降雨工況下水工擋土墻穩定分析

周 健，侯 麗，張 峰

(1.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.河海大學力學與材料學院，江蘇 南京 210098)

水工擋土墻在泵站、水閘、船閘及溢洪道等水工建筑物中有著非常廣泛的應用，基本所有水工建筑物設計中都會有擋土墻的設計內容，擋土墻作為水工建筑物中擋土或擋水的結構，其穩定性直接影響工程的安全。

水工擋土墻多在有水條件下運行，擋土的同時也擔負著擋水的功能，這就造成了水工擋土墻復雜的運用條件[1-4]，因而，水工擋土墻對水位的變化更加敏感，降雨是水工擋土墻失事的一個重要因素。SL 379—2007《水工擋土墻設計規范》雖已明確了擋土墻穩定性計算方法，但對降雨情況下，尤其是暴雨工況下水工擋土墻的穩定分析并無明確規定。

目前降雨對邊坡穩定性的影響理論基本成熟，研究表明降雨在邊坡表層形成暫態飽和區是影響邊坡失穩的重要因素[5-10]，但缺乏降雨工況下水工擋土墻的穩定分析。本文針對降雨工況下水工擋土墻穩定性問題，基于降雨邊坡暫態飽和區的概念，分析了降雨對擋土墻穩定影響的機理，推導了降雨工況下墻后暫態水壓力、土壓力及擋土墻抗滑抗傾計算公式，選取安徽某泵站前池兩側擋土墻為研究對象，探討了降雨工況下水工擋土墻的穩定變化規律，對評價降雨工況下水工擋土墻穩定提供依據。

1 降雨對擋土墻穩定影響機理分析

降雨入滲是一個非常復雜的過程[10-17]，包括坡頂入滲、坡面入滲、順裂隙入滲等多種形態，圖1為邊坡降雨入滲示意圖，圖2為擋土墻墻后降雨入滲示意圖，當降雨強度大于土的入滲能力，一部分降雨形成地表徑流，另外一部分形成地下徑流，即降雨入滲部分。

圖1 邊坡降雨入滲示意圖

圖2 墻后降雨入滲示意圖

當墻后回填土為砂性土，由于砂性土滲透系數較大，降雨可迅速通過土體間隙滲入到地下水位面，直接補給地下水，使地下水位上升，如圖3所示；當墻后回填土為黏性土，由于黏性土滲透系數較小，降雨很難入滲到地下水位面，降雨不能直接補給地下水，穩定地下水位上升有限，而填土面淺層很容易達到飽和狀態，形成暫態飽和區[9]，如圖4所示。

圖3 墻后回填砂性土降雨入滲示意圖

圖4 墻后回填黏性土降雨入滲示意圖

根據上述墻后降雨入滲模式，對于墻后回填砂性土，降雨對擋土墻穩定影響主要體現在墻后地下水位上升，導致墻后水壓力增大，土的有效重度減小，引起擋土墻滑移或傾覆，這點與降雨對砂性土邊坡影響基本類似[8]；對于墻后回填黏性土，降雨對擋土墻穩定影響主要體現在墻后暫態飽和區形成暫態水壓力，增加了滑動力或滑動力矩，引起擋土墻滑移或傾覆，這點與降雨對黏性土邊坡影響存在不同，降雨對黏性土邊坡穩定的影響大多發生在邊坡淺部，引起邊坡淺層滑動[8]，而對于擋土墻來說，雖然暫態飽和區也在填土淺層，但由于擋土墻本身可視為剛體，暫態飽和區形成的暫態水壓力的影響也體現在擋土墻的整體穩定上。

2 降雨工況下擋土墻穩定性分析

2.1 暫態水壓力及相關荷載計算

對墻后回填砂性土，墻后水壓力可直接按降雨之后形成的暫態水位線計算，但考慮到砂性土滲透系數較大，入滲部分也更容易從擋土墻排水管排出，故這里假定墻后暫態水位線不超過墻前水位以上的第一根排水管，如圖5所示。下面重點討論墻后回填黏性土擋土墻穩定性分析。

圖5 考慮排水孔暫態飽和區示意圖

關于邊坡降雨形成的暫態水壓力計算在SL 386—2007《水利水電工程邊坡設計規范》和相關文獻中[9]已作出說明，SL 386—2007中D.2.9條規定，對降雨和泄水雨霧造成邊坡坡體表層一定深度形成暫態飽和的情況，在計算孔隙壓力時，宜進行折減；文獻[9]認為鉛直剖面上懸掛暫態飽和區內的暫態水壓力則從上至下呈現上下小、中間大的非線性分布特點，通過假定系數(λ)來確定暫態水壓力的最大值位置。圖6表示不同方法采用的邊坡暫態孔壓分布。

圖6 不同方法采用的邊坡暫態孔壓分布圖

相對于邊坡降雨形成的暫態飽和區[9，13]，墻后降雨形成的暫態飽和區歷時更長，這主要是因為墻后排水路徑單一，僅能通過排水管排出，同時黏性土滲透系數較小，在降雨期間下滲水更不易排出，因此暫態水壓力可以采用靜水壓力分布，這與SL 386—2007中所述美國一些工程的假定是一致的[20]，此外對于暫態飽和區與飽和區之間的非飽和區可視作相對隔水層，該隔水層主要起到阻斷其與下部穩定地下水的水力聯系，由此可以得出擋土墻墻后暫態水壓力具有以下特性或作出以下假設：暫態飽和區形成的暫態水壓力與下部穩定地下水位形成的靜水壓力互相獨立，不考慮二者的水力聯系，但當暫態飽和區厚度增加至與下部飽和區相連時，應考慮二者的水力聯系。

鑒于目前懸臂式(扶壁式)擋土墻在水利工程中使用廣泛，本次以懸臂式擋土墻為例說明降雨工況下擋土墻暫態水壓力及相關荷載計算。圖7顯示了水工擋土墻在降雨工況下作用在擋土墻上的荷載，主要包括墻體自重、墻后填土重量、水重、水壓力、土壓力、揚壓力等。

圖7 擋土墻荷載計算示意圖

暫態水壓力按靜水壓力分布，最大暫態水壓力為：

uz=γwhz

(1)

式中，hz—降雨入滲深度。

暫態水壓力合力為：

(2)

對于懸臂式擋土墻，土壓力按第二破裂面法進行計算[21]，采用水土分算，在計算非飽和區及飽和區時應考慮上部暫態水壓力的作用，各分層處土壓力強度分別為：

(3)

e1下=γsath1Ka

(4)

e2=(γsath1+γh2)Ka

(5)

(6)

式中，e1上、e1下、e2、e3—暫態飽和區與非飽和區分界面上下、非飽和區與飽和區分界面和底部主動土壓力標準值；h1、h2、h3—暫態飽和區、非飽和區和飽和區土層厚度。

2.2 穩定計算

2.2.1抗滑計算

擋土墻沿基底的抗滑穩定安全系數計算式為：

(7)

式中，f—基底摩擦系數；∑G—作用在擋土墻的豎向荷載；∑H—作用在擋土墻的水平荷載，由圖7可知，∑G=Gs+Gq+Gt-U；∑H=Ea+V2+V3-V1。

2.2.2抗傾計算

擋土墻的抗傾覆穩定安全系數計算式為：

(8)

式中，∑MV—對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩；∑MH—對擋土墻基底前趾的傾覆力矩。

3 實例研究

3.1 工程概況

某排澇站，位于安徽省馬鞍山市，設計流量30m3/s，設計水位5.5m，總功率2130kW，泵站前池兩側采用鋼筋砼懸臂式擋土墻，最大墻高5.7m，開挖坡比1∶2，基底坐落于淤泥質粉質黏土，承載力特征值70kPa，地基處理采用D600水泥土攪拌樁，樁間距1.0m，處理后地基承載力特征值118kPa，根據類似工程經驗，取基底摩擦系數f=0.30，墻后回填土綜合內摩擦角取35°。擋土墻采用排水，縱向間距2m，擋土墻計算簡圖如圖8所示。

圖8 泵站前池兩側擋土墻計算簡圖(單位:mm)

3.2 擋土墻穩定分析

墻后降雨因下部土層性質不同對擋土墻穩定影響的機理存在著區別，因此，分別對墻后回填砂性土和黏性土在降雨工況下進行穩定分析，計算時考慮3種工況，工況1為正常運行期(降雨入滲深度視為0)；工況2為正常運行期遭遇降雨；工況3為排水體失效狀況(墻后回填砂土)。根據降雨強度的不同，降雨入滲深度為0.5～2.5m，計算間隔為0.5m。

圖9 擋土墻(砂)穩定安全系數與降雨入滲深度關系圖

圖9表示墻后回填砂性土時，擋土墻穩定安全系數與降雨入滲深度的關系。由圖9可看出，降雨入滲深度對擋土墻抗滑和抗傾穩定安全系數的影響基本一致，相對于擋土墻抗傾穩定，降雨對擋土墻抗滑穩定影響更大；在降雨形成的暫態水位低于擋土墻頂部排水孔時，擋土墻抗滑和抗傾穩定安全系數與降雨入滲深度幾乎成線性關系，抗滑穩定安全系數與抗傾穩定安全系數最大分別降低36.2%和19.8%。在降雨形成的暫態水位超過擋土墻頂部排水孔時，擋土墻抗滑穩定安全系數與抗傾穩定安全系數不變，這里主要是考慮了排水孔的排水。

圖10 擋土墻(黏)安全系數與降雨入滲深度關系圖

圖10表示墻后回填黏性土時，擋土墻穩定安全系數與降雨入滲深度的關系。由圖10可看出，降雨入滲深度對擋土墻抗滑和抗傾穩定安全系數的影響基本一致，相對于擋土墻抗傾穩定，降雨對擋土墻抗滑穩定影響更大；在降雨形成的暫態水位高于墻后穩定水位時，擋土墻抗滑和抗傾穩定安全系數與降雨入滲深度幾乎成線性關系，降雨入滲深度每增加0.5m，擋土墻抗滑和抗傾穩定安全系數分別降低0.105和0.093；在降雨形成的暫態水位低于墻后穩定水位時，擋土墻抗滑和抗傾穩定安全系數出現急劇降低，降幅分別達到41%和16.7%。

圖11 抗滑穩定安全系數與降雨入滲深度關系圖

圖11表示擋土墻抗滑穩定安全系數與降雨入滲深度的關系。由圖11可看出，墻后回填不同性質土，降雨對擋土墻穩定的影響不同，墻后回填砂土時，在降雨前期，由于砂土滲透系數大，降雨很容易入滲到墻后穩定地下水位處，對地下水進行補給，導致地下水位升高，擋土墻抗滑穩定安全系數降低較快，隨著降雨入滲的增加，位于排水管上方的雨水開始排出，擋土墻抗滑穩定安全系數趨于穩定。但是當考慮排水體失效時，由于墻后雨水不能順利排出，擋土墻抗滑穩定安全系數繼續降低，最大降幅達50.4%。墻后回填黏土時，由于黏土滲透系數小，降雨僅在填土表層形成暫態飽和區，暫態飽和區形成的暫態水壓力與墻后穩定水位形成的靜水壓力相互獨立，擋土墻抗滑穩定安全系數降低較慢，隨著降雨入滲的增加，暫態飽和區厚度也在增加，當暫態飽和區與飽和區連為一體時，擋土墻抗滑穩定安全系數急劇降低。

圖12 抗傾穩定安全系數與降雨入滲深度關系圖

圖12表示擋土墻抗傾穩定安全系數與降雨入滲深度的關系。由圖12可看出，在降雨前期，墻后回填砂土時降雨對擋土墻抗傾穩定的影響較墻后回填黏土時大，隨著降雨入滲深度增加，墻后回填砂土時降雨對擋土墻抗傾穩定的影響較墻后回填黏土時小，與降雨對擋土墻抗滑穩定影響一致。

4 結論

本文探討了降雨對擋土墻穩定影響機理分析，闡述了降雨工況下墻后暫態水壓力、土壓力及擋土墻抗滑抗傾計算。通過實例研究，得到以下結論。

(1)無論墻后回填砂土還是黏土，降雨對擋土墻抗滑穩定和抗傾穩定的影響是一致的，但在影響程度上，降雨對擋土墻抗滑穩定的影響要大于對擋土墻抗傾穩定的影響。

(2)墻后回填砂土時，降雨對擋土墻穩定的影響程度先大后小，擋土墻穩定安全系數最終趨于穩定值，抗滑穩定安全系數與抗傾穩定安全系數最大分別降低36.2%和19.8%。但是若考慮排水體失效，擋土墻抗滑穩定安全系數最大降低50.4%。

(3)墻后回填黏土時，降雨對擋土墻穩定的影響程度先小后大，當降雨入滲深度達到墻后穩定水位時，擋土墻抗滑和抗傾穩定安全系數出現急劇降低，降幅分別達到41%和16.7%。