控制擋土墻穩定水位組合的分析

鐘恒昌 徐 飛 劉占明

（1中水淮河規劃設計研究有限公司 蚌埠 233001 2江蘇省交通規劃設計院有限公司 南京210037 連云港市臨洪水利工程管理處 連云港 222001）

控制擋土墻穩定水位組合的分析

鐘恒昌1徐 飛2劉占明2

（1中水淮河規劃設計研究有限公司 蚌埠 233001 2江蘇省交通規劃設計院有限公司 南京210037 連云港市臨洪水利工程管理處 連云港 222001）

通常擋土墻抗滑穩定計算是根據工程施工條件及調度運用情況，直接采用工程的幾個特征水位組合作為控制擋土墻穩定計算水位組合進行分析的，然而這種水位組合往往并不是擋土墻抗滑穩定計算的最不利組合，最危險工況可能出現在特征水位區間內的某個水位組合。本文以各梯級水位組合下的擋土墻抗滑穩定計算為例，分析控制擋土墻穩定計算水位組合，對完善擋土墻設計具有一定的意義。

擋土墻 抗滑穩定 水位組合

1 引言

水利水電工程中通常需要設置擋土墻用來承受土壓力，防止土體塌滑，按其所在位置、功能要求分為岸墻、翼墻和擋墻等類型，有重力式、衡重式、懸臂式、扶壁式、空箱式等。作用在水工擋土墻上的荷載（自重、附加荷載、土壓力、水重、靜水壓力、揚壓力、淤沙壓力、風浪壓力、冰壓力、地震荷載等）可分為基本荷載和特殊荷載。荷載基本組合下計算情況有完建情況、正常擋水位情況、設計洪水位情況和冰凍情況；荷載特殊組合下計算情況有施工情況、校核洪水位情況、地震情況、墻前水位降落情況。水工擋土墻在建成及運用期的各種墻前后特征水位作用下，其作用于墻身的靜水壓力、土壓力及作用于基底的揚壓力、地基反力等都不同，其穩定分析要求根據工程調度運用工況、地基情況、結構特點及施工條件進行計算，在設計、校核、建成和正常運用等各種情況下都滿足整體穩定、變形和各部位結構的強度要求。

通常的擋土墻抗滑穩定計算是根據工程施工條件及調度運用情況，直接采用工程的幾個特征水位組合作為控制擋土墻穩定計算水位組合進行分析，由于在不同的墻前后特征水位作用下，其作用于墻身的靜水壓力、土壓力與作用于基底的揚壓力、地基反力等都不同，所以特征水位組合往往并不是擋土墻抗滑穩定計算的最不利組合，最危險工況可能出現在特征水位區間內的某個水位組合。

2 計算分析

擋土墻整體穩定驗算主要包括抗滑穩定驗算、抗傾覆穩定驗算和地基承載力驗算，對于土基上的水工擋土墻，抗滑穩定、地基平均應力和地基應力大小比控制是穩定驗算的主要內容。為了方便計算，本文采用高5m和高8m懸臂式擋土墻在各梯級水位組合下的穩定驗算為例進行分析，高5m、8m懸臂式擋土墻斷面結構見圖1。

擋土墻墻后填土土料的選擇根據防滲、排水要求及土料來源等因素綜合考慮，條件允許情況下盡量選取抗剪強度指標高的土料，處于防滲段的填土宜選擇粘性土料，非防滲段可選擇無粘性土料。粘性土料經碾壓密實后土體中的水難以形成自由水頭作用面，墻后靜水壓力強度大打折扣，墻后地下水位以下的水土壓力通常按水土合算形式考慮，土抗剪強度采用飽和不排水抗剪強度指標；無粘性土料振實后墻后土體中靜水壓力強度變化不大，墻后地下水位以下的水土壓力通常按水土分算形式考慮，土抗剪強度采用有效抗剪強度指標。為了反映兩種極端土料下擋土墻各梯級水位組合的穩定情況，對水土分算和水土合算分別進行分析。

圖1 高5m、8m懸臂式擋土墻斷面結構圖

表1 5m擋土墻各梯級水位組合下的穩定驗算成果表

土壓力的計算是擋土墻設計中的一個關鍵問題，但墻后土壓力在工程界至今仍無法精確計算。土壓力的大小和分布，除了與填土的性質有關外，還和墻體的位移方向、位移量、土體與結構物的相互作用以及擋土結構物的類型有關。常用的土壓力計算理論有郎肯土壓力理論和庫侖土壓力理論。郎肯土壓力理論使用簡單、方便，但適用條件有限；庫侖土壓力理論適合于比較廣泛的邊界條件，但計算稍復雜。作用在擋土結構上的土壓力，按擋土結構的位移方向、大小及土體所處的三種極限平衡狀態，可分為三種，即靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力。一般建在土基上的擋土墻墻后土壓力為主動土壓力，對于計算主動土壓力，各種土壓力計算理論的差別不大。

為了反映各高程段水位組合下擋土墻穩定成果指標，計算取自墻后地面以下0.5m至墻基底，墻前、墻后水位按每0.5m一檔，考慮降雨及滲流滯后的影響，墻前后水位差取0.5m，從而得到系列水位組合：5m擋土墻共8組，5m擋土墻共14組。

擋土墻穩定驗算計算參數根據工程實際的一般情況取用，主要計算參數：墻后填土濕容重19.0kN/m3，飽和容重20.0kN/m3，浮容重10.0kN/m3，水土分算水上內摩擦角30°，水下內摩擦角33°；水土合算水上等值內摩擦角30°，水下等值內摩擦角26°；基底與地基間摩擦系數f=0.35。高5m擋土墻各梯級水位組合下的穩定驗算成果見表1，高8m擋土墻各梯級水位組合下的穩定驗算成果見表2。

從高5m、8m懸臂式擋土墻各梯級水位組合下的穩定驗算成果可以看出：（1）隨水位組合的水位抬高，擋墻平均基底應力逐漸減小，一般施工完建期是地基承載力驗算的控制工況時期；（2）隨水位組合的水位抬高，擋墻基底應力最大值與最小值比規律性較差，與擋墻結構尺寸有關；（3）隨水位組合的水位抬高，在采用水土分算計算墻后水平荷載時，擋墻的抗滑穩定安全系數基本逐漸減小，但最小值不是最高水位組合情況下產生的；在采用水土合算計算墻后水平荷載時，擋墻的抗滑穩定安全系數先小后大，最小值是產生較低的水位組合情況附近。隨水位組合的水位變化，擋土墻抗滑穩定安全系數走勢曲線詳見圖2。

表2 8m擋土墻各梯級水位組合下的穩定驗算成果表

圖2 抗滑穩定安全系數K曲線圖

3 結論

影響擋土墻穩定性因素很多，如工程施工條件、調度運用情況、墻后填土土料、地基土特性、擋土墻自身結構尺寸和荷載情況等。擋土墻穩定計算水位組合的不同直接影響墻前靜水壓力、墻后水土壓力和墻身有效自重等的變化，這些變化對擋土墻穩定性的影響有利有弊。本文僅以墻高5m和8m懸臂式擋土墻在各梯級水位組合下的穩定驗算為例進行分析，初步探討不同水位組合的無粘性土（水土分算）和粘性土（水土合算）對擋土墻穩定性綜合影響趨勢，繪成擋土墻抗滑穩定安全系數走勢曲線圖，尋求擋土墻抗滑穩定計算的最不利水位組合，對擋土墻設計具有一定參考意義

（專欄編輯：徐 攀）