某水库消力池衡重式挡土墙设计分析

何昕倩，陈积乾

（四川蜀禹水利水电工程设计有限公司,四川 德阳 618000）

0 引言

挡土墙是指支承填方或山坡土体、防止填土或土体变形失稳的构筑物，其广泛用于水利水电、矿山、公路、铁路工程等各个行业。水工挡土墙在水库枢纽、水电站、渠系建筑物、堤防工程中用途甚广，发挥着挡土及挡水的作用[1]。挡土墙有重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式等多种结构型式，其中衡重式挡土墙因衡重台使墙身重心后移，墙底应力趋于平衡，可提高挡土高度，增强墙体稳定性；下墙仰斜不仅对受力有利，还可减少开挖与回填量，常用于水利水电枢纽工程中的岸墙及翼墙处[2]。

1 概况

四川省某水库工程是以农业灌溉、城乡供水等综合利用的中型水利工程，其放空隧洞与泄洪隧洞共用一个消力池，枢纽永久主要建筑物为3 级，消力池挡土墙按3 级设计。消力池段建基面置于弱风化砂岩或弱风化粉砂质泥岩上，地基承载力≥900 kPa。

消力池采用底流消能，消力池全长100.0 m，宽34.0 m，深15.0 m，尾坎高7.0 m，池内最高水位13.30 m。消力池底板与边墙分离，底板采用C30 混凝土浇筑，厚1.0 m；边墙采用C25 混凝土挡土墙，最大高度16.0 m。

消力池挡土墙高度大，若采用重力式挡土墙方案，其结构断面及基础开挖量明显大于衡重式挡墙；同时衡重式挡墙适用于更高的挡土高度，虽然墙体底面积小，对地基承载力的要求高，但考虑消力池段地基完整性好，承载力高，因此采用衡重式挡土墙方案。

2 体型设计

消力池段挡土墙高度因消力池底板高程不同而高度渐变，此处不作详述，仅选择最大墙高为16.0 m的衡重式挡土墙进行分析。衡重式墙身总高H=16.0m，上墙高H1=7.5m，墙顶宽B1=1.0m，衡重台宽B2=4.15m，底宽B=4.0m，墙面侧竖直，上墙背坡1∶0.3，下墙背坡1∶0.4，墙底水平。衡重式挡土墙的断面尺寸见图1。

图1 衡重式挡土墙结构图（尺寸单位：cm）

3 衡重式挡土墙设计

消力池尾坎高度7.00 m（以下文中高度均自挡土墙建基面计），运行期消力池内常水位即7.0 m。如图1 所示，墙内设排水管降低墙前后水位差，第一排排水孔布置高程11.50 m，第二排排水孔布置高程8.50 m，第三排排水孔布置高程5.70 m。分析消力池的运行条件，确定挡土墙设计应考虑完建期（墙后填土水平，墙后水位5.70 m，墙前水位1.0 m）和运行期工况（墙后填土水平，墙后水位8.50 m，墙前水位7.0 m）。完建期与运行期计算原理相同，因水位组合不同，下墙土压力、墙前后水压力及扬压力计算结果有所不同，各力含义见图2。

图2 衡重式挡土墙受力图

3.1 基本资料

（1）挡土墙的建筑物等级：3级

（2）填土内摩擦角φ=35°，填土粘度系数C=5 kPa，根据土体抗剪强度相等条件计算填土等效内摩擦角：φD=arctg（tgφ+C /γH）=35.66°。

（3）上墙背摩擦角δ=φD=35.662°。下墙背摩擦角δ'=φD/2～2φD/3，取δ'=20°。

（4）水上填土湿容重：γ=18（kN/m3），水下填土浮容重：γ'=9（kN/m3）

3.2 挡土墙荷载计算

（1）上墙土压力

衡重式挡墙上墙的土压力计算时应进行第二破裂角判别，第二破裂角：a1=45-φ/2=27.17°，墙顶与衡重台末端连线倾角：aE=40.475°，a1>αE，所以可以形成第二破裂面，以第二破裂面BC1为墙背，倾角a1=27.17°。墙背摩擦角δ=φD=35.662°，墙后填土面水平，β=0°。上墙主动土压力系数为：

（2）下墙土压力

衡重式挡墙为折线型墙背，墙后土压力计算可采用力多边形法或延长墙背法。一般多采用延长墙背法进行近似计算。延长墙背法[3]是将下墙背延长与填土表面相交，以此虚构仰斜式挡墙，按库伦土压力计算墙背土压力后取下墙段土压力分布图为下墙土压力作用图。此法忽略了衡重式挡墙第二滑裂面与延长墙背间的三角形土楔体对下墙土压力的影响，因此需校正墙背来消除误差，下墙土压力计算过程如下：

1）延长下墙墙背，交填土面于C2点，计算ΔC2BC1的重量：

2）校正墙背倾角：

4）按校正墙背AC3计算作用其上的土压力，主动土压力系数为：

5）下墙土压力与水平方向夹角：a'2+δ'2=-17.44°+15.64°=-1.80°，下墙土压力不列计算过程，下墙土压力E、E3、E4、E5见图 2，E2x、E3x、E4x、E5x为土压力水平向分力，E2y、E3y、E4y、E5y为土压力竖向分力。

（3）静水压力计算

（4）扬压力计算

（5）墙身自重、第二破裂面与上墙背间土重计算

墙身自重：G墙=1545.3 kN，第二破裂面与上墙背间土重：G土=452.29 kN

（6）完建期工况的挡墙力及力矩成果见表1。

表1 完建期工况的挡墙力及力矩成果表

3.3 挡土墙结构验算

（1）抗滑稳定

挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数：

式中：f为挡墙基底与地基间摩擦系数；ΣG为作用于挡土墙上全部垂直于水平面的荷载总和；ΣH为作用于挡土墙上全部平行于基底面的荷载总和。

（2）抗倾覆计算

挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数：

式中：MV为作用于墙趾处的顺时针方向的力矩，即为抗倾覆力矩；MH为作用于墙趾处的逆时针方向的力矩，即为倾覆力矩。

（3）基底应力计算

式中：e为挡墙受力的合力偏心距；ΣM为作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和；ΣG意义同前。

（4）挡土墙稳定计算结果见表2。

表2 挡土墙稳定计算成果

4 结论及建议

经计算分析，该挡土墙在完建期及运行期均能满足抗滑及抗倾稳定要求，最大基底应力小于地基承载力，最小基底应力为正值满足不出现拉应力的要求，挡土墙基础置于坚硬岩石上，基底最大最小应力比值不作控制。为了避免不利运行条件下墙底出现拉应力，在挡土墙与基础之间设Φ25 锚筋。

挡土墙的安全运行，不仅要设计合理，更要保证施工质量。施工中应注意以下几点：①水工挡土墙混凝土体积较大，在挡土墙临水面层已配置了构造钢筋，但施工中也应做好温度控制及混凝土养护，避免出现温度裂缝。②墙后水位对挡墙的运行影响很大，因此施工中应按设计要求做好排水孔布置、坡度、管口反滤料，避免排水管堵塞失效。③挡土墙的墙后填土的内摩擦角是挡墙设计中的关键参数，填土内摩擦角又同填料性质及填筑质量密切相关，施工中应严格把控以满足设计填土要求。