簡(jiǎn)述貼坡式擋土墻在水利工程中的應(yīng)用

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摘要：擋土墻的類型有很多，在水利行業(yè)一般采用重力式擋土墻或衡重式擋土墻，本文介紹的是一種特殊的重力式擋土墻—貼坡式擋土墻，貼坡式擋土墻應(yīng)用比較廣泛，結(jié)構(gòu)相對(duì)小，比較經(jīng)濟(jì)，本文通過對(duì)小清河房山段貼坡式擋土墻的計(jì)算分析，對(duì)其優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用范圍做了簡(jiǎn)單的說明。

關(guān)鍵詞：貼坡式擋土墻；土壓力；抗滑；抗傾覆；基底應(yīng)力

水利工程中常遇到一種比較特殊的重力擋土墻，其前墻面和墻背面均為仰斜式，一般情況下前墻面的坡度緩于后墻面的坡度。熊啟軍主編的《灌區(qū)建筑物的水力計(jì)算與結(jié)構(gòu)計(jì)算》中稱之為貼坡式擋土墻，實(shí)際在水利工程中也采用這種說法。本文以房山區(qū)小清河河道綜合治理工程房山段左岸采用的貼坡?lián)跬翂槔龑?duì)貼坡?lián)跬翂Φ奶攸c(diǎn)及應(yīng)用范圍進(jìn)行分析。小清河是海河流域大清河系北拒馬河支流，流域面積406km2，其中北京市境內(nèi)212.35km2，本文涉及的河段為小清河房山區(qū)段，該段河道右岸設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，相應(yīng)建筑物標(biāo)準(zhǔn)為2級(jí)，左岸設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，相應(yīng)建筑物標(biāo)準(zhǔn)為4級(jí)。

小清河房山段樁號(hào)2+372～樁號(hào)3+360因拆遷占地等原因，河道上口寬受到極大限制，河底寬27.4m，河道上口寬最大能到30m左右，為滿足河道過流要求，設(shè)計(jì)采用了河坡底部為貼坡式擋土墻，河道上口為31.4m，擋土墻頂部距離現(xiàn)狀房屋5～10m。

設(shè)計(jì)貼坡式擋土墻型式如圖1所示。擋土墻底寬2.6m，高4m，基礎(chǔ)高1m，前墻面坡比1：0.5，墻背面 1：0.2，墻頂寬0.6m。

圖1 擋土墻橫斷面圖

一、貼坡?lián)跬翂Φ氖芰μ攸c(diǎn)

貼坡?lián)跬翂κ侵亓跬翂χ械囊环N特殊型式，參考重力式擋土墻的計(jì)算原理，擋土墻依靠自身的重力抵抗土壓力。本文對(duì)墻體的穩(wěn)定性計(jì)算從抗滑、抗傾覆、基底應(yīng)力幾方面分析。

小清河一標(biāo)擋墻的地質(zhì)基本參數(shù)：擋墻基礎(chǔ)為粉質(zhì)粘土，平均C=20kpa，摩擦角=7°，填土采用開挖后的原狀土，重度20KN/m3，擋墻基礎(chǔ)與地基土之間摩擦系數(shù)0.2，修正后的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值180kpa。

（1）土壓力計(jì)算

采用庫(kù)倫土壓力計(jì)算公式進(jìn)行主動(dòng)土壓力計(jì)算：

上式中：為作用于墻背的土壓力，其作用點(diǎn)為距離墻底1/3墻高處，作用方向與水平方向成（）夾角，為墻后土容重，地下水以下取浮容重，單位為；為總墻高，單位取；為主動(dòng)土壓力系數(shù)；為墻后填土的內(nèi)摩擦角，根據(jù)堤防規(guī)范中提供的換算內(nèi)摩擦角計(jì)算公式計(jì)算，等效內(nèi)摩擦角為47.9°；為墻后土與墻背間的外摩擦角，一般?。?/2～2/3），取28°；為墻背與鉛直面的夾角，俯斜式取正值，仰斜式取負(fù)值；為墻后回填土表面與水平面的夾角，開挖坡度基本為1：0.2，坡后土體與基礎(chǔ)為一體，實(shí)際計(jì)算取0度較為合理，即墻后土體作用于墻體，而不是忽略基礎(chǔ)邊坡不穩(wěn)定產(chǎn)生的土壓力。

經(jīng)計(jì)算，河道無水、地下水位低于擋土墻基底時(shí)水平土壓力=19.35KN，垂直土壓力=5.80KN，總土壓力=20.20KN；河道在設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，墻后地下水隨之升高，假定地下水位升高至與洪水位齊平（取最不利情況，根據(jù)地勘報(bào)告，地下水位較低，考慮洪水期地下水位升高對(duì)擋土墻較為不利），此時(shí)水平土壓力=13.71KN，垂直土壓力=4.11KN，總土壓力=14.31KN。

（2）抗滑計(jì)算

抗滑計(jì)算采用公式計(jì)算，本文僅計(jì)算以下兩種工況。

工況一：河道無水，擋墻前后水位均為0，；

工況二：河道設(shè)計(jì)洪水期，50年一遇洪水位46.89m，地下水位按與洪水位同高考慮（較不利狀況）。

經(jīng)計(jì)算，墻身自重=172.5KN，工況一條件下抗滑安全系數(shù)K=1.843；工況二條件下水平水壓力=0KN，垂直水壓力=69.52KN；抗滑安全系數(shù)K=2.05。兩種工況均大于規(guī)范要求擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值1.30和1.15。

因此，擋土墻不存在抗滑穩(wěn)定安全問題。

（3）抗傾覆分析及結(jié)論

對(duì)重力式擋土墻而言，擋土墻不僅應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定相應(yīng)抗滑穩(wěn)定安全要求，還應(yīng)滿足抗傾覆要求。根據(jù)重力式擋土墻計(jì)算公式計(jì)算，在無水情況下傾覆力矩= 32.26 kN·m，抗傾覆力矩為375.06 kN·m，傾覆驗(yàn)算K0=11.63，大于規(guī)范要求 1.50，因此該擋土墻不存在抗傾覆安全問題。

根據(jù)貼坡式擋土墻墻身情況分析，擋土墻墻身重心位于擋土墻后部，我們可以認(rèn)為擋土墻部分重力作用于墻后土體，對(duì)墻后土體形成壓力，可適當(dāng)?shù)窒麎笸馏w壓力，這對(duì)擋土墻的安全是有利的。但同時(shí)擋土墻重力不全部作用于擋土墻與基底摩擦，從摩擦力角度來說，對(duì)擋土墻抗滑安全不利，即對(duì)貼坡式擋土墻而言，擋土墻抗滑穩(wěn)定要求更高，擋土墻的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)主要由抗滑穩(wěn)定計(jì)算確定，鑒于擋土墻本身單面傾倒有利于抵消墻后土體土壓力，一般來說，抗傾覆系數(shù)會(huì)遠(yuǎn)大于規(guī)范安全要求，因此在熊啟鈞主編的貼坡式擋土墻穩(wěn)定計(jì)算程序中已不涉及對(duì)貼坡式擋土墻的抗傾覆計(jì)算。

（4）基底應(yīng)力分析及結(jié)論

基礎(chǔ)類型為天然地基，驗(yàn)算墻底偏心距及壓應(yīng)力作用于基礎(chǔ)底的總豎向力為178.30kN。在無水工況下作用于墻趾下點(diǎn)的總彎矩=342.80kN·m，基礎(chǔ)底面寬度B為2.60m，偏心距e=-0.62m，基礎(chǔ)底面合力作用點(diǎn)距離基礎(chǔ)趾點(diǎn)的距離Zn =1.92m，基底壓應(yīng)力：趾部=0.000，踵部=175.47kPa，均小于修正后地基承載力特征值180.00kPa；在設(shè)計(jì)洪水工況下作用于墻趾下點(diǎn)的總彎矩=256.45kN·m，基礎(chǔ)底面寬度B為2.60m，偏心距e=-0.62m，基礎(chǔ)底面合力作用點(diǎn)距離基礎(chǔ)趾點(diǎn)的距離Zn =1.82m，基底壓應(yīng)力：趾部=0.000，踵部=120.81kPa，均小于修正后地基承載力特征值180.00kPa，本工程中地基承載力滿足要求。

通過計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)貼坡式擋土墻來說，因偏心距小于0，墻趾的壓應(yīng)力為0，踵部壓力最大，極有可能超過地基承載力要求，但這種結(jié)果一般導(dǎo)致的結(jié)果會(huì)是擋土墻傾向背后，進(jìn)一步壓實(shí)墻后土體，甚至墻后土體進(jìn)而產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，抵消擋土墻自重產(chǎn)生的壓力，進(jìn)而減小擋土墻基底踵部壓力。因此在實(shí)際工作中，如擋土墻后土體良好，不會(huì)因過于軟弱而導(dǎo)致?lián)鯄ψ冃卧斐善茐?，則地基承載力稍微低于踵部壓力也是可以接受的，如有條件可模擬略墻體傾倒后的情況，進(jìn)一步分析其受力特點(diǎn)，復(fù)核其踵部壓力。

二、貼坡?lián)跬翂Φ膬?yōu)勢(shì)和應(yīng)注意的問題

（1）貼坡式擋土墻的優(yōu)勢(shì)

從受力分析結(jié)果來看，貼坡?lián)跬翂Ρ称聻檠銎?，所受土壓力跟普通擋土墻相比明顯減小，因此結(jié)構(gòu)尺寸可大幅度減?。涣硪环矫尜N坡式擋土墻可直接在土基上削坡砌筑，開挖量回填量也可大幅度減小，因此貼坡式擋土墻是一種相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)的擋土墻型式。