某既有防洪挡土墙加固方案研究

李 星，李方芳

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院有限公司，重庆 401120)

某既有防洪挡土墙位于水库下游，防洪挡土墙墙体较高，现状墙体瘦薄，建成运行数年后，局部墙体已出现险情，存在较大安全隐患。本文结合工程地质水文地质条件和挡墙病害特征，运用联合支挡结构设计理论，优化设计参数组合，通过计算表征挡墙安全性能的工程参数，对比分析加固措施前后挡土墙，验证了加固措施的可靠性。

1 工程概况及挡土墙病害特征

1.1 工程概况

某工程段防洪挡土墙位于河道的左岸，距离上游水库坝体约500 m处，防洪挡土墙长670 m，防洪为集镇建设开发项目附属工程。防洪挡土墙建成后，常年受洪水冲刷影响，墙体沿岸出现局部墙身变形、鼓包、裂缝等病害特征，存在较大安全隐患。挡土墙保护乡镇防洪标准为20年一遇，堤防工程主要建筑物级别为4级，次要建筑物为5级。

1.2 挡土墙现状问题

(1)防洪挡土墙现状墙顶高程不满足防洪要求，影响保护场镇行洪安全；

(2)防洪挡土墙现状出现裂缝、鼓包等不良现象，已建墙体现状抗滑稳定、抗倾稳定均不满足规范要求，且墙体提供的抗力严重不足；

(3)墙体排水管道堵塞严重且分布较少，排水措施不到位，使护岸排水不畅，墙面渗水严重，影响护岸结构安全；

(4)挡墙防洪挡土墙建成后期墙顶修建临河建筑(房屋)距离堤顶过近，已成建筑形成的附加荷载加之已建挡墙上，严重影响护岸结构安全。

2 工程布置及加固方案比较

根据地质勘察成果及工程场地条件，结合安全评价鉴定结果，对工程段防洪挡土墙提出格构锚固、原挡墙培厚、桩基承台式挡墙、抗滑桩三个加固方案进行比较选择[1]。

方案一：格构锚固+原挡墙培厚

格构锚固：对于墙前覆盖层较深挡墙段，采用锚杆和混凝土格构梁形成复合加固结构，设计两排锚杆，锚杆钢筋束提供受力所需钢筋截面。

图1 方案一 挡墙整治典型横断面

原挡墙加厚：对于墙前覆盖层浅基岩出露挡墙段，对现有挡墙迎水面处新建浆砌块石挡墙，新建挡墙与现有挡墙设插筋加强连接，二者形成复合体联合受力。

图2 方案一 原挡墙培厚典型结构图

方案二：桩基承台式挡墙

通过设置桩基承台式挡墙对原挡墙提供抗力改善原挡墙受力情况，设两排C30钢筋砼抗滑桩，抗滑桩顶部为L形C25钢筋砼挡墙，L形挡墙顶部位于原挡墙顶部以下，墙底兼做桩基承台。

图3 方案二 挡墙整治典横断面型图

方案三：抗滑桩

设两排C30钢筋砼抗滑桩，抗滑桩置于基岩下，并用C25钢筋砼挡土板连接，挡土板底部置于冲刷深度以下，挡土板之间用砂砾石回填，桩与墙之间、桩与桩之间用C25钢筋砼桁架梁连接联合受力。

图4 方案三 挡墙整治典横断面型图

表1 三种加固方案综合比较表

综上，方案一、方案二、方案三对原挡墙受力情况都能得到很好改善，方案一在投资方面优势明显，故本阶段推荐方案一，即采用格构锚固结构型式和原挡墙培厚对原防洪挡土墙分段进行加固。

3 格构锚固防洪挡土墙结构设计计算

3.1 挡墙稳定计算

挡土墙采用库仑土压力理论进行计算，计算基底应力、稳定验算及上墙截面验算都采用容许应力理论。

(1)作用在挡土墙上的荷载及其组合

1)作用在挡墙上的荷载

各种荷载主要有：挡土墙自重及填土重、挡土墙墙后填土破裂体范围内的各种恒载及人群等临时活荷载、土压力、静水压力、扬压力、浪压力。

2)计算工况及荷载组合

重力式挡墙在中、枯水位下稳定最差，计算工况选择设计洪水位骤降0.5 m～1 m，设计枯水位以及不利中水位三种情况[2]。同时结合工程实际情况，确定以下三种计算工况，即基本组合：工况1、工况2；特殊组合：工况3。

正常运用情况：

工况1：正常运行工况，设计洪水位下的稳定渗流期或不稳定渗流期的背水侧堤坡。

工况2：设计洪水位骤降期的临水侧堤坡。

非常运用情况:

工况3：施工期(含竣工期)的临水、背水侧堤坡。

(2)计算参数

1)原挡土墙参数如下：

挡土墙重度r=22 kN/m3，砂卵石土基底摩擦系数取0.4，地基承载力特征值350 kPa；基岩基底摩擦系数取0.4，地基承载力特征值800 kPa。

2)挡土墙的抗滑稳定验算

稳定验算(抗剪公式)采用如下公式计算:

(1)

3)挡土墙的抗倾覆稳定验算

抗倾覆稳定验算按下列公式计算:

(2)

(3)计算结果分析

根据实测断面，本工程原挡墙格构锚固段选取岩石基础上挡墙最高断面和卵石土上挡墙最高断面为标准断面。对挡墙整治前后按照规范分别进行各种工况的结构计算，计算结果详见计算成果表2，计算结果表明各标准断面整治措施满足抗倾、抗滑稳定要求。

表2 格构锚固挡墙段稳定计算成果表

本工程原挡墙培厚段选取岩石基础上挡墙最高断面9 m和最矮断面6 m为控制断面，对挡墙整治前后按照规范分别进行各种工况的结构计算，计算结果详见计算成果表3，结果表明各控制断面整治措施设计合理，满足抗倾、抗滑稳定要求。

表3 挡墙培厚段稳定计算成果表

3.2 格构锚固框架梁配筋计算

根据静力平衡条件，集中力F可以分为作用在横梁上的Fx和作用在纵梁上的Fy，横纵方向均为多跨连续梁。横纵方向的分力Fx、Fy依据文克勒弹性地基梁计算[3-5]，公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

经计算，Fx=0.5F，Fy=0.5F，锚杆轴向力与挡墙墙面夹角为14.29°，锚杆设计拉力值为500 kN，故Fx=Fy=242.17 kN。

计算弯矩和剪力，进行配筋计算。本工程格构横梁取10 m横梁段作为横向典型梁进行计算，同时取长度最短即最不利的纵向梁作为典型梁进行计算，长度为4.8 m，计算时考虑荷载分项系数为1.20，受力图见图6。

图5 横向梁受力图

图6 纵向梁受力图

经计算，纵向梁最大弯矩为242.17 kN·m，横向梁最大弯矩为72.64 kN·m。纵向梁最大剪力为193.74 kN，横向梁最大剪力为145.30 kN。故用取弯矩为242.17 kN·m、取剪力为193.74 kN进行配筋计算，公式如下：

as=KM/fcbh02

(7)

(8)

(9)

计算得As=1926.89 mm2，故选用钢筋4根B25钢筋，实际配筋受拉钢筋配筋面积1964 mm2。

斜截面承载力抗剪计算：

根据规范要求，矩形截面受弯杆件，其受剪截面应符合下列要求。

hw/b≤4.0时，KV≤0.25fcbh0

(10)

hw/b≥6.0时，KV≤0.2fcbh0

(11)

计算得KV=222.80 kN≤0.25fcbh0=786.5 kN，故截面满足构造要求。

根据规范要求，对于仅配有箍筋的矩形截面受弯杆件，其斜截面受剪承载力应该符合下列规定[6]：

KV≤Vc+Vsv

(12)

Vc=0.7ftbh0

(13)

Vsv=1.25fyvAsvh0/s

(14)

计算得KV=222.80 kN>Vc=213.36 kN，故对格构梁选配箍筋，计算得Vc+Vsv=373.06 kN>KV=222.80 kN，满足规范要求。

3.3 锚杆设计分析

(1)锚杆杆体截面面积计算

根据《岩土锚杆(索)技术规程》，锚杆杆体截面面积应按下式确定[7]：

(15)

本工程设计采用HRB500热轧钢筋，取值435 N/mm2。

(2)锚杆锚固长度计算

1)锚杆的杆体截面面积计算

根据《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS 22：2005)，锚杆杆体截面面积应按下式确定：

(16)

计算得本工程锚杆杆体截面面积至少为1839.08 mm2，故选用3根C28 HRB500满足要求。

2)锚杆锚固长度计算

根据《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS 22：2005)，锚杆或单元锚杆的锚固段长度可按下式估算，并取其中的较大值：

(17)

(18)

经计算，La>5.84 m且La>2.98 m，因此，综合考虑，加固挡墙锚杆锚固段设计长度取为6 m。

4 结论

本文通过技术经济比较确定了采用格构锚固结构型式和原挡墙培厚对原防洪挡土墙分段进行加固的组合加固方案。对加固后的防洪挡土墙进行抗滑稳定、抗倾稳定计算，计算结果表明抗滑稳定、抗倾稳定都得到大幅度提高，满足规范要求。同时对混凝土格构梁、锚杆进行结构计算，结果表明混凝土格构梁配筋率适中，锚杆锚固长度在规范规定长度范围内，能为已建防洪挡土墙提供足够的抗力。加固后的既有挡墙受力情况得到很好的改善，稳定性得到提高，加固方案经济合理。