河道挡土墙加固工程实例分析

穆小刚，付龙飞

(陕西华正生态建设设计监理有限公司，西安 710199)

1 概 述

挡土墙作为支承路基填土或山坡土体、防止边坡或土体变形失稳的构造物，对维护边坡稳定及水土保持具有重要意义。在路基工程中，通过在填土高度较大路堤或者陡坡路堤下设置挡土墙，能够防止边坡滑坡灾害的发生，维护路基稳定，同时可减少工程填土量，保护沿线建筑物的地基稳定。在水利工程方面，在河道两侧设置挡土墙，可以起到减少水流冲击侵蚀作用，也是增加河道容积的有效措施。在隧道工程中，通常将挡土墙设置在隧道洞口以及采用明挖法边坡防护的明洞两侧，可缩短隧道或明洞长度。在边坡工程中，抗滑挡土墙则可用于防止滑坡灾害的发生。

河道在蓄水排水、防洪抗旱中发挥着重要作用，是维护河道正常运行的重要保障。近年来，由于自然气候变化，河道水量也旱涝不定，遭遇暴雨天气河道水量骤增，加速了挡土墙的损坏，从而引发挡土墙事故，危及河道沿岸居民的生命财产安全。因此，加固河道挡土墙具有重要的意义。

孙昌利[1]针对盾构隧道施工引发挡土墙漏水、漏沙现象，提出挡土墙加固措施以及地基处理方案。李星[2]针对防洪挡土墙存在防洪不达标、墙体变形、墙体裂缝以及排水不畅等问题，进行不同加固方案的比较，阐述了混凝土格构锚固、原挡墙培厚相结合的分段加固方案的合理性。刘丰兵[3]结合河道挡土墙加固工程，介绍河道挡土墙的工作现状，提出了河道挡土墙的加固措施。杨接平[4]结合河道挡土墙的资料，进行现场监测以及安全分析，为类似工程的安全评价积累了工程经验。

本文以某河道挡土墙加固工程项目为例，采用壁式挡土墙钢筋混凝土方案，通过支护设计以及稳定性验算，验证加固措施的合理性，为类似工程提供经验与借鉴。

2 工程概况

某河道位于水电站开挖弃渣场旁，设置有浆砌石挡护墙，在枯水期进行了挡墙基础加固处理。洪水期后，对浆砌石挡护墙进行监测发现，部分区段受洪水淘刷后被深切，原加固的挡墙水下混凝土部分基本被掏空，该段需进行水下混凝土修复，区段表面未浇筑混凝土的钢筋石笼防护段河流发生转向，挡土墙内钢筋发生严重锈蚀，挡土墙沿岸局部出现鼓包、变形以及裂缝等特征，见图1。为保证下个汛期该段的安全，需要对该挡土墙进行加固处理。项目区域内地层比较简单，工程地质条件场地在勘探深度内全为第四系冲击层，属冲湖积平原地貌，主要有以下几个地层组成:①素填土：上部含大量植物根系，下部为褐黄色粉质黏土，该层较松散，土层均匀性差。②粉质黏土:灰黄色，局部偏灰，有光泽，无摇振反应，干强度，韧性高，该土层全场分布，层厚为1.4～5.1 m，平均为3.78 m。该土层属中等压缩性土层，工程特征较好。

3 加固处理方案

由于河道土体较高，沿岸建筑物距离较近，直接采用悬臂式挡土墙所需墙体厚度较大，占用河道面积。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，对本河道挡土墙加固工程采用扶壁式挡土墙进行加固。具体实施方案为：

1)对于产生整体较大的贯穿裂缝、发生鼓包变形以及倾斜角度较大的区段进行拆除重建。

2)对于墙厚、堆物的挡土墙进行推平，减小墙体荷载，采用扶壁式挡土墙进行加固。

3)地下水对于挡土墙的影响作用较大，河道挡土墙由于缺少排水孔，多处出现排水不畅等问题。在洪水期中，挡土墙前后水位高差大，容易造成挡土墙发生倾覆，因此在挡土墙上增设排水孔。

4)增设抗滑桩。由于在部分墙踵处应力较大，增设抗滑桩，可以减少基础地面长度，减少土方量，且加固措施明显。

4 荷载计算

取单位长度的墙体进行荷载计算，挡土墙采用库仑土压力理论进行计算，采用容许应力理论计算基底应力、稳定验算及上墙截面验算。

4.1 主动土压力

E1=γH2tg(45°-φ/2)=0.5*18.5*172/3=891 kN

E2=qHtg2(45°-φ/2)=15.5*0.5*6.52tg230°*17/(3*6.5)=164.3 kN

qa=γqtg2(45°-φ/2)/γ=29/3=9.67 kN

qb=γ(q/γ+H)tg2(45°-φ/2)=18.5*(29/18.5+17)/3=114.5 kN

4.2 每延米挡土墙自重

见表1。

表1 挡土墙自重汇总表

5 稳定性验算

5.1 抗倾覆验算

根据规范要求，抗倾覆系数取1.5，则：

(G1a1+G2a2+G3a3+G4a4)/(E1H/3+E2H/2)=2.168 4>1.5

计算结果表明，满足抗倾覆要求。

5.2 抗滑移验算

基底摩擦系数取0.4，则：

υ(G1+G2+G3+G4)/(E1+E2)=0.94<1.3

计算结果表明，不满足抗滑移要求。

5.3 基地承载力验算

e0=b/2-[(G1a1+G2a2+G3a3+G4a4+

G5a5)-(E1H/3+E2H/2)]/

(G1+G2+G3+G4+G5)

=1.56

为基底全部受压，最大压应力以及最小压应力根据公式为：

δmax=(G1+G2+G3+G4+G5)*(1+6e0/b)/b

=577.3 kN/m2

δmin=(G1+G2+G3+G4+G5)*(1-e0/b)/b

=17.29 kN/m2

5.4 挡土墙强度计算

简化为变截面悬臂梁模型作为计算模型，净悬挑长度15 m，计算长度为1.05*15=15.75 m，划分为4段，精确计算B点应为板底处，即FB=1 500 mm，最大荷载取为3.5qb。

图3 挡土墙强度计算简图

在距离A点x处，

弯矩计算为：M=3.74x3+17x2

剪力计算为：V=11.22x2+34x

梁高：h=0.9+0.416x

翼缘高：hf=0.9+11x/165=0.9+0.07x

翼缘宽：bf=3.5/3=1.17

扶壁的计算结果见表2。

表2 扶壁强度计算汇总表

5.5 桩基础计算

墙踵处压应力计算结果为577.3 kN/m2，不满足抗滑移要求，因此在墙踵处采取抗滑桩措施。抗滑桩桩径设计为1.5 m，桩间距设置为3.5 m，对应扶壁依次设置。通过规范进行地基承载力修正：

f=fk+ηbγ(b-3)+ηdγ0(d-0.5)

=256.7 kPa

式中：fk为垫层底面处软弱土层的承载力标准值，kN/m2。

抗滑桩提供竖向承载力，根据地基承载力计算，单桩承载力须达到3 325.5 kN，抗滑移系数取为1.3，单桩水平力承载力达到1 520.3 kN。

单桩竖向承载力计算：

Quk=Qsk+Qpk

=u∑φsiqsikli+φpqpkAp

=9 293.45 kN

式中：Quk为单桩竖向承载力，kN；Qsk为土的极限侧阻力，kN；Qpk为土的总极限端阻力，kN；φsi为群桩效应系数，取1；u为桩周长，m；qsik为第i层摩阻力强度，kN；li为第i层有效厚度，m；φp为群桩效应系数，取1；qpk为极限端阻力标准值，kN；Ap为桩端面积，m2。

单桩竖向极限承载力标准值Ra计算：

Ra=Quk/2=4 646.72 kN>3 325.5 kN,满足要求。

单桩水平承载力验算：

式中：Rh为单桩水平承载力设计值；α为桩的水平变形系数；vx为桩身水平位移系数；m为地基土水平抗力系数的比例系数，由“桩基规范”附录B第B.0.2.1条取m=10.0 MN/m4。

桩身计算宽度：

圆形截面：d0=0.9(1.5d+0.5)=2.475 m

EI为桩身抗弯刚度：EI=0.85EcI0

Ec为C30混凝土弹性模量：3.00×107kN/m2

I0为桩身换算截面惯性矩：I0=W0×d/2

W0为桩身换算截面受拉边缘的截面模量。

圆形截面W0为:

式中：αE为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量比值。

根据规范，当桩顶固接时得vm=1.018，vx=1.079；单桩容许水平位移χoa=6 mm。

单桩水平承载力为：

6 沉降变形监测

为了验证加固方案的合理性，工程中对挡土墙加固工程施加监测点，对挡土墙竖直沉降与水平位移进行监测。通过监测数据分析得出，墙顶沉降量与墙底沉降量几乎相等，监测前期沉降量较大，后期趋于稳定，根据监测结果最大沉降量仅为7 mm。通过分析认为：①施工期中，在重型机械作用下，导致土体压缩，施工结束后，土体发生回弹，从而造成观测点高度增加；②由于系统误差等观测问题的发生造成读数错误。通过水平位移沉降监测结果分析得出，挡土墙水平位移较小，最大位移量为3 cm。

7 结 语

通过项目地质勘察资料以及工程地质水文条件，在原有挡土墙发生鼓包变形下进行挡土墙加固设计，并进行结构验算，对加固后的扶壁式挡土墙进行抗滑稳定性验算、抗倾覆稳定性计算。单桩承载力验算以及变形监测结果表明，抗滑稳定、抗倾覆稳定都得到大幅度提高，表明采用扶壁式挡土墙与抗滑桩加固措施可以满足工程要求。