扶壁式擋土墻控制工況探討

丁 燕，高徐軍，葛苗苗,韓文斌

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065；2.西安理工大學 巖土工程研究所,西安 710048)

文章編號：1006—2610(2015)02—0037—07

扶壁式擋土墻控制工況探討

丁 燕1，高徐軍1，葛苗苗2,韓文斌1

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065；2.西安理工大學 巖土工程研究所,西安 710048)

以漢江白河縣城防洪工程扶壁式擋土墻不同的填土高度為研究對象，采用理正巖土計算軟件和ANSYS三維有限元分析軟件，計算扶壁式擋土墻在各工況下的安全系數和應力變化，并引入水位降幅比，分析了水位驟降工況下扶壁式擋土墻的穩定性和受力狀態，綜合穩定性和受力狀態2個因素對擋土墻的影響，判斷扶壁式擋土墻的控制工況。計算結果表明，扶壁式擋土墻的控制工況與其墻后填土高度有關，當墻后填土高度和擋土墻高度相同時，其控制工況為水位驟降工況；擋土墻頂部出現懸臂段，擋土墻的穩定性較好，墻前高水位條件下，墻體拉應力急劇增大，擋土墻的控制工況為校核洪水位工況。可以此確定水工擋土墻工程控制工況。

扶壁式擋土墻；水位驟降；安全系數；控制工況；拉應力

0 前 言

扶壁式擋土墻是一種鋼筋混凝土薄壁式擋土結構，其主要特點是構造簡單、施工方便，墻身斷面較小，自身質量輕，可以較好地發揮材料的強度性能，能適應承載力較低的地基且整體穩定性好，因此除了被應用于公路邊坡和大型邊坡治理外，更被廣泛應用于水利工程中。通常，水工擋土墻的設計不僅要滿足規范要求，還必須滿足穩定性和受力要求，因此，必須以水工擋土墻在各種工況下的穩定性和受力狀態判斷其控制工況，根據控制工況的穩定性和受力狀態校正設計。SL 379-2007《水工擋土墻設計規范》[1]中已明確擋土墻的設計標準和穩定性計算方法，也有不少文獻[2-6]對擋土墻的穩定性和受力進行了分析。由于水工擋土墻荷載計算復雜，尤其是水位驟降工況下最不利水深難以確定，所以針對水工擋土墻控制工況的研究很少，文獻[7]認為水位驟降速度越快，堤岸的穩定性降低越大，同一水位驟降速度，水位越低堤岸穩定性越差。文獻[8]對擋土墻在水位驟降工況下的不利水深進行了研究，認為汛期水位驟降情況下，擋土墻穩定性不利水深不一定是墻前和墻后初始最大水深的組合，而可能是墻前水位降落過程中的某一過程水深。文獻[9-11]對擋土墻或岸坡堤防在水位驟降工況下的穩定性也進行了研究，但目前大多數文獻對擋土墻的穩定性和受力都取單一工況進行研究，并且很少綜合擋土墻的受力和穩定性來確定擋土墻的控制工況。本文即是針對這一問題，以陜西漢江白河縣不同填土高度的扶壁式擋土墻為實例，結合理正設計軟件及ANSYS三維有限元仿真軟件，計算水工扶壁式擋土墻在不同工況的荷載組合下，擋土墻的穩定安全系數和拉應力大小，結合擋土墻的穩定性和受力情況，綜合判斷扶壁式擋土墻的控制工況。

1 工程案例分析

1.1 工程概況

圖1 工程場址示意圖

漢江白河縣防洪工程是一個城市防洪為主，兼顧市政景觀及G316過境交通的綜合工程，堤線全長約3 849 m。防洪工程范圍內屬低山地貌，區內地形切割強烈，河谷蜿蜒曲折，兩岸基巖裸露，山坡陡峻。堤防工程區漢江河流基本順直，基巖高出河床50～100余m，堤防工程位于漢江和白石河高、低漫灘之上，沿堤線均有地下水分布，屬孔隙性潛水類型，一般情況下堤線地下水位埋深在1.0～1.5 m之間(見圖1)。經計算，水流平行坡岸時沖刷深度為2.72 m。該工程堤防建筑物級別為4級，由于地勢特殊，該工程扶壁式擋土墻最高達28.0 m。

1.2 相關參數及物理力學指標

本文根據水利行業擋土墻規范SL 379-2007《水工擋土墻設計規范》[1]及該工程擋土墻級別將其抗滑穩定安全系數和抗傾覆穩定安全系數的標準值分別取為1.30和1.50；根據SL 191-2008《水工混凝土結構設計規范》[12]，土壓力分項系數取1.2，永久荷載對結構有利時，取荷載組合系數為0.95。理正設計軟件分析相關參數見表1，ANSYS三維計算物理力學參數見表2。

表1 理正設計軟件分析相關參數表

表2 ANSYS三維數值計算力學參數表

1.3 分析斷面及三維模型

該工程墻前最高水位為校核洪水位，和擋墻墻高相同，墻后水位高程為填土高程，墻后最大水深即為填土高度，由于墻后填土高度的變化導致部分區段扶壁式擋土墻頂部會出現較大懸臂段，本文選取2個典型剖面進行分析，具體設計尺寸如圖2。

三維計算模型在圖2分析斷面的基礎上，選擇2個分縫間14.9 m的長度進行建模，對應模型網格見圖3、4。考慮到計算工況的復雜性，將擋土墻結構單元和基巖材料都采用實體單元(SOLID45單元)進行模擬，選取Drucker-Prager屈服準則作為收斂準則，計算過程中模型四周法向約束、底部固定約束。

圖2 理正分析輔助斷面 單位：m

圖3 斷面1三維計算模型網格圖

圖4 斷面2三維計算模型網格圖

2 工況及荷載計算

2.1 荷載工況組合

本文分析了漢江扶壁式擋土墻在施工、完建、正常運行、設計洪水位、校核洪水位及水位驟降工況下的穩定性和受力情況， 各工況下主要的作用荷載包括：擋土墻自重、洪水水壓力荷載、水浮力荷載、土壓力荷載、汽車荷載、人群荷載。由于工程完建后穩定水位較低，且工程區抗震設防烈度為6度，故不考慮風浪荷載及地震荷載，風荷載及雪荷載等作用較小，也不予以考慮。

根據以上基本組合和特殊組合，將計算工況考慮的荷載總結如下。

(1) 施工期工況：擋土墻結構自重+附加荷載(碾壓水平擠出荷載)+主動土壓力。

(2) 完建工況：擋土墻結構自重+主動土壓力+靜水壓力+揚壓力+公路汽車荷載。

(3) 正常擋水位工況：擋土墻結構自重+主動土壓力+水重+靜水壓力+揚壓力+公路汽車、行人荷載。

(4) 設計洪水位工況：擋土墻結構自重+主動土壓力+水重+靜水壓力+揚壓力+公路汽車、行人荷載。

(5) 校核洪水位工況：擋土墻結構自重+主動土壓力+水重+靜水壓力+揚壓力+公路汽車、行人荷載。

(6) 墻前洪水位驟降工況：擋土墻結構自重+主動土壓力+水重+靜水壓力+揚壓力+公路汽車、行人荷載。

根據工程所在地水文地質環境，除施工及墻前洪水位驟降工況外，其他工況下墻前墻后水深如表3所示，其中水深從擋土墻底板算起。

2.2 特殊荷載計算及施工模擬

本文靜水壓力和揚壓力按照DL5077-1997《水工建筑物荷載設計規范》[12]計算，三維計算采用有梯度的均布荷載模擬，如圖5所示。根據JTG D30-2004《公路路基設計規范》[13]，將車輛荷載作用在擋土墻背填土上所引起的附加土體側壓力，按公式(1)換算成等代均布土層厚度計算：

(1)

式中：h0為換算土層厚度，m；γ為墻背填土重度，kN/m3；q為車輛荷載附加荷載強度，墻高小于2 m，取20 kN/m2；墻高大于2 m，取10 kN/m2；墻高在2～10 m之間時，附加荷載強度用直線內插法計算。作用于墻頂或墻后填土上的人群荷載強度規定為3 kN/m2。

表3 各工況下研究斷面墻前墻后水深表 /m

考慮到實際施工情況，三維計算施工過程模擬步驟為：① 擋土墻地基及邊坡開挖→② 施做片石混凝土墊層→③ 分層(2～3 m)澆筑擋土墻及扶壁并回填墻后填土→④ 回填墻內側填土直至與墻外側地面等高度時回填墻外側填土，提供反壓和坡腳

防沖刷措施，保證墻踵板及墻面板內外受力均勻→⑤ 分層(2～3 m)澆筑擋土墻及扶壁并填筑墻后土層直至設計高程。主要施工步驟如圖6。

圖5 靜水壓力及揚壓力計算方法示意圖

圖6 三維分析主要施工步驟示意圖

3 洪水驟降工況下不利水深的確定

3.1 水位降幅比概述

一般說來，墻前水位的降落速度與擋墻所在河段河道形態和河床或行洪通道縱坡陡緩有關，而墻后地下水位的降落速度與擋土墻排水設施(如墻身排水孔，墻背排水管或排水盲溝等)和墻后土層物理特性及排水效果有關，還有可能受到墻前水位頂托的影響，工程運行多年后如果部分排水孔堵塞或反濾材料孔隙淤塞而造成排水效果不良，會減緩墻后地下水位的降速。因而某些工程的墻后水位降落速度比墻前要慢一些，由于墻前洪水位和墻后土層地下水位降落是有關聯的，故有必要引入擋土墻墻前墻后水位降幅比n[7]，其定義是：設某一時間段內墻前墻后水位下降高度分別為ΔHq、ΔHh，則n即為前者與后者的比值，即有表達式：

(2)

顯然，n的值越大，墻前水位降落速度越快，反之亦然。當n=1時，即表示此段時間內墻前水位和墻后水位差不變；若n>1，則表示此段時間內墻前水位降速較墻后水位降速快。這樣，不同的水位降比n就能模擬不同因素影響下墻前墻后的水位降落關系。

3.2 不利水深確定

本文分析了擋土墻在不同n值下，2個研究斷面墻前水深從最大值(校核洪水位)降至0的過程中擋土墻的穩定性，得到穩定安全系數和墻前水深關系如圖7、8，由圖可見：所有水位降比n值曲線的抗滑移穩定安全系數Kc和抗傾覆穩定安全系數Ko隨著墻前水深Hq的降低均呈現先減小后增大的趨勢，這表明在墻前水位降落過程中，對扶壁式擋土墻穩定性不利的水深是水位降落過程中的某一過程水深；同理，通過ANSYS三維計算不同n值下水位動態變化中擋土墻的拉應力，由圖9拉應力和墻前水深關系可得，扶壁式擋土墻受拉不利水深也為水位驟降過程中某一不利水深。不同的是斷面2由于擋土墻頂部有6 m的懸臂段，所以在墻前水位很高時，擋土墻在懸臂端根部受到很大拉應力，隨著墻前水位降低，斷面2的σ1～Hq與斷面1相同，呈現先增大后減小的趨勢。

通過計算分析，本文進一步證明了文獻[8]的結論，在墻前水位驟降過程中，對擋土墻穩定性和受力不利的水深是水位降落過程中的某一過程水深，而不是墻前最大水深和墻后最大水深的組合。

圖7 Kc～ Hq關系曲線圖

圖8 Ko～ Hq關系曲線圖

圖9 σ1～Hq關系曲線圖

一般根據擋土墻墻前河段所處的水文環境，來確定墻前墻后的水位降幅比值n，表4是文獻[8]給出的不同水文環境下n的建議值。本工程項目地處陜南山區，洪水位降速較快，墻前墻后水位降幅比n可取1.5～3.0，由于本文擋土墻高達28 m,考慮安全儲備，取n=3.0計算斷面1和斷面2在洪水位驟降工況下的不利水深，計算結果見表5。

表4 不同水文環境下水位降幅比n取值范圍表

表5 n=3時水位驟降過程中墻前墻后不利水深表 /m

4 計算結果分析

4.1 理正二維穩定性計算結果分析

表6是理正設計軟件計算研究對象在各工況下的穩定安全系數，從表6可以看出：

(1) 各工況下擋土墻的穩定安全系數均滿足規范要求，由于斷面2擋土墻高度較高，墻后填土高度較低，在擋土墻頂部出現6 m高的懸臂段，在洪水位作用下，擋土墻臨河一側受很大的水壓力，很難發生滑移或傾覆，因此設計洪水位和校核洪水位下穩定安全系數很大。

(2) 水工扶壁式擋土墻高度越大，穩定性不一定就差，這和墻后填土高度有關，斷面2擋墻高度雖然比斷面1大，但穩定性較斷面1好，這是由于斷面2的墻后填土高度較低，洪水來臨或者退去時，在相等的水位降落速度下，斷面2的墻前墻后水位差較小，其穩定性較好，穩定安全系數較大。

(3) 比較幾個工況下擋土墻的穩定安全系數可得，斷面1在設計洪水位驟降工況，抗滑移穩定安全系數Kc、抗傾覆穩定系數Ko最小，故斷面1的穩定性控制工況為設計洪水位驟降工況，同理，斷面2在正常運行時穩定安全系數最小，斷面2的穩定性控制工況為正常運行工況。

4.2 扶壁式擋土墻三維受力分析

通過ANSYS計算各工況不同荷載組合下擋土墻的應力大小，結果如表7，從表中可以看出：

(1) 除了校核洪水位工況，其他工況下兩斷面的拉應力均滿足混凝土抗拉強度要求，且斷面1整體拉應力較斷面2大，這是因為斷面1墻后填土高度大，主動土壓力較大，導致擋土墻墻踵板所受拉應力較大。

表6 各工況下研究斷面穩定安全系數表

(2) 斷面1在設計洪水位驟降工況下所受拉應力最大，為0.66 MPa，故斷面1的控制工況為設計洪水位驟降工況；斷面2在校核洪水位工況下拉應力最大，為2.04 MPa，故斷面2的控制工況為校核洪水位工況，且拉應力超過了C40混凝土的設計抗拉強度值1.65 MPa，這是因為斷面2擋土墻頂端有6 m的懸臂端，當墻前水位大于墻后填土高度時，在懸臂端根部就會出現較大拉應力，而且水位越高，拉應力越大。

表7 各工況下研究斷面拉應力值表

本文所研究的2個斷面，由于其填土高度的不同，導致其最大拉應力出現的位置也不一樣，斷面1填土高度和擋土墻高度相等，墻后主動土壓力較大，各工況下最大拉應力均出現在墻踵板端部，在水位驟降工況下，由于墻前墻后水位差增大，扶壁中部也出現較大拉應力，如圖10所示。斷面2各工況拉應力出現的位置同斷面1大致相同，不同的是由于斷面2墻頂有6 m的懸臂段，在校核洪水位工況下，最大拉應力出現在懸臂段根部，且拉應力超過了混凝土抗拉強度，具體如圖10所示。

圖10 三維計算最大拉應力云圖

5 控制工況探討

目前大部分水工擋土墻工程將水位驟降工況作為最危險工況，從本文的分析中可知：水位驟降工況并不一定是控制工況，并且擋土墻的控制工況不能僅僅從穩定性角度分析，擋土墻可能在某一工況下穩定性很好，但是受力遠遠超過了設計要求，所以應當結合擋土墻的穩定性和受力情況綜合分析，來確定擋土墻的控制工況。

從本文的分析可以看出，擋土墻的穩定性和受力與擋土墻的墻后填土高度有關。墻后填土高度和擋土墻高度相同時(如斷面1)，其受力在各工況下均比較穩定，拉應力變化范圍較小，反而，由于墻后填土高度和擋土墻高度相差不大，其在水位驟降工況下穩定性最差，因此，此種斷面形式的水工扶壁式擋土墻，可以通過穩定性評價來確定其控制工況，且通過本文分析可得，其控制工況為水位驟降工況。墻后填土高度低于擋土墻高度時，擋土墻頂部有懸臂端(如斷面2)，這種情況下，墻后的主動土壓力較小，由于墻前水位相對較高，所以穩定性相對較好，尤其是在設計或校核洪水位時，穩定安全系數很大，且懸臂段越高，安全系數越大，擋土墻越穩定。但這種斷面形式下，懸臂段根部會在墻前高水位時出現很大拉應力，甚至超過混凝土的設計抗拉強度，因此當擋土墻頂部有懸臂段時，擋土墻的受力條件成為判斷控制工況的依據，擋土墻的控制工況為墻前水位最高的工況，多為校核洪水位。對于在墻前高水位下擋土墻懸臂段根部出現較大拉應力的情況，應當采取相應的構造措施或加大配筋。

6 結 語

通過結合理正設計軟件和ANSYS三維有限元仿真軟件分析2種不同斷面的扶壁式擋土墻，在施工工況、完建工況、正常運行工況、校核洪水位工況、設計洪水位工況以及水位驟降工況下的穩定性和受力情況，得到扶壁式擋土墻以下結論：

(1) 汛期水位驟降情況下，扶壁式擋土墻穩定性不利水深和受力不利水深不一定是墻前和墻后初始最大水深的組合，而可能是墻前水位降落過程中的某一過程水深。

(2) 水位驟降工況并不一定是控制工況，擋土墻可能在某一工況下穩定性很好，但是受力遠遠超過了設計要求，故扶壁式擋土墻的控制工況應當綜合穩定性和受力2個影響因素來確定。

(3) 扶壁式擋土墻的控制工況與其墻后填土高度有關，當墻后填土高度和擋土墻高度相同時，穩定性為其控制工況判斷依據，此時控制工況為水位驟降工況；當墻后填土高度低于擋土墻高度，擋土墻頂部出現懸臂段時，擋土墻穩定很好，所受拉應力較大，受力條件決定其控制工況，此時控制工況為校核洪水位工況。

本文所獲得的結論及計算方法對水工擋土墻工程控制工況的確定有一定的參考價值。

[1] SL379-2007,水工擋土墻設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2008.

[2] 謝新宇,楊相如,劉開富,等.水位變化對帶擋土墻路基穩定性影響[J].地下空間與工程學報, 2009,5(6):1262-1271.

[3] 周雪峰,李江新,魏偉. 套打樹根樁的重力式擋土墻設計[J].地下空間與工程學報, 2007,3(8):1426-1429.

[4] 鄭穎人,時衛民,孔位學.庫水位下降時滲透力及地下水浸潤線的計算[J].巖石力學與工程學報，2004，23(18)：3203-3210.

[5] Lane P A, Griffiths D V. Assessment of stability of slopes under drawdown conditions[J].Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 2000, 126(5): 443-450.

[6] 張文杰, 陳云敏, 凌道盛. 庫岸邊坡滲流及穩定性分析[J].水利學報，2005，36(12)：1510-1515.

[7] 趙宇坤,劉漢東,李慶安. 洪水浸泡和水位驟降情況下黃河下游堤防堤岸穩定性分析[J].巖土力學，2011，32(5)：1495-1499.

[8] 何善國. 墻前水位驟降擋土墻穩定不利水深取值問題分析研究 [J].紅水河，2012,31(2):34-41.

[8] 吳瓊,唐輝明,王亮清. 庫水位升降聯合降雨作用下庫岸邊坡中的浸潤線研究[J].巖土力學，2009，30(10)：3025-3031.

[10] 闕云. 浸水重力式擋土墻穩定性的最不利水位確定[J].福建建設科技，2012,(5):11-14 .

[11] 張敏江,趙乃志,楊軍彩.浸水重力式擋土墻的滑移分析[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2005,(1):5-7.

[12] SL191-2008,水工混凝土結構設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2009.

[13] DL5077-1997,水工建筑物荷載設計規范 [S].北京：中國電力出版社，1998.

[14] JTG D30-2004,公路路基設計規范 [S].北京：人民交通出版社，2004.

Study on Control Conditions of Counterfort Retaining Wall

DING Yan1, GAO Xu-jun1, GE Miao-miao2, HAN Wen-bin1

(1. POWERCHINA Xibei Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China;2. Geotechnical Engineering Institute, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

With the different height of the backfilling soil of the counterfort retaining wall in the flood control project in Baihe County downtown as the study subject and by application of Lizheng geotechnical software and ANSYS 3D finite element software, safety factors and stress variation of the counterfort retaining wall at various conditions are calculated. Furthermore, the water level drop range ratio is introduced. stability and action of the counterfort retaining wall in condition of the water level prompt drop are analyzed accordingly. In consideration of impacts on the retaining wall by its general stability as action, the control condition of the counterfort retaining wall is judged. The calculation shows that the control condition of the counterfort retaining wall is related to the soil backfilling height. When the height of soil backfilling behind the retaining wall is the same as the retaining wall height, its control condition is the one of water level prompt drop. When the cantilever at the top of the retaining wall occurs, stability of the retaining wall is better. In condition of high water level before the retaining wall available, the tensile stress of the wall increases rapidly. The control condition of the retaining wall is the check flood level. Based on this, the control condition of the retaining wall can be determined.

counterfort retaining wall; water level prompt drop; safety factor; control condition; tensile stress

2014-12-10

丁燕(1961- )，女，西安市人，教授級高工，主要從事橋梁工程的設計與研究工作.

TU476.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.010