水工建筑物擋土墻選型研究

于軍濤

（開封市汴龍勘察設計中心）

1 工程概況

河南省三義寨引黃灌區位于河南省東部黃淮平原，在東經114°10′49″～116°7′46″，北緯34°3′36″～34°58′17″之間，地域涉及蘭考縣、開封市的開封縣、杞縣以及商丘市的民權縣、寧陵縣、睢縣、虞城縣、梁園區、睢陽區等十縣兩區。目前，總土地面積4 344.20 km2，其中耕地面積27 萬hm2，設計灌溉面積為21.73 萬hm2。崔林河整修19.34 km，蘭開分干渠4條支渠渠道全斷面襯砌9.69 km，蘭杞干渠混凝土護坡4.88 km，蘭杞干渠與王和砦支渠管理道路混凝土硬化共5.61 km，重（新）建各類建筑物134座，其中，水閘13座，斗門69座，生產橋52 座。根據實際渠道形態，安排本次渠道混凝土護坡工程為王和砦支渠和小丁寨支渠，渠道全斷面襯砌工程為大丁寨支渠和應城府支渠。設計采用現澆C20混凝土，襯砌高度為設計水深加0.30 m超高，襯砌厚度為8 cm，坡頂、坡底均設齒墻，沿水流方向每5 m設一道橫向伸縮縫，伸縮縫縫寬2 cm，填縫材料為PE閉孔泡沫塑料板。

2 水工建筑物擋土墻型式

根據工程區實際情況，可以選擇重力式擋墻、懸臂式擋墻等形式，按照所使用材料的不同又可以分為毛石、磚砌、（鋼筋）混凝土等，具體形式應根據工程實際、地質條件、材料供應、施工技術、造價等選擇。

2.1 方案一：重力式擋墻

重力式擋土墻是以毛石、塊石為砌筑材料，整體澆筑或預制混凝土砌筑而成的梯形擋墻結構，借助自身重力抵擋土壓力，結構型式簡單、施工便捷、取材方便，應用廣泛。重力式擋墻尺寸并不固定，其墻面胸坡坡度和背坡坡度比為1∶0.20～1∶0.30，依據墻背傾角可進一步分為豎直、仰斜及俯斜等型式，考慮到土壓力隨擋墻墻背坡度的減緩而減小，應優先選用仰斜重力擋土墻，少用俯斜重力擋墻。考慮到重力式擋墻墻體穩定和施工的便捷性，應盡量保持墻面與墻背的平行，墻背背坡坡度至少為1∶0.25。隨著墻身高度的增加，基底壓應力逐漸成為控制截面尺寸的關鍵因素，為了將地基壓應力控制在承載力范圍，必須在墻底加設抗傾覆穩定性能良好的墻趾臺階，以砌體剛性角為依據確定墻趾高寬度比，石砌圬工不超過35°，混凝土不超過45°。為抵擋墻后土壓力，重力式擋墻必須結構穩定且強度達設計要求，保證擋墻沿基底滑動，在設計時必須進行地基繞墻趾轉動及承載力傾覆穩定驗算。重力式擋墻墻底埋深應至少為5 m，基底按反坡設計，以增強墻底抗滑能力，當重力式擋墻墻高超過5 m時，為保證擋墻穩定，必須增加材料用量、增大墻體重量，不經濟。

2.2 方案二：錨定式擋墻

錨桿擋墻由預制鋼筋混凝土墻板、錨桿、立柱及擋板等構成，通過鉆孔灌漿、預埋及擰入等方式設置錨桿，并由錨桿發揮將墻體所承受土壓力傳遞至土體內部的作用，以維持擋墻結構的穩定。在主動狀態滑動面之外的錨固段長3～7 m，并以錨桿擋墻作為邊坡及深基坑坑壁支護。

2.3 方案三：薄壁式擋墻

薄壁式擋墻屬于輕型擋墻型式，包括懸臂式和扶壁式兩種。擋墻墻高超過5 m 后其穩定性的維持主要依靠墻踵懸臂及以上土體重量，并在墻體內設置承壓鋼筋，采用鋼筋混凝土懸臂式擋墻結構。擋墻墻高超過10 m 后，墻壁承受彎矩及所產生的撓度增大，考慮到經濟合理性應選擇扶壁式擋墻結構。為提升擋墻抗傾覆能力和抗滑移效果，伸入墻內的底板寬度應為墻外預留寬度的1.50～2.00 倍，按照混凝土結構原理進行墻壁底板受力計算。薄壁式擋墻墻高超過10 m 后為控制造價，應沿墻身縱向按墻高0.30～0.60 倍的間隔設置扶壁，扶壁底部伸入土體的寬度為墻高的1/3，并將墻身和墻踵作為三邊固定板進行扶壁式擋墻設計。薄壁式擋墻與重力式擋墻都是依靠自身重力實現墻體的穩定，踵板上的填土重力進一步增強了墻體的穩定。薄壁式擋墻結構型式簡單、墻身小、強度性能優越。

2.4 方案四：加筋土擋墻

土體側壓力分布于加筋土擋墻墻背填土，土與拉筋之間存在摩擦，為控制土體變形及改善工程性能，在擋墻內加入拉筋，通常應用于平坦寬闊的填方路段，不適用于地形陡峭的山坡及挖填方路段。加筋土擋墻具有較好的抵抗地震性能，墻體輕型小巧，美觀，造價低，經濟效益顯著。

3 擋土墻型式比選

以上四種擋土墻結構型式在三義寨引黃灌區渠道工程中都較為適用，擋墻填筑砌筑材料可在工程區沿線河床就近采集獲取，填筑砂礫石料各項指標及儲量均符合工程設計質量指標。

從技術角度比較，重力式擋墻結構簡單，抗泥石流沖擊性能好，但墻身斷面大，圬工量較大、對基礎條件要求高。錨定式擋墻較重力式擋墻墻身斷面小，具有一定抗凍脹、抗滲能力，結構輕巧，圬工量小、施工更簡單，工期更短等技術優勢，但由于錨桿墻面板較薄，相對抗沖擊、抗凍脹性能稍差。薄壁式擋土墻整體性、抗沖擊、抗凍脹較重力擋土墻、錨桿擋土墻性能好，但其為透水襯砌，適用于河道縱坡緩、流速小、防滲要求不嚴格、地下水位埋深較淺、不便于展開襯砌施工、要求河道內的水能滲到河道外，同時河道外的水也能滲流到河道內的河段。

從經濟角度比較，三義寨引黃灌區渠道重力式擋墻工程單位投資1 787.50元/延米，錨桿式擋墻單位投資為2 468.50元/延米，薄壁式工程單位投資為1 844.10 元/延米，加筋土擋墻單位投資為2 069.30元/延米，因此，從經濟角度，重力式擋墻造價最低。水工建筑物擋墻結構型式方案比選詳見表1。

表1 水工建筑物擋墻結構型式方案比選表

綜合比較后推薦重力式擋土墻方案，為防止因地基不均勻沉降而導致擋墻墻身出現裂縫，在結構設計階段，必須根據工程地質條件及擋墻斷面型式設置沉陷縫，為防止砌體收縮變硬及溫度變化引發裂縫的產生，還應設置伸縮縫，本工程擋墻結構設計中將伸縮縫和沉陷縫合并設置，沿擋墻軸線方向間隔15～20 m 設置。灌區渠道重力式擋墻受地基所承受承載力的限制，出于結構穩定性、經濟性等方面的考慮，應將擋墻高度控制在6 m以內。

4 結論

水工建筑物擋土墻具有防止邊坡填土和土體失穩、穩固坡體等作用，水利工程擋土墻結構設計較為簡單，對于大型水利工程其設計優化常常被忽略，但是設計出既符合工程實際又具有經濟合理性的水工擋墻卻存在一定難度。在水利工程實際應用中，水工建筑物擋土墻應力分析與一般擋土墻不同，水工建筑物擋土墻斷面布置必須充分考慮實際工況、實際土壓力及浸水對擋墻土壓力的影響。三義寨引黃灌區渠道工程運行以來，擋土墻水工建筑物在灌區水利工程順利運行方面發揮著十分重要的作用。