水工擋土墻特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)形式分析

於正芳

【摘要】本文針對(duì)水工擋土墻的特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了系統(tǒng)分析，首先概括指出了水利工程領(lǐng)域中水工擋土墻的構(gòu)造要求，然后就常見的水工擋土墻結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了逐一分析與闡述，最后結(jié)合某堤防工程實(shí)例，就河道兩側(cè)懸臂式水工擋土墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，望能夠引起業(yè)內(nèi)人士的共同關(guān)注與重視。

【關(guān)鍵詞】水工擋土墻；特點(diǎn)；結(jié)構(gòu)形式

水工擋土墻是指在水利水電領(lǐng)域工程建設(shè)中用于防治土體滑塌以及承受土體壓力的特殊擋土建筑物。既往報(bào)道中認(rèn)為，由于水工擋土墻多需要在浸水環(huán)境中工作，必須承受不同特征水位變化所產(chǎn)生的水壓力，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)滿足水工建筑主體對(duì)水流條件的相應(yīng)要求。鑒于水工擋土墻運(yùn)行環(huán)境的特殊性與復(fù)雜性，目前已根據(jù)不同應(yīng)用條件產(chǎn)生了多種水工擋土墻結(jié)構(gòu)形式，在構(gòu)造以及設(shè)計(jì)方面均具有一定的特殊性。本文即針對(duì)水工擋土墻的結(jié)構(gòu)形式及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析與總結(jié)。

1、水工擋土墻構(gòu)造要求

相較于其他工程領(lǐng)域的擋土墻結(jié)構(gòu)而言，考慮到水工領(lǐng)域建筑物運(yùn)行環(huán)境以及工作條件的特殊性，在擋土墻構(gòu)造方面有一定的特殊要求。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，為了實(shí)現(xiàn)水工擋土墻與主體建筑的岸墻連接，以方便止水裝置的設(shè)置，改善水流條件，故在水工擋土墻構(gòu)造中墻身臨水面大多采用直立形式，少數(shù)為營(yíng)造景觀效果也有采用臺(tái)階式形式，擋墻背側(cè)則應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用懸臂或俯斜形式。第二，考慮到工作條件的特殊性，在水工擋土墻結(jié)構(gòu)構(gòu)造中應(yīng)進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)與處理，硬質(zhì)不透水水工擋土墻結(jié)構(gòu)分縫間必須設(shè)置垂直性止水裝置，且與墻前防滲底板之間的水平止水構(gòu)成封閉系統(tǒng)，以確保止水密封性能；生態(tài)透水型擋土墻在背土側(cè)設(shè)置透水土工布防止土體流失。第三，為滿足擋土墻穩(wěn)定要求，擋土墻底板一般要求坐落于土層物理力學(xué)性質(zhì)較好的土層上，若土層無法滿足擋墻的承載力或抗滑穩(wěn)定需求，則應(yīng)進(jìn)行地基處理，處理方式包括換填土和樁基加固等。第四，水工擋土墻的墻頂高程應(yīng)考慮兩岸連接、墻前水位、風(fēng)浪爬高、安全超高等條件加以確定。在確定基礎(chǔ)埋置深度時(shí)，則必須充分考慮地基巖性、凍層深度、沖刷深度等相關(guān)參數(shù)，以確保水工擋土墻結(jié)構(gòu)科學(xué)合理。

2、水工擋土墻常見結(jié)構(gòu)形式

在當(dāng)前技術(shù)條件支持下，水工擋土墻的結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)出了多樣化的發(fā)展趨勢(shì)與特點(diǎn)，在工程實(shí)踐領(lǐng)域中，常用的水工擋土墻結(jié)構(gòu)形式包括重力式水工擋土墻、衡重式水工擋土墻、懸臂式水工擋土墻、扶壁式水工擋土墻、錨桿水工擋土墻、加筋土水工擋土墻等多種類型。不同結(jié)構(gòu)形式的水工擋土墻在具體特點(diǎn)以及適用范圍方面多存在一定的差異性。具體分析如下：

1）重力式擋土墻。此種結(jié)構(gòu)形式水工擋土墻是指借助于水工擋土墻自身重力以確保土壓力作用下?lián)跬翂Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在國(guó)內(nèi)水利工程建設(shè)領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛，多選用混凝土或石料砌筑而成，結(jié)構(gòu)形式如下圖（見圖1）所示。重力式擋土墻多遵循因地制宜原則就地取材，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效益良好且施工方便，在小型水工建筑物中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)突出。但由于此類重力式擋土墻結(jié)構(gòu)體積較大且重量較大，在土地基基礎(chǔ)之上可能受到地基承載作用力的約束，因此高度有一定限制。而在巖基結(jié)構(gòu)中，雖然不會(huì)受到承載力影響，但考慮到結(jié)構(gòu)斷面以及材料耗費(fèi)問題，故仍然建議將重力式擋土墻的高度控制在6.0m范圍內(nèi)。

圖1：重力式擋土墻結(jié)構(gòu)形式示意圖

2）半重力式擋土墻。半重力式擋土墻多選用混凝土原料砌筑形成。與前述重力式擋土墻對(duì)比，半重力式擋土墻斷面更小、前后底腳較大，且需要根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行配筋優(yōu)化。由于此類水工擋土墻的斷面小，故能夠更加有效的利用混凝土結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度，在高度相同的前提下，地基應(yīng)力更低，且較少出現(xiàn)應(yīng)力集中分布現(xiàn)象。結(jié)合水利工程實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來看，若地基基礎(chǔ)較軟或地下水水位偏高，可以半重力式擋土墻替代重力式擋土墻，擋土墻結(jié)構(gòu)高度多在8.0m以內(nèi)。

3）衡重式擋土墻。衡重式擋土墻是通過墻體重心后移以及衡重臺(tái)上部填土自身重力的方式對(duì)抗土體側(cè)壓力，以確保自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，主要由上墻結(jié)構(gòu)、下墻結(jié)構(gòu)以及衡重臺(tái)這三個(gè)部分構(gòu)成，砌筑原料以漿砌石或混凝土為主。在選用衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)時(shí)，衡重臺(tái)以下可以直接于開挖邊坡內(nèi)進(jìn)行混凝土澆筑，極大節(jié)約了模板支護(hù)開支。同時(shí)，衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)中，衡重臺(tái)以下墻背斷面為仰斜，因此可以在一定程度上減輕土壓力值。相較于重力式以及半重力式擋土墻而言，衡重式擋土墻的斷面相對(duì)較小，尤其是對(duì)于容許承載力較高的巖基基礎(chǔ)而言，該結(jié)構(gòu)形式下?lián)跬翂Ω叨瓤蛇_(dá)到20.0m以上。

4）懸臂式擋土墻。懸臂式擋土墻在水工建筑領(lǐng)域中同樣比較常見，主要通過踵板以及趾板上填土重量以確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。此類結(jié)構(gòu)形式擋土墻主要構(gòu)成包括立壁、趾板、以及踵板這三個(gè)部分，結(jié)構(gòu)輕型化。在實(shí)際應(yīng)用中，懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，對(duì)松軟地基基礎(chǔ)有較好的適應(yīng)性，對(duì)于地震高發(fā)以及石料不足的區(qū)域較為適用。但考慮到隨著高度增加，水工擋土墻立壁結(jié)構(gòu)下方彎矩作用力有同步增長(zhǎng)趨勢(shì)，因此會(huì)導(dǎo)致混凝土以及鋼筋用量的增加，故從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，多將懸臂式水工擋土墻結(jié)構(gòu)高度控制在6.0m～9.0m范圍內(nèi)。

5）加筋土擋土墻。加筋土擋土墻是指通過將拉筋加入土體內(nèi)的方式，借助于土體與拉筋間的摩擦作用，以提高土體性能，改善土體變形條件，從而穩(wěn)定土體，確保擋土墻結(jié)構(gòu)作用可靠發(fā)揮。目前技術(shù)條件下，加筋土擋土墻主要由填料、填料中拉筋以及墻面板這三個(gè)部分構(gòu)成。加筋土屬于柔性結(jié)構(gòu)物，對(duì)地基基礎(chǔ)輕微變形有良好的適應(yīng)性，填土作用下所致地基變形對(duì)此類擋土墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響相對(duì)較小，因此結(jié)構(gòu)整體具有良好的抗震特點(diǎn)。除此以外，加筋土擋土墻在實(shí)際應(yīng)用中還具有占地面積小，造價(jià)低廉以及造型美觀等諸多優(yōu)勢(shì)，對(duì)于地形平坦且寬敞的填方區(qū)域有非常良好的適用性。

3、水工擋土墻地基處理

擋土墻基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)擋土墻所處工程位置的地勘資料，充分分析地基土的組成，并根據(jù)土層物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算擋土墻穩(wěn)定，若地基土承載力或擋土墻抗滑穩(wěn)定不滿足要求，應(yīng)進(jìn)行地基處理，常用的地基處理方式有換填土和樁基。

換填土處理方法常用于河道水流速度較慢且結(jié)構(gòu)較小的水工擋土墻型式，該方法是在擋土墻底部挖除原有物理力學(xué)參數(shù)較差的土層，如淤泥土、浜填土之類，換成土質(zhì)較好的土體或包含加強(qiáng)土體的碎石間隔土及高壓旋噴樁等，換填土厚度一般為1.0m以上。換填土處理方法還可以用于地下管線較多或鄰近建筑的工程區(qū)，此類地區(qū)約束條件較多，在地基承載力或擋土墻抗滑穩(wěn)定不滿足要求且無法實(shí)施樁基的情況下，換填土方法較為實(shí)用。

樁基處理可用于絕大部分擋土墻，且對(duì)于擋土墻結(jié)構(gòu)型式不限制，尤其是軟土地區(qū)，應(yīng)用范圍較廣，該方法是擋土墻底板澆筑前在擋土墻底板下預(yù)先打入樁基，在進(jìn)行底板與墻身的澆筑。樁基可分為預(yù)制方樁或板樁、鉆孔灌注樁、PHC管樁和鋼板樁等，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體的地基土條件和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)確定采用樁基型式。

4、水工擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例

上海市西部地區(qū)流域泄洪通道防洪堤防達(dá)標(biāo)工程（金山區(qū)白牛塘）項(xiàng)目位于上海市金山區(qū)，按照50年一遇設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)，工程為Ⅱ等工程，主要水工建筑物級(jí)別為2級(jí)，河道護(hù)岸為懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)。懸臂式擋土墻高度為3.8m，墻頂寬度為0.4m，墻底寬度為3.0m，背坡傾斜度為1：0。該擋土墻坐落于③1層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土上，回填土為一般粘土，地基土容重為18.0kN/m3，墻后填土內(nèi)摩擦角為30.0°，墻底摩擦系數(shù)取0.3。擋土墻墻身結(jié)構(gòu)如下圖（見圖2）所示。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性驗(yàn)算計(jì)算工況及水位組合如下表（見表1）所示。

經(jīng)計(jì)算，本工程中懸臂式水工擋土墻穩(wěn)定性如下表（見表2）所示。結(jié)合表2可見：本堤防工程選用懸臂式水工擋土墻結(jié)構(gòu)可滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

由上表可知：擋土墻抗滑穩(wěn)定不滿足要求，需進(jìn)行地基處理。考慮擋墻結(jié)構(gòu)較大且高度較高且工程為Ⅱ等工程，建筑物級(jí)別為2級(jí)，工程選用樁基基礎(chǔ)，采用300×300×9000mm鋼筋砼方樁，前排樁樁間距1m，后排樁樁間距1.5m，前后排樁排距2.3m，并采用“m”法計(jì)算樁基承載力，結(jié)果顯示：樁基水平位移、豎向位移及樁基軸力最大出現(xiàn)在施工期，分別為7.6mm和4.3mm和136kN，規(guī)范允許的位移值為10mm，同時(shí)單樁豎向承載力為151kN，因此，計(jì)算值滿足規(guī)范位移要求及樁基豎向承載力的要求。

5、結(jié)束語(yǔ)

近年來，隨著水利水電工程建設(shè)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，包括水電站、碼頭、引水樞紐以及水庫(kù)樞紐等各種渠系建筑物中對(duì)水工擋土墻的應(yīng)用也日益廣泛。本文在系統(tǒng)分析水工擋土墻構(gòu)造特點(diǎn)與基本要求的基礎(chǔ)之上，從重力式擋土墻、半重力式擋土墻、衡重式擋土墻、懸臂式擋土墻以及加筋土擋土墻這幾個(gè)方面入手，對(duì)水工擋土墻常見的幾種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了分析，最后結(jié)合某堤防工程實(shí)例，就河道兩側(cè)懸臂式水工擋土墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，望能夠引起業(yè)內(nèi)人士的共同關(guān)注與重視。

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