衡重式擋土墻在水利工程中的應用

1、衡重式擋土墻在水利工程中的應用    摘 要:采用重力式擋土墻，可以發(fā)揮其形式簡單，施工方便的優(yōu)勢,是水利工程用得較多的一種形式。本文結合工程實例，分析了擋土墻設計中的重點問題，以確保水利工程的質(zhì)量安全。可供類似工程參考。 關鍵詞:水利工程；衡重式擋土墻；計算；可靠度分析 中圖分類號：TV 文獻標識碼：A 文章編號： 隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)基礎設施建設步伐不斷加快，水利工程作為基礎設施建設的重要組成部分，在城鎮(zhèn)防洪和促進城市經(jīng)濟發(fā)展方面發(fā)揮著重要的作用。在水利工程建設中，傳統(tǒng)的擋土墻對墻的高度及地基的要求比較高，無法滿足當前水利工程建設的要求，

2、而衡重式擋土墻能夠有效地削減墻后土壓力，因此在水利工程中得到廣泛應用。 1 擋土墻設計關鍵問題 設計擋土墻，一般先通過滿足擋土墻的抗滑穩(wěn)定要求確定擋土墻的總工程量，再進行細部尺寸調(diào)整，以滿足擋土墻的抗傾覆要求。 1.1 斷面形式的確定 在某水利工程應用中，防洪堤工程的型式應按照因地制宜，就地取材的原則，根據(jù)堤段所在的地理位置、重要程度、堤址地質(zhì)、筑堤材料、施工條件和工程造價等因素綜合選定。堤型一:漿砌塊石衡重式擋土墻，堤型二:鋼筋混凝土扶壁式擋土墻。漿砌石衡重式擋土墻，施工相對簡單，衡重臺以下施工進度快，能保證施工渡汛，施工所用石料可在當?shù)鼐徒_采，工程投資相對較低；衡重式擋土墻基礎底寬在3.

3、54.5m，遇到不良地基時，堤基處理相對簡單。鋼筋混凝土扶壁式擋土墻結構單薄，施工難度較大，擋土墻后有肋板存在，下部填土只能使用小型機械或人工施工，施工速度緩慢，填土質(zhì)量不易保證。方案投資比較見表1。 表1 投資比較表元Pm 比較上述兩方案，從施工技術、施工安全及投資等方面綜合分析比較，推薦采用漿砌石衡重式擋土墻。 1.2 擋土墻截面尺寸的確定 衡重式擋土墻是靠自身重力來抵抗土壓力，在設計時，衡重式擋土墻的截面尺寸一般按試算法確定，可結合工程地質(zhì)、填土性質(zhì)、墻身材料和施工條件等按經(jīng)驗初步擬定截面尺寸，如迎水面坡比可以為1:0.05、1:0.10、1:0.15等，衡重臺以上背水坡比為1:0.20

4、、1:0.25等。然后進行驗算，如不滿足要求，則應修改截面尺寸或采取其它措施，直到滿足為止。 1.3 土壓力的確定 衡重式擋土墻設計的經(jīng)濟合理，關鍵是正確地計算土壓力，確定土壓力的大小、方向與分布。土壓力計算是一個十分復雜的問題，它涉及墻身、填土與地基三者之間的共同作用。計算土壓力的理論和方法很多，由于庫倫理論概念清晰，計算簡單，適用范圍較廣，因此庫倫理論和公式是目前應用最廣的土壓力計算方法。 2 衡重式擋土墻的計算內(nèi)容 從安全角度考慮，由于修建防洪堤改變了天然河道的特性，河道必將形成新的沖淤平衡。首先，防洪堤建成后，河岸比天然河岸平順，且糙率減小，引起河岸邊流速加大，對堤基造成沖刷。其次，修

5、建防洪堤使部分河段過水流斷面比天然河道有所減小，引起流速增大，水流挾砂能力增強，從而引起河床或堤基的沖刷。防洪堤基礎埋深主要受沖刷線控制，因此，如何確定沖刷深度是確定基礎埋置深度的關鍵。并且所確定的持力層，地基承載力應滿足允許承載力，穩(wěn)定性要好。計算水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度，基礎埋深一般大于沖刷深度，作用于擋土墻上的荷載有主動土壓力、擋土墻質(zhì)量重力、墻面埋入土中部分所受的被動土壓力，一般可忽略不計。衡重式擋土墻的計算內(nèi)容主要為基礎埋深計算，穩(wěn)定性驗算、地基承載力驗算和墻身強度驗算。 2.1 基礎埋深計算 基礎埋深一般大于沖刷深度。擋土墻在河流沖刷線上，堤基前作砌石護坡或拋石護堤、鋼筋石籠等

6、處理。 2.2 擋土墻的穩(wěn)定驗算及強度驗算 擋土墻的設計應保證在質(zhì)量重力和外荷載作用下不發(fā)生全墻的滑動和傾覆，并保證墻身截面有足夠的強度、基底應力小于地基承載力和偏心距不超過容許值。因此在擬定墻身斷面形式及尺寸之后，應進行墻的穩(wěn)定及強度驗算(采用容許應力法)。 2.3 墻身截面強度驗算 通常選取1、2個截面進行驗算。驗算截面可選在基礎底面、擋土墻高處或上、下墻交界處等。墻身截面強度驗算包括法向應力和剪應力的驗算。剪應力包括水平剪應力和斜剪應力兩種，衡重式擋土墻只驗算水平剪應力。 2.4 基底應力及偏心驗算 基底的合力偏心距e計算公式: e=B2-Zn=B2-(WZw+EyZx-ExZy)(W+

7、Ey) 式中，B墻基底寬度，m；W擋土墻重力，kN；Zw相對于墻趾點，W墻身重力的力臂，m；Zx相對于墻趾點，Ey的力臂，m；Zy相對于墻趾點，Ex的力臂，m；Zn基礎底面合力作用點距離基礎趾點的距離，m。 在土質(zhì)地基上，eB/6；在軟弱巖石地基上，eB/5；在不易風化的巖石地基上，eB/4。當eBP6時，墻趾和墻踵處的法向壓應力為: 1，2=(W+Ey)(1±6e/B)/B 式中: )地基土修正后的容許承載力，kPa；= o+K11(B-2)式中；o 地基土的容許承載力，kPa；K1地基土容許承載力隨基礎寬度的修正系數(shù)；1地基土的天然容重，kNPm3。 當eB/6時，基底出現(xiàn)拉應力

8、，考慮到一般情況下地基與基礎間不能承受拉力，故不計拉力而按應力重分布計算基底最大拉應力: 1=2(W+Ey)/3Zno 若出現(xiàn)負偏心，則上式的Zn改為(B-Zn)。 3 增大擋土墻穩(wěn)定性的措施 設計、驗算之后，為保證擋土墻的安全性，還須采取必要的措施。 3.1 增大傾覆穩(wěn)定性 為減少基底壓應力，增加抗傾覆的穩(wěn)定性，可以在墻趾處伸出一臺階，拓寬基底，以增大穩(wěn)定力臂。另外可以改變墻背或墻面的坡度，以減小土壓力或增大力臂。改變墻身形式，如采用衡重式、拱橋式等。 3.2 增大滑動穩(wěn)定性 衡重式抗滑擋土墻的墻背坡度一般采用1B0.25，墻后常設卸荷平臺，墻基一般做成倒坡或臺階形，墻高和基礎的埋深必須按地

9、基的性質(zhì)，承載力的要求，地形和水文地質(zhì)等條件，通過驗算來確定。此外，為避免因地基不均勻沉陷而引起墻身開裂，應根據(jù)地質(zhì)條件的變化墻高和墻身斷面設置沉降縫和伸縮縫。 3.3 擋土墻的排水處理措施 擋土墻背水面與填土之間容易形成滲流通道，造成滲透變形破壞，必須布置反濾層。反濾層采用砂卵石混合料，厚2060cm。在漿砌石擋土墻的墻身應布置排水孔，以減少墻背滲透水壓和降低墻背填料的地下水位線，增加墻體的穩(wěn)定。排水孔呈梅花形布置，縱橫間距2.5m，斷面尺寸10cm×10cm。 4 可靠度分析 4.1 安全系數(shù)法 在衡重式擋土墻設計中，傳統(tǒng)的設計方法是安全系數(shù)法。這一方法把土看作是具有某種“平均”

10、性質(zhì)的/均質(zhì)0材料，將土工參數(shù)的各種指標定值化，并選用一定的數(shù)學模式來進行計算。由于把那些未知的、不定的因素都歸到1個單一的安全系數(shù)上，其所得到的結果是明確的，因此也易于為人們所接受。然而安全系數(shù)法卻忽略了土工參數(shù)的不確定性，與實際是不相符的。 4.2 可靠度分析法 近幾年來，人們在逐漸認識到土工參數(shù)不確定性的基礎上，將可靠度分析方法引入了擋土墻工程。區(qū)別于傳統(tǒng)的安全系數(shù)法，可靠度分析方法在對支擋結構穩(wěn)定性的分析中用概率的方法定量地考慮了實際存在的種種不確定因素，因而更為客觀、更真實的反映了支擋結構的實際安全性。 衡重式擋土墻的可靠度分析的主要內(nèi)容: 1)對衡重式擋土墻可靠度設計中的不確定性進

11、行了詳細的討論，從而確定了衡重式擋土墻可靠度分析中的隨機變量，即:內(nèi)摩擦角、墻背摩擦角、填土容重、基底摩擦系數(shù)。 2)運用可靠度理論建立了衡重式擋土墻抗傾覆、抗滑移和地基承載力穩(wěn)定性的極限狀態(tài)方程，推導出用于可靠指標計算的一次二階矩公式并編制了抗傾覆、抗滑移和地基承載力可靠指標計算的“JC”法、“最優(yōu)優(yōu)化”法和“蒙特卡羅”法計算程序。 3)以某防洪堤工程衡重式擋土墻為例，把安全系數(shù)法和可靠度分析方法的計算結果進行了比較，從而揭示了有些擋土墻按定值法算出的安全系數(shù)是足夠的，但在實際應用時卻發(fā)生了破壞的原因。 4)針對衡重式擋土墻不易滿足抗滑要求的特點，結合工程實際，介紹了凸榫的防滑機理及設計理論。通過與擋土墻其它防滑措施的對比分析，可以看出防滑凸榫具有構造相對簡單，工程量相對較少，防滑效果佳，經(jīng)濟效果好等優(yōu)點。同時由于凸榫對地基的嵌固作用，又能在一定程度上提高地基承載力。 5 衡重式擋土墻的施工方法 衡重式擋土墻一般采用明挖基礎，當基底松軟或水下挖基困難時，可采用換填基礎、樁基礎或沉井基礎。 6 結語 衡重式擋土墻是水利工程發(fā)揮防洪作用及防止土體崩塌的重要舉措，因此，在設計過程中，應