水工建筑物挡土墙选型研究

于军涛

（开封市汴龙勘察设计中心）

1 工程概况

河南省三义寨引黄灌区位于河南省东部黄淮平原，在东经114°10′49″～116°7′46″，北纬34°3′36″～34°58′17″之间，地域涉及兰考县、开封市的开封县、杞县以及商丘市的民权县、宁陵县、睢县、虞城县、梁园区、睢阳区等十县两区。目前，总土地面积4 344.20 km2，其中耕地面积27 万hm2，设计灌溉面积为21.73 万hm2。崔林河整修19.34 km，兰开分干渠4条支渠渠道全断面衬砌9.69 km，兰杞干渠混凝土护坡4.88 km，兰杞干渠与王和砦支渠管理道路混凝土硬化共5.61 km，重（新）建各类建筑物134座，其中，水闸13座，斗门69座，生产桥52 座。根据实际渠道形态，安排本次渠道混凝土护坡工程为王和砦支渠和小丁寨支渠，渠道全断面衬砌工程为大丁寨支渠和应城府支渠。设计采用现浇C20混凝土，衬砌高度为设计水深加0.30 m超高，衬砌厚度为8 cm，坡顶、坡底均设齿墙，沿水流方向每5 m设一道横向伸缩缝，伸缩缝缝宽2 cm，填缝材料为PE闭孔泡沫塑料板。

2 水工建筑物挡土墙型式

根据工程区实际情况，可以选择重力式挡墙、悬臂式挡墙等形式，按照所使用材料的不同又可以分为毛石、砖砌、（钢筋）混凝土等，具体形式应根据工程实际、地质条件、材料供应、施工技术、造价等选择。

2.1 方案一：重力式挡墙

重力式挡土墙是以毛石、块石为砌筑材料，整体浇筑或预制混凝土砌筑而成的梯形挡墙结构，借助自身重力抵挡土压力，结构型式简单、施工便捷、取材方便，应用广泛。重力式挡墙尺寸并不固定，其墙面胸坡坡度和背坡坡度比为1∶0.20～1∶0.30，依据墙背倾角可进一步分为竖直、仰斜及俯斜等型式，考虑到土压力随挡墙墙背坡度的减缓而减小，应优先选用仰斜重力挡土墙，少用俯斜重力挡墙。考虑到重力式挡墙墙体稳定和施工的便捷性，应尽量保持墙面与墙背的平行，墙背背坡坡度至少为1∶0.25。随着墙身高度的增加，基底压应力逐渐成为控制截面尺寸的关键因素，为了将地基压应力控制在承载力范围，必须在墙底加设抗倾覆稳定性能良好的墙趾台阶，以砌体刚性角为依据确定墙趾高宽度比，石砌圬工不超过35°，混凝土不超过45°。为抵挡墙后土压力，重力式挡墙必须结构稳定且强度达设计要求，保证挡墙沿基底滑动，在设计时必须进行地基绕墙趾转动及承载力倾覆稳定验算。重力式挡墙墙底埋深应至少为5 m，基底按反坡设计，以增强墙底抗滑能力，当重力式挡墙墙高超过5 m时，为保证挡墙稳定，必须增加材料用量、增大墙体重量，不经济。

2.2 方案二：锚定式挡墙

锚杆挡墙由预制钢筋混凝土墙板、锚杆、立柱及挡板等构成，通过钻孔灌浆、预埋及拧入等方式设置锚杆，并由锚杆发挥将墙体所承受土压力传递至土体内部的作用，以维持挡墙结构的稳定。在主动状态滑动面之外的锚固段长3～7 m，并以锚杆挡墙作为边坡及深基坑坑壁支护。

2.3 方案三：薄壁式挡墙

薄壁式挡墙属于轻型挡墙型式，包括悬臂式和扶壁式两种。挡墙墙高超过5 m 后其稳定性的维持主要依靠墙踵悬臂及以上土体重量，并在墙体内设置承压钢筋，采用钢筋混凝土悬臂式挡墙结构。挡墙墙高超过10 m 后，墙壁承受弯矩及所产生的挠度增大，考虑到经济合理性应选择扶壁式挡墙结构。为提升挡墙抗倾覆能力和抗滑移效果，伸入墙内的底板宽度应为墙外预留宽度的1.50～2.00 倍，按照混凝土结构原理进行墙壁底板受力计算。薄壁式挡墙墙高超过10 m 后为控制造价，应沿墙身纵向按墙高0.30～0.60 倍的间隔设置扶壁，扶壁底部伸入土体的宽度为墙高的1/3，并将墙身和墙踵作为三边固定板进行扶壁式挡墙设计。薄壁式挡墙与重力式挡墙都是依靠自身重力实现墙体的稳定，踵板上的填土重力进一步增强了墙体的稳定。薄壁式挡墙结构型式简单、墙身小、强度性能优越。

2.4 方案四：加筋土挡墙

土体侧压力分布于加筋土挡墙墙背填土，土与拉筋之间存在摩擦，为控制土体变形及改善工程性能，在挡墙内加入拉筋，通常应用于平坦宽阔的填方路段，不适用于地形陡峭的山坡及挖填方路段。加筋土挡墙具有较好的抵抗地震性能，墙体轻型小巧，美观，造价低，经济效益显著。

3 挡土墙型式比选

以上四种挡土墙结构型式在三义寨引黄灌区渠道工程中都较为适用，挡墙填筑砌筑材料可在工程区沿线河床就近采集获取，填筑砂砾石料各项指标及储量均符合工程设计质量指标。

从技术角度比较，重力式挡墙结构简单，抗泥石流冲击性能好，但墙身断面大，圬工量较大、对基础条件要求高。锚定式挡墙较重力式挡墙墙身断面小，具有一定抗冻胀、抗渗能力，结构轻巧，圬工量小、施工更简单，工期更短等技术优势，但由于锚杆墙面板较薄，相对抗冲击、抗冻胀性能稍差。薄壁式挡土墙整体性、抗冲击、抗冻胀较重力挡土墙、锚杆挡土墙性能好，但其为透水衬砌，适用于河道纵坡缓、流速小、防渗要求不严格、地下水位埋深较浅、不便于展开衬砌施工、要求河道内的水能渗到河道外，同时河道外的水也能渗流到河道内的河段。

从经济角度比较，三义寨引黄灌区渠道重力式挡墙工程单位投资1 787.50元/延米，锚杆式挡墙单位投资为2 468.50元/延米，薄壁式工程单位投资为1 844.10 元/延米，加筋土挡墙单位投资为2 069.30元/延米，因此，从经济角度，重力式挡墙造价最低。水工建筑物挡墙结构型式方案比选详见表1。

表1 水工建筑物挡墙结构型式方案比选表

综合比较后推荐重力式挡土墙方案，为防止因地基不均匀沉降而导致挡墙墙身出现裂缝，在结构设计阶段，必须根据工程地质条件及挡墙断面型式设置沉陷缝，为防止砌体收缩变硬及温度变化引发裂缝的产生，还应设置伸缩缝，本工程挡墙结构设计中将伸缩缝和沉陷缝合并设置，沿挡墙轴线方向间隔15～20 m 设置。灌区渠道重力式挡墙受地基所承受承载力的限制，出于结构稳定性、经济性等方面的考虑，应将挡墙高度控制在6 m以内。

4 结论

水工建筑物挡土墙具有防止边坡填土和土体失稳、稳固坡体等作用，水利工程挡土墙结构设计较为简单，对于大型水利工程其设计优化常常被忽略，但是设计出既符合工程实际又具有经济合理性的水工挡墙却存在一定难度。在水利工程实际应用中，水工建筑物挡土墙应力分析与一般挡土墙不同，水工建筑物挡土墙断面布置必须充分考虑实际工况、实际土压力及浸水对挡墙土压力的影响。三义寨引黄灌区渠道工程运行以来，挡土墙水工建筑物在灌区水利工程顺利运行方面发挥着十分重要的作用。