基于水利工程中的擋土墻設計探討

摘要：在水利工程建設中，擋土墻的合理設計，對地面不平整和高差比較大的工程建設場地，不僅有利于提高工程建設場地的美觀性，而且有利于節約施工成本、減少工程造價，確保國家和人民生命財產安全。因此，在擋土墻的設計中，應注意結合施工需求，合理的選擇擋土墻結構型式，并注意做好擋土墻的結構穩定性計算，保證設計質量。

關鍵詞：水利工程;擋土墻;設計計算分析

前言

擋土墻施工是現代水利工程施工的重要環節，并且在面臨洪水災害的時候，擋土墻發揮著非常重要的作用，其施工質量也因此而倍受關注。擋土墻是否處于安全狀態，對河道周邊以及下游區域居民的生命與財產安全有直接的關聯，因而對社會和諧穩定發展也有極大影響。同時，水電水利工程中水工混凝土擋土墻還兼備抽水、排水和發電等不同功能，因此成為河道工程的樞紐。在水工建筑不同的情況下，其對于防水墻也存在有不同程度的要求，所以在進行水工混凝土擋土墻施工建設時，應以建筑級別作為依據，進而對擋土墻的級別進行確定。

1.水利工程擋土墻的類型

1.1擋土墻的類型

常用到的擋土墻的類型主要有重力式、衡重式、懸臂式、扶壁式等幾種，擋土墻類型的選擇根據所支擋土體的穩定平衡條件，考慮荷載大小與方向、地形、地質、基礎埋置深度、基底承載力、施工難易度，尤其市政道路還要考慮擋土墻的美觀實用等綜合比較后確定。

2.水利工程中擋土墻的設計標準

水工擋土墻分為有擋水要求和無擋水要求兩類。除設計允許水流從墻頂漫溢的擋土墻外，其他有擋水要求的永久性擋土墻除了具有防止土體崩塌作用外，其結構穩定和墻頂超高等都與洪水標準相關。由于這類擋土墻與所屬的水工建筑物一起承擔著擋水的任務，因此其設計洪水標準應與所屬水工建筑物的洪水標準一致。無擋水要求的永久性擋土墻，例如位于防洪水位以上的擋土墻，當然不作設計洪水標準的規定。位于水工建筑物上、下游河道內的擋土墻，例如作為河道護岸的擋墻等，其洪水標準應與水工建筑物上、下游河道的設計洪水標準一致。位于擋洪建筑物上游的翼墻，屬于擋洪建筑物上游的一部分，其洪水標準只能與所屬擋洪建筑物的設計洪水標準相同，而絕對不能低于擋洪建筑物的設計洪水標準。位于水工建筑物下游的翼墻，作為水工建筑物下游的一部分，其設計洪水標準亦應與所屬水工建筑物的設計洪水標準相同，只是防洪水位值與上游的防洪水位值不一樣。

對于不允許水流從墻頂漫溢的水工擋土墻，兼有擋土和擋水的雙重任務，如水工建筑物上游的翼墻，在所屬水工建筑物關閘擋水時，無論是在正常蓄水位或最高擋水位條件下，由于風力作用，墻前均會出現波浪，因此翼墻的墻頂高程不應低于正常蓄水位加波浪計算高度與相應安全加高值之和。當所屬水工建筑物系泄水建筑物，遇到設計洪水位必須開閘泄水時，由于流速的影響，水面不會形成較高的波浪，至少不會形成立波波型，因此翼墻的墻頂高程不應低于設計洪水位與相應安全加高值之和。

3.擋土墻的設計問題分析

3.1擋土墻的墻身強度驗算

墻身強度的驗算，一般選在墻截面突變處，例如墻底臺階的上截面，減力板式擋土墻的減力板上板面等部位。對于重力式擋土墻來說，驗算時，先計算此截面以上的墻體的重力和相應高度的主動土壓力，求得該截面的內力，然后進行抗壓強度和抗剪強度驗算。對于混凝土擋土墻以及減力板擋土墻的減力板來說，可根據彎矩和剪力計算根部的截面大小，來決定配筋的多少。在構造上，可按鋼筋混凝土懸挑板設計，根部截面厚，端部截面薄，鋼筋的用量可根據內力包絡圖的結果，進行上下鋼筋量分別配置。

3.2擋土墻的穩定性驗算

擋土墻的穩定驗算包括抗傾覆驗算和抗滑移驗算。擋土墻的截面尺寸一般按試算法確定，即先根據擋土墻的工程地質、填土性質以及墻身材料和施工條件等憑經驗初步擬定截面尺寸，然后進行驗算。如不滿足要求，則修改截面尺寸或采取其他措施。特別需注意的是在軟弱地基上傾覆時，墻趾可能陷入土中，力矩中心點內移，導致抗傾覆安全系數降低，有時甚至會沿圓弧滑動而發生整體破壞。因此，驗算時應注意土的壓縮性。作用在擋土墻上的荷載有：墻體受的重力，主動土壓力以及墻底反力和墻面埋入土中部分所受被動土壓力，后者一般可忽略不計，其結果偏于安全。墻體按實際土的重度計算，計算土壓力時，荷載采用標準值。在設計計算中，擋土墻的截面和底寬一般由抗滑移穩定驗算控制，但從許多提供的資料來看，擋土墻的破壞，絕大多數為傾覆所致，這說明在抗滑移方面一般有較大的安全儲備。

3.3擋土墻的基底壓力驗算

擋土墻在自重及土壓力的垂直分力作用下，基底壓力按線性分布計算。其驗算方法及要求完全同天然地基淺基礎驗算方法。擋土墻的基底壓力應小于地基承載力。否則，地基將喪失穩定性而產生整體滑動。擋土墻基底常屬偏心受壓情況。即要求墻底平均壓力小于地基承載力f，且墻底邊緣最大壓力不大于1.2f。同時要求偏心距不大于b/4（b為擋土墻的墻身寬度）。當場地為濕陷性黃土地基時，擋土墻基底應按濕陷性黃土規范進行地基處理。

3.4擋土墻后背填土要求

根據調查資料顯示，擋土墻后沒有采取排水措施或是排水措施失效，是擋土墻倒塌的主要原因之一。由于地表水流入填土中使填土的抗剪強度降低，并產生水壓力的作用。因此，墻身應設置泄水孔，其孔徑不宜小于100mm，外斜坡度為5%，間距2～3m。一般常在墻后做寬約500mm的碎石濾水堆囊，以利排水和防止填土中細粒土的流失。墻身高度大的，還應在中部設置盲溝。墻后填土宜選擇透水性較強的填料。當采用粘性土作為填料時，宜摻入碎石，以增大土的透水性。墻后填土均應分層夯實。在墻頂和墻底標高處宜鋪設粘土防水層。墻頂處的防水層可阻止或減少地表水滲入填土中，設置于墻底標高上的防水層，可避免水流進墻底地基土而造成地基承載力和擋土墻抗滑移能力的降低。此外，擋土墻應每隔10～20m設置伸縮縫，縫寬可取20mm左右。相鄰兩段擋土墻基底高差較大時，應按高比長等于1∶2放階，階高0.5m。

4.擋土墻穩定性與強度的計算與增強穩定性的方法

4.1擋土墻穩定性驗算

擋土墻強抗滑能力與抗傾覆能力是擋土墻的穩定性驗算的主要控制性指標，在抗滑移與抗傾覆均滿足的前提下對基底應力進行驗算，以保證擋土墻基礎的穩定，擋土墻對地基的壓力不得大于土基設計承載力，最后進行合力偏心距驗算。若驗算結果不滿足要求，需對擋土墻墻身斷面進行優化或對地基進行處理等措施來保證擋土墻穩定。

4.2墻身截面強度驗算

為保證墻身有足夠的強度，應對擋土墻薄弱斷面進行強度驗算，按荷載最不利組合設計值應小于結構抗力效應的設計值。

4.3增加擋土墻穩定性的方法

增加擋土墻穩定主要是增加擋土墻抗滑與抗傾覆的能力;增加抗滑能力的方法有設置傾斜的墻底;增加抗滑力來增加抗滑穩定性;采用臺階形基礎，增加臺階前被動土壓力來提高擋土墻抗滑能力;增加擋土墻抗傾覆的方法有展寬墻趾，可以增加穩定力臂，是增加擋土墻穩定常用的方法;適擋改變墻面及墻背的坡度，通過減少土壓力的方法來增加擋土墻抗傾覆能力;也可通過改變斷面類型來增加擋土墻穩定性，例如墻高較高時重力式擋土墻可改為衡重式擋土墻或者增加墻后荷平臺以減少土壓力來增加擋土墻的穩定性。

5.結語

水工擋土墻設計是水利工程項目整體設計的重要組成部分，它能夠保證水利工程實現長期、持續、穩定、安全的運行，對水利工程功能的發揮起著非常重要的作用。因此，水利工程施工設計人員在設計擋土墻時，要在積極地做好擋土墻種類選擇的同時，認真嚴格地落實擋土墻的穩定性的驗算設計，確保擋土墻在水利工程建設中發揮最大的效用。

參考文獻：

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