軟基水工半重力式擋土墻結構優化設計研究

【摘要】水工擋土墻在水工建筑物設計中廣泛應用，如水電站倒流墻、水閘、渠系工程、河岸翼墻等。根據擋土墻布置地區的地質條件，可以采用多種形式，如重力式、半重力式、仰斜式、衡重式、懸臂式、扶壁式等。軟基水利工程，通常情況下，都會選擇應用半重力式擋土墻，因為此種類型的擋土墻具有非常多的優勢，比如能夠節約配筋，減少成本，便于后期施工等。作為邊坡防護中應用最廣泛的一種防護形式，軟基水工半重力式擋土墻的設置對于有效減少山體滑坡和邊坡滑塌等其他災害或病害的發生。

【關鍵詞】軟基水工；半重力式；擋土墻結構；優化設計

1、引言

盡管半重力式擋土墻的優勢已經十分突出，但是設計人員依然需要依據現實對軟基水工半重力式擋土墻結構進行不斷的優勢，這樣才能保證此種類型的擋土墻發揮功能。

2、軟基水工半重力式擋土墻結構優化設計

2.1 擋土墻斷面的選擇

軟基水工半重力式擋土墻由兩部分構成，分別為立板與底板，此種類型的擋土墻之所以能夠保持穩定，主要是因為底板上擁有足夠的填土。底板具體尺寸，需要設計人員進行如下驗證：首先，抗滑穩定性進行驗證，確保擋土墻不會因為滑動而出現破壞情況；其次，對地基承載力進行驗證，必須保證地基應力在指定值之內，這樣地基才不會發生嚴重的沉陷；地基應力要在指定的允許值的范圍之內，這樣才能夠保證擋土墻不會出現前傾變位。計算期間，設計人員最需要解決的就是各個部位的尺寸問題，因為各個部位的允許值達到要求，地基底部應力才能夠保持在允許值范圍內，保證應力分布不均勻系數達到要求。如果控制底板未能達到指定要求，設計人員可以選擇應用加寬前趾板的方法，正常情況下，加寬到24m時，盡管地基承載力在允許值范圍之內，而不均勻系數也能夠達到要求，但是在進行配筋計算時，最終的強度性能卻未能達到要求，但是如果將前趾板縮短到22.5m，在適當的加寬后趾板，效果非常好，這樣配筋使用量大為減少，但是因為后趾板需要加寬，因此必須加大開挖量。

2.2 下墻土壓力計算

由于下墻土壓力計算比較復雜，難以建立模型進行精確計算，下面簡要介紹延長墻背法和力多邊形法這兩種常用的方法。延長墻背法通過延長下墻墻背至填土面，此時邊界條件采用延長墻背法產生的假想截面，選取相應庫侖公式進行土壓力計算。但是該方法忽略了延長墻背與實際墻背間的土及其重量，造成下墻土壓力計算有誤，因誤差較小，在允許范圍內，且計算較為簡便，故實際的運用較多。力多邊形法，破裂棱體上的作用力（在墻背土體處于極限平衡狀態下），應該構成閉合的力矢量多邊形。求出上墻的土壓力后，任意假定與水平面成一定夾角的一破裂面繪制出力多邊形，由此推出下墻的土壓力，具體參見有關設計手冊。

2.3 排水設計

擋土墻后填土內常有地下水，這不僅增加了擋土墻的水平外荷載，而且使回填土的強度降低，側向土壓力增大。為使墻后填土中的積水易于排出，在墻身每隔2.5m設一排水孔，高擋墻處設兩排，低擋墻處設一排。排水圓孔直徑為10cm。為防止發生管涌，在排水孔進口處設反濾層，反濾料根據粒徑大小分為三層，迎水的第一層為粗砂，第二層為20～50mm的碎石，第三層為50～80mm的碎石。另外，為避免排水孔堵塞，在排水孔進口處加一層孔眼為30mm的鋼筋網。

2.4 強化擋土墻的安全性

首先，要加固擋土墻的基礎部分。在一定程度上講，擋土墻的基礎部分對于其安全性具有很大的決定作用。因此，必須采取有效措施對擋土墻的基礎部分進行加固處理。其一，為增強擋土墻結構的抗傾覆能力并確保其穩定性，可在其墻角處設計一個伸出的臺階，減少其基地壓應力。其二，在對地基為軟土地基的擋土墻進行施工之前，為確保基地壓應力能夠有效擴散，增強地基的強度和穩定性，可用灰土、沙礫、礦渣和碎石等對擋土墻的基地進行壓實。其次，要改進擋土墻泄水孔反濾結構。作為擋土墻設計施工的重要組成部分，排水措施就是要在擋土墻前地面上設置一排排的水孔，或者改進擋土墻泄水孔的反濾結構。由于反濾結構的尺寸較大、泄水孔數量較多，在改進擋土墻泄水孔反濾結構時，一是可用裝砂的反濾土工布和針刺型土工布等口袋對擋土墻泄水孔進水口進行封堵；二是為保證施工效率，可用無砂混凝土對泄水孔的進水口進行封堵。最后，要優化沉降縫與伸縮縫的設置。由于山區地基不均勻和圬工砌體容易受收縮硬化和溫度的影響等問題的存在，施工單位在進行擋土墻施工過程中，也會引發擋土墻開裂等問題。因此，為延長擋土墻的使用壽命，充分發揮擋土墻的作用，施工單位在施工過程中，要根據墻高和地基性質的變異設置沉降縫和伸縮縫。

2.5 穩定性及強度驗算

確定墻身斷面形式及尺寸后，必須驗算擋墻穩定性，以保證其在自重和外荷載的作用下不發生墻體的移動和傾覆。軟基或斜坡上的擋墻，還應對擋墻、地基及填土在內的整體穩定性進行驗算，并對墻體的強度（法向應力和剪應力）、基底應力及偏心距進行驗算。若強度和穩定性不滿足要求，則需要改變墻體材料或截面尺寸，重新驗算，直至滿足要求為止。

2.5.1 滑動穩定性驗算

土壓力和其他外荷載作用于基底，而基底抵抗擋墻體發生滑動的阻力，滑動系數應不小于1.3。其公式如下：KC=（W+Ey）f/EX。式中：W———擋墻自重，kN；Ex、Ey———主動土壓力的水平和垂直分力，kN；f———基底抵抗摩擦的系數。

2.5.2 驗算抗傾覆穩定性

抗傾覆性是用抗傾覆系數也來表達，是指擋土墻繞墻趾作用產生的傾覆穩定系數。公式如下：

KO=（WZW+EYZX）/（EXZY）式中：Zx———Ey對墻趾0點的力臂，m；ZY———Ex對墻趾0點的力臂，m；ZW———W對墻趾0點的力臂，m。

3、結束語

綜上所述，可知該工程應用了半重力式擋土墻，在設計人員對其結構進行了多次的優化之后，效果非常好。但是設計人員不僅需要對應力值進行計算，還需要著重注意排水功能，進行排水設計，因此保證半重力式擋土墻能夠充分的發揮優勢。

參考文獻：

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