新建擋土墻與其附近已有攔擋工程最小安全距離探討

劉 磊，寧勇華，王 婷

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

1 問題由來

秦嶺隧洞工程為陜西省引漢濟渭工程的組成部分，隧洞為明流洞，全長81.779 km，設計流量70 m3/s，多年平均輸水量15.05億m3。沿線共設置棄渣場10處，以接納隧洞棄渣，全部位于地形陡峻的秦嶺山區。涼水井棄渣場為其中之一，選址位于陜西省安康市寧陜縣四畝地鎮涼水井村，蒲河右岸，占地14.6 hm2，堆置方量115萬m3（壓實方），為三級臨河型棄渣場。當地早已在該處修建有漿砌石河堤，堤頂寬0.6 m，外露高度5 m。因堆渣而需要新建的擋土墻選址也位于該河堤附近，且該河堤應當地要求，不得拆除或覆蓋。其一，若新建擋土墻設計在河堤之外，則已有河堤將被堆渣完全覆蓋，成為隱蔽工程，而且將占用并縮窄蒲河河道，無法獲得當地政府及河道管理部門的同意；其二，若將新建擋土墻修筑在河堤之上，因為河堤的設計標準低于新建擋土墻設計標準，且河堤內部破損情況未知，無法進行穩定設計；其三，新建擋土墻若退后一定距離修建，則由于會減少一定的連續耕種面積而遭到當地村民的質疑。經過討論，最終決定擋土墻按照方案三執行，工程在確保擋土墻穩定的情況下，需要求出擋土墻與河堤最近距離，遵循最大限度少占用耕地的原則，以確保當地村民的利益。

2 安全距離確定的思路

已有攔擋工程（即河堤）根據現狀只能獲得其墻頂寬和外露部分墻高，實際修筑的斷面形式和內部破損情況未知，在計算分析中將其視為“保護對象”，即除去河堤在設計時已經考慮的荷載（如墻后填土體產生的土壓力，墻外水流作用力，墻頂荷載等）之外，盡量不使其受到新建擋土墻修建后產生的新荷載，即維持老河堤受力狀態基本不變，來求得新建擋土墻與老河堤的最短距離。

新建擋土墻的地基土體假設為連續介質，無黏性，半無限空間彈性體，各向同性，用一般土力學方法來定義土中的應力。

新建擋土墻設計為土工格柵擋墻，由面墻、格柵和填料組成，與墻后棄渣容重基本相當，本文在研究安全距離時，格柵擋墻荷載以豎直向的均布荷載P代替，其寬度為B。由于擋墻修建長度L遠大于寬度B，因此將擋墻基底視為條形基底[1]。

在以上假設條件下，按照土力學方法，求出均布荷載P的作用下（即格柵擋墻修建后），地基土體中的附加應力分布情況，使已有河堤盡量分布在附加應力影響范圍之外,求出此時的安全距離值S即可。

3 附加應力分析

根據以上思路，建立坐標軸，求出基底中任意一單元點的附加應力，計算圖見圖1。

圖1 基底單元點附加應力計算圖

條形基底受均布荷載作用，利用附加應力計算式求解附加應力分布，計算式如下[2]：

式中：σz為應力計算點處的豎向附加應力值；P為均布荷載值，本例中 P=160 kN/m2；m 為系數，m=x/B；n 為系數，n=z/B。

令：

式中：Kz為無因次量。

根據涼水井棄渣場的實際，B=8 m，由此Kz僅為x和z的函數，將Kz的計算結果按x值和z值列表見表1。

表1 Kz隨x、z變化取值表

根據表1，繪制Kz值等值線分布圖，見圖2。

圖2 Kz值等值線分布圖

由上圖可以得出Kz值的幾種變化規律：

規律一：在同一深度z范圍內（即同一水平線上），Kz在x為4時取最大值，兩邊對稱遞減，逐漸趨近于0，這表明距離新建擋土墻的中心越遠，基底受到的附加應力越小。

規律二：在x在0～8 m的范圍內（即新建擋土墻占地范圍內），Kz從1開始隨z值的增加而減少，逐漸趨近于0，這表明在新建擋土墻占地范圍內，深度越大，附加應力影響越小。

規律三：在x＞8 m時（即新建擋土墻占地范圍之外），Kz先是從0開始隨著z值的增加而增加，到某一深度后，又隨著z值的增加而減少，逐漸趨近于0，這表明在新建擋土墻占地范圍外的某一距離處，均存在著一個最大應力，并且不同距離處，最大應力及其存在的深度均不相同。

規律四：沒有Kz嚴格取到0的點位，只是在x或z趨向于無窮大時，Kz趨近于0。

新建擋渣墻對于土中引起的水平向附加應力值σ1應為豎向附加應力值σz乘以土的側壓力系數K0（K0采用經驗公式K0=1-sinφ′確定[1]，φ′為土的有效內摩擦角，根據涼水井棄渣場的實際情況，可取K0=0.4）。

4 安全距離的最終確定

由于新建擋墻必然對已有河堤產生附加應力影響，在此情況下，先分析已有河堤墻背所受到的現狀主動土壓力σ0，然后疊加σ1，求出擋渣墻修建后已有河堤墻背受到的應力（σ0+σ1），比較兩者大小，盡量保證已有河堤的受力狀態基本不變。

已有河堤其任意深度下受到的土壓力值σ0可采用主動土壓力公式計算（設已有河堤后為無黏性土）[1]：

式中：σ0為作用于某深度處的墻后水平向填土應力值；γ為填土容重，取20 kN/m3；z為計算深度，z取0～6之間的值（河堤最大高度6 m）；φ為填土內摩擦角，取30°。

對于深度為z處的河堤墻背進行應力計算，有：

考察已有河堤受力狀態的改變程度，可引入受力改變幅度系數 α，令 α=（σ0+σ1）/σ0，則：

由于Kz是x和z的函數，故α也是x和z的函數，可仿照“Kz隨 x、z變化取值表”制成“α 隨 x、z變化取值表”，見表 2、（只分析x＞8時的情況）。

表2 α隨x、z變化取值表

同理，可根據表2，繪制α值等值線分布圖，見圖3。

圖3 α值等值線分布圖

根據α的定義，它代表了擋渣墻修建之后與之前，x、z處河堤所受到的水平向應力之比，該值越接近1，越能說明相應位置處擋渣墻的修建對河堤的受力改變幅度小，但根據前文的理論分析，不存在嚴格的α=1的點位，故實際中，只能估計現狀河堤的內部受損情況和折舊情況，先提出一個能夠接受的α值，然后在表3和表4中找到相應的點位，從而進一步確定安全距離S，例如：

選定α不能超過1.4，那么在整個河堤高度范圍內（z=1 m～6 m），x的最小值只能取13 m，此時S=x-B=13-8=5 m；

選定α不能超過1.2，那么在整個河堤高度范圍內（z=1 m～6 m），x的最小值只能取16 m，此時S=x-B=16-8=8 m；

選定α不能超過1.1，那么在整個河堤高度范圍內（z=1 m～6 m），x的最小值只能取21 m，此時S=x-B=21-8=13 m。

根據涼水井棄渣場的工程實際，經過幾番現場查勘，對已損毀的河堤斷面進行詳細檢查，并由這些斷面推測整條河堤的受損毀程度，在盡量擴大可復耕面積和盡量維護擋墻工程安全性之間選取平衡點，設計中最終采用α=1.2的設定，得出安全距離S=8 m，即新建的格柵式擋渣墻在距離已有河堤8 m遠處放線施工。

5 從壓力擴散角度驗證安全距離

根據《建筑地基處理技術規范》，從應力擴散角度考慮，本工程格柵式擋渣墻下墊面組成大部分為卵石、碎石及石渣，且z/B=6/8=0.75＞0.5，擴散角θ可取為30°[3]，由此估計應力擴散邊緣距離新修格柵式擋渣墻約為3.46 m，其值小于本文設計采用值8 m，表明S=8 m屬于偏安全的范圍。土工合成材料加筋墊層其壓力擴散角宜由現場凈荷載試驗確定[3]，而現場缺少基礎持力層內摩擦角、壓縮模量等試驗數據支撐，擋渣墻下墊面也無換填處理措施；另外，考慮到已有河堤外側為蒲河，存在舊河堤基礎將來受沖刷失穩的可能，應該在3.46 m之外再預留安全富余距離，本文選取S=8 m為合適取值。涼水井棄渣場實施情況見圖4。

圖4 涼水井棄渣場實施照片

6 結論

引漢濟渭涼水井棄渣場于2018年完成施工，本文在分析新建擋土墻對已有河堤的荷載影響時，從應力分析角度出發，分別分析了新建擋土墻在修建前后對已有河堤受力的不同，重點分析了條形基底受均布荷載時的附加應力分布，并提出受力改變幅度系數α來反映不同的可接受風險程度，以此來確定不同的安全距離S，可以根據工程的不同實際情況，取不同的安全距離S值，為其他在新建擋土墻附近存在必須要保護而又缺乏資料的已有河堤時，如何確定安全距離的最小值，具有參考價值。