此时S=x-B=16-8=8 m；

选定α不能超过1.1，那么在整个河堤高度范围内（z=1 m～6 m），x的最小值只能取21 m，此时S=x-B=21-8=13 m。

根据凉水井弃渣场的工程实际，经过几番现场查勘，对已损毁的河堤断面进行详细检查，并由这些断面推测整条河堤的受损毁程度，在尽量扩大可复耕面积和尽量维护挡墙工程安全性之间选取平衡点，设计中最终采用α=1.2的设定，得出安全距离S=8 m，即新建的格栅式挡渣墙在距离已有河堤8 m远处放线施工。

5 从压力扩散角度验证安全距离

根据《建筑地基处理技术规范》，从应力扩散角度考虑，本工程格栅式挡渣墙下垫面组成大部分为卵石、碎石及石渣，且z/B=6/8=0.75＞0.5，扩散角θ可取为30°[3]，由此估计应力扩散边缘距离新修格栅式挡渣墙约为3.46 m，其值小于本文设计采用值8 m，表明S=8 m属于偏安全的范围。土工合成材料加筋垫层其压力扩散角宜由现场净荷载试验确定[3]，而现场缺少基础持力层内摩擦角、压缩模量等试验数据支撑，挡渣墙下垫面也无换填处理措施；另外，考虑到已有河堤外侧为蒲河，存在旧河堤基础将来受冲刷失稳的可能，应该在3.46 m之外再预留安全富余距离，本文选取S=8 m为合适取值。凉水井弃渣场实施情况见图4。

图4 凉水井弃渣场实施照片

6 结论

引汉济渭凉水井弃渣场于2018年完成施工，本文在分析新建挡土墙对已有河堤的荷载影响时，从应力分析角度出发，分别分析了新建挡土墙在修建前后对已有河堤受力的不同，重点分析了条形基底受均布荷载时的附加应力分布，并提出受力改变幅度系数α来反映不同的可接受风险程度，以此来确定不同的安全距离S，可以根据工程的不同实际情况，取不同的安全距离S值，为其他在新建挡土墙附近存在必须要保护而又缺乏资料的已有河堤时，如何确定安全距离的最小值，具有参考价值。