挡土墙的险情分析和排危加固技术分析

陈宇航

(东莞市麻涌镇工程建设中心， 广东 东莞 523000)

挡土墙作为水利工程的重要组成之一，在水利工程中发挥着作用，对于防洪，排涝，防止水土流失及保护沿岸设施都极其重要。近年来，随着水利设施建设的不断增加，对挡土墙的需求也不断增加。但随着使用年限的增加，挡土墙的自身状况也逐渐恶化，遭受了自然或人为的破坏，且随着时间的增加，破坏程度逐渐增大，如果不能及时对这些挡土墙进行险情分析和排危加固，很容易导致挡土墙破坏事故的发生。尤其是在城市地区，挡土墙发生破坏的后果更加严重，时刻威胁着沿岸城市的安全和人民群众的生命。并且，挡土墙的破坏也会导致河道阻塞，间接削弱了水利工程的作用，阻塞严重时有可能会导致河水外灌，威胁沿岸的群众财产安全。因此，为了保证河道的正常运行以及沿途居民的安全，针对挡土墙的险情分析和排危加固是很有意义的。

1 工程概况

某挡土墙加固工程位于广东省某地的一条河流沿岸，河流长度35.2 km，上游为大型水库，承担水库的泄洪任务。该挡土墙的总长度已超过1.5 km，河床宽度平均16.6 m，常年水位线为269.0 m，最低水位线为261.6 m，该河道流量为582 m3/s。这一河段的挡土墙是防洪挡土墙，主要作用是防止洪水对河床的直接冲刷，造成河底土层流失，保护河床的完整和稳定，避免因河岸的塌方造成河道两岸建筑的下沉和破坏。该防洪挡土墙常年位于水位线以下，遭受河水冲刷，挡土墙已经出现了较为严重的损坏，局部出现倒塌现象。受到季节性流水的影响，挡土墙受力情况随季节变化较大，较为复杂，使得该河段挡土墙更容易发生破坏。并且近年来生活垃圾和污水的排放，导致河道出现了不同程度的阻塞，间接地加大了挡土墙被冲刷的程度和受到的水压力。上述情况都导致了河道挡土墙的进一步破坏，时间越长，挡土墙越容易出现安全问题，挡土墙的使用寿命也会收到影响。因此，对于挡土墙的维护不仅限于对其进行加固，还应综合考虑河道的情况，进行其他方面的处理，如进行清淤及河道的疏通等工作，延长挡土墙的使用寿命。由此可见，加强对挡土墙及河道的险情分析，进行合理的加固措施，对挡土墙及河道的正常使用是非常有必要的。

2 挡土墙险情分析

2.1 挡土墙倒塌原因分析

该河道挡墙为路堤墙，挡土墙对称布置在水道两侧，挡土墙基本高度6.0 m，河床以上部分挡土墙高度为4.5 m，下部埋置深度为1.5 m，宽度1.5 m。如前所述，挡土墙遭到了较大程度的破坏，甚至部分位置出现了局部倒塌情况，经过实地考察和分析，挡土墙破坏的原因主要有以下几点：受到洪水的冲击以及河道阻塞的影响，导致挡土墙出现了一定程度的破坏;因为施工单位施工过程不规范，挡土墙背后的回填土没有按照设计要求进行回填，河底淤泥作为回填土直接回填，导致土体力学性能很差，且施工时没有对回填土进行压实处理，土压力过大，这导致挡土墙表面出现明显裂缝，局部出现明显鼓包甚至坍塌现象，墙体抗滑稳定性和抗倾覆能力大幅下降，防洪水冲击和侵蚀的能力不足；挡土墙内部排水管数量很少，局部地区甚至未设置排水管，且挡土墙内部地下水水位很高，墙内地下水不能正常排出，使得内部水压力过大，导致了墙体从内向外的破坏；并且，挡土墙上部的临河房屋距离挡土墙太近，房屋荷载直接作用在挡土墙上，对挡土墙的结构安全造成了威胁。

2.2 加固方案比较

(1)拆除重建。由于挡土墙全长较长，如果全部拆除重建，整个工程资金投入过大，且施工周期太长，汛期来临前无法全部完成施工。因此，这一方案不适用。但是，对于局部变形较大，或已经发生坍塌的位置，可以选择拆除重建。如该河段上部左岸挡土墙，变形较大，鼓包明显，且长度较短，约为20.0 m，可以拆除重建。但在施工时应该考虑实际情况，拆除重建需要进行放坡，坡度比最小为1∶0.5，因此，河岸近处有房屋的位置无法进行施工，在确定重建方案时应根据现场情况综合进行考虑。如果拆除挡土墙，强行进行施工，可能会导致房屋倒塌，施工安全不能保证。

(2)锚杆挡土墙加固。锚杆挡土墙是一种实用的挡土墙加固技术，由金属锚杆和钢筋混凝土结构组成，锚杆一端锚固在土体中，另一端与外部挡土墙相连，依靠锚杆的拉力形成自我锚固，本质是锚杆提供的拉力维持了墙体的平衡[1]。锚杆采用灌浆的方式来进行安装，先用钻机进行钻孔，锚杆一般为热轧带肋钢筋，先把锚杆插进钻孔，然后进行灌浆，对锚杆进行锚固。锚杆挡土墙主要分为两种型式：壁板式锚杆挡土墙和柱板式锚杆挡土墙。壁板式锚杆挡土墙包含两部分，锚杆和墙面板，锚杆内部连接土体，外部直接连接墙板，锚杆上的力直接传递给墙板，土压力直接作用在墙板上。柱板式锚杆挡土墙由三部分组成，和壁板式锚杆挡土墙相比多了肋柱，锚杆与肋柱相连，力先传递给肋柱，然后通过肋柱传递给墙板，锚杆上的力直接作用于肋柱。壁板式锚杆挡土墙施工工艺简单，工程造价较低，因此在工程中被广泛采用[2]。

壁板式锚杆挡土墙的施工流程主要包含以下几个方面。首先是工作面的开挖，对挡土墙后的填土进行注浆加固，用水泥浆使回填土固结，以此达到改良土体力学性质的目的。浆体凝固后，能使土体颗粒更加稳固，降低透水性，增加土体稳定性。注浆加固的工艺流程可分为五个步骤，分别为钻孔放样、钻孔检查、加压设备安装、注浆及注浆质量检查。注浆结束后，需要将挡土墙表面的杂质进行清理，使墙面平整干净，对鼓包和脱落位置，需要进行简单修补。然后进行混凝土的搅拌，搅拌完成后用喷射机对混凝土进行喷射。喷射凝固后混凝土可以开始钻孔的施工，钻孔施工前需要先对开孔位置进行定位，钻孔角度要尽可能精确，保证在向下倾斜15°，钻孔过程中需要随时对钻孔位置进行调整，保证钻孔角度不变[3]。钻孔结束后就可以开始锚杆的安装，锚杆安装一般采用人工推送的方式进行，推送时要注意调整好锚杆的位置和方向，保证锚杆能顺利进入钻孔底部，确定锚杆位置正确后开始对钻孔注浆，钻孔注浆最常用的方式是孔底反向注浆法，注浆时，注浆设备应该随着注浆液的注入而往上抬升，抬升时应保证匀速上升，最终达到注浆饱满的状态，在注浆过程中，应该随时检测注浆口的情况，如果注浆不够饱满，要及时进行二次孔口补浆。锚杆安装完毕后，要沿着挡土墙布置钢筋网，将锚杆与钢筋网进行焊接，绑扎和焊接完成后，安装模具，进行第二层混凝土的浇筑，浇筑时应该分段分层进行，且浇筑厚度应该均匀。

(3)墙后设置抗滑桩。对于施工条件受限的特殊环境，如场地存在空间限制，不能随意加厚挡土墙厚度，或挡土墙型式特殊，如挡土墙倾斜程度很大，则无法正常进行加固，对其墙厚加固存在施工风险，不能直接在挡土墙上施工，因此则可以考虑在墙后设置抗滑桩的加固方式，这种方式对挡土墙本身没有影响，可以不受空间的限制，但是，这一加固方法需要对挡土墙背面进行开挖，对施工场地要求较高，需要较大的开挖范围。具体的施工方式是，在原有的挡土墙背面进行开挖，开挖范围超过10.0 m，而且需要分级开挖，使整个工作面都暴露出来，且每级台阶高度和宽度都有限制，高度不能大于2.0 m，宽度不小于3.0 m。需要在挡土墙背面施工，设置钢筋混凝土灌注桩，直径大于80.0 cm，桩长大于8.0 m，灌注桩间距不大于10.0 m，灌注桩顶部采用连梁相连，连梁尺寸不能小于1.0 m，然后在连梁上设置锚杆，锚杆打入挡土墙背面土层，并进行注浆。施工时需要注意，灌注桩与连梁整体相连，灌注桩在施工时，必须采用机械施工的方式[4]。施工完成后，需要在挡土墙后设置排水孔，防止因为地下水压力对挡土墙造成破坏，回填土也应及时回填，并且逐层压实，保证抗滑桩的施工质量。

(4)锚定板挡墙。对于出现挡土墙坍塌的位置，除了拆除重建也可以采用锚定板的方式进行。挡土墙的坍塌是由于实际土压力大于设计土压力，因此，可以通过设置锚定板，代替挡土墙来抵消内部的土压力，从而达到内外受力平衡，间接保证了挡土墙的稳定性。锚定板的施工方式也比较简单，但是需要较大的施工场地。首先需要在挡土墙开裂部位的墙背土体中开挖基坑或深井，开挖位置距离挡土墙的距离至少为5.0 m，并在此放置锚定板。在破坏的挡墙位置处，设置钢筋混凝土连梁，连梁通过锚杆或锚筋与锚定板相连，锚定板上的力通过锚杆传导至钢筋混凝土连梁，连梁又将力传递到挡土墙上，通过这种方式，将原本挡土墙上的力传递到了锚定板上，达到了分担荷载的目的[5]。锚定板间距不能超过2.0 m。施工结束后在挡土墙背面设置泄水孔并进行回填土的施工。

3 方案计算

通过实地的分析和考察，发现后面两种加固方案不适合本工程中的挡土墙加固。该河道的挡土墙破坏比较严重，倒塌部分加固难度很大，因此不能进行加固，应该直接拆除重建。对于未倒塌的挡土墙，在挡土墙背面有很多房屋，且距离挡土墙太近，无法大范围进行基坑开挖和加固施工，因此，最好的加固方法是锚杆挡土墙加固。

确定了河道挡土墙加固方案之后，需要对施工方案进行详细的计算，首先根据河道的勘探结果和水文资料进行初步分析，然后利用力学知识进行建模，分析施工方案的可行性。建模分析的主要内容包括土体的黏聚力、内摩擦角等力学指标。首先计算河床地基承载力能否满足河道泄洪的要求，对加固后的复合地基承载力进行计算分析，再对挡土墙的承载力进行校核，挡土墙受到的土压力可按照朗肯主动土压力进行计算。最后进行锚杆的计算，选择合适的锚杆直径和长度。

挡土墙下地基为水泥搅拌桩，桩直径D为0.5 m,桩长L为6.5 m，复合地基承载力Rsp按式(1)计算：

(1)

式中：Rp为单桩容许承载力，取83.681 kN；Ap为截面面积，取0.196 m2；β为桩间土承载力折减系数，取0.5；m为桩的置换率，取0.227；Rs为天然地基承载力，取65 kPa。经计算Rsp=122.04 kPa。

对挡土墙进行加固后，基底应力分布均匀，平均应力为79 kPa，地基承载力满足要求。

挡土墙后边坡为黏性土，等效内摩擦角为18.9，河岸两侧建筑作用在挡土墙上对墙后土体试件的附加应力E按照式(2)计算：

(2)

式中：γ为土的容重，取19.0 kN/m3；h为挡土墙高度，取6 m；q为竖向附加应力，取10 kN·m2；K为主动土压力系数，取0.51。q的取值虽然偏大，但更有利于工程设计的安全，对工程更加有利。经计算E=206.34 kN·m。

锚杆轴向拉力值N可按式(3)计算：

(3)

式中：sx、sy为锚杆间隔，取1.5 m；α为锚杆安装角度，15°。经计算N=89 kN。

锚杆截面面积As按照式(4)计算：

(4)

式中：fy为钢筋屈服强度，取400 MPa。经计算As=113.475 mm2。

锚杆与土层间的锚固长度la应大于式(5)要求：

(5)

式中：K为主动土压力系数，取0.51；N为锚杆轴向拉力值,kN；d为锚杆钻孔直径，取0.2 m；qsik为锚杆黏结强度标准值，取60.0 kPa。经计算la=1.205 m。

锚杆钢筋选择直径为20.0 mm钢筋，面积为314 mm2,锚杆长度取为3.0 m，满足要求。

经过验算，锚杆加固的方式满足要求，且锚杆施工时占用空间小，不会对挡土墙后建筑物产生影响，符合本项目的实际情况。

4 结 语

通过总结和分析现有挡土墙加固施工工艺，结合水文资料和地质勘察资料，对该项目的挡土墙的破坏原因进行了详细分析，针对不同险情，提出了合适的加固方案，并对挡土墙主体结构进行验算。计算结果表明，加固后挡土墙的承载力满足要求，表明了这一挡土墙加固方案适用于本项目。