考慮水位差的水工擋墻穩定性研究

李芙蓉，趙劉群，趙汝博

（1.中交四航局港灣工程設計院有限公司，廣東 廣州 510290；2.廣東省海岸與島礁工程技術研究中心，廣東 廣州 510006；3.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230；4.大連理工大學，海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

0 引言

在工程實踐中，擋土墻是保護路基、邊坡、海堤以及河堤的重要構筑物。因此，擋墻的穩定性對于工程構筑物的安全和擋墻自身的安全性和耐久性就顯得十分重要。在不同條件下，擋墻所受的荷載不盡相同。其中，由于海水水位的漲落，海堤護岸擋墻所受的荷載就會發生周期性變化，使得其所受的荷載和普通陸基擋墻的荷載有明顯的不同；穩定性條件也就有所差異。

為了研究臨河、臨海擋墻和堤壩的穩定性，一些學者開展了理論或試驗研究。例如，郭翔等[1]利用室內試驗、極限平衡法和有限元強度折減法對施工期海堤的抗滑穩定，以及高潮位作用下的海堤抗滑穩定性進行了研究。阮曉波等[2]和李景輝等[3]則分別采用條分法和模型試驗對擋浪墻的穩定性進行了分析，并給出了提高擋墻穩定性的建議。覃柳艷等[4]和謝千津[5]對相鄰水工擋墻的穩定性進行理論分析，獲得了保持水工擋墻穩定性的安全水位。王全前[6]利用單一安全系數法，將規范方法與常用設計軟件計算結果進行對比，研究了水位變化對臨河擋墻的抗傾覆穩定性系數的影響。

綜上所述，目前關于水工擋墻的穩定性研究主要集中于安全水位以及水位變化對擋墻抗傾覆穩定性的影響。對于水位變化條件下，擋墻的抗滑穩定性，擋墻尺寸以及其他方面的研究相對缺乏。基于此，本文在規范提供的方法的基礎上，對海側和陸側水位變化對擋墻穩定性的影響規律進行了分析；同時，也對擋墻尺寸以及土體內摩擦角對擋墻穩定性的影響規律進行了研究。以期能對類似工程的設計及施工提供參考。

1 計算方法

1.1 工程概括

本研究以防城港旅游碼頭的后方陸域護岸工程項目為背景。該工程為防城港旅游碼頭一期工程，位于防城港西側內灣西海岸，江山半島馬鞍嶺南側。

防城港潮汐屬正規全日潮，根據防城港潮位站1976—1990年實測潮位資料統計，主要特征值如下：最高高潮位5.54 m（1986年7月22日）、最低低潮位-0.29 m（1990年11月21日）、平均潮位2.27 m、最大潮差5.39 m、平均潮差2.55 m（全日分潮顯著時平均潮差3.15 m）。漲潮平均歷時約13～14 h，落潮平均歷時約8～9 h。由于漲落潮經歷時間較長，因此近似將漲潮和落潮過程假定為準靜態過程。

基于此，該工程的設計高水位為4.64 m（潮峰累積頻率10%）；設計低水位為0.30 m（潮谷累積頻率90%）；極端高水位為5.69 m（重現期為50 a一遇）；極端低水位為-0.73 m（重現期為50 a一遇）。擋墻墻體以漿砌塊石砌筑，其重度為γr=24 kN/m3，單位寬度的擋墻自重則為G=γr（a+b）h/2。陸側墻后以開山土石以及砂進行回填。擋墻的基本尺寸以及所受的荷載如圖1所示。

圖1 擋墻受力分析Fig.1 Force analysis of retaining wall

1.2 靜水壓力

1）海側靜水壓力

根據SL 379—2007《水工擋土墻設計規范》[7]和GB/T 51015—2014《海堤工程設計規范》[8]，在高水位和低水位時的靜水壓力均按照三角形分布，總的靜水壓力按式（1）計算，作用點位置（圖1）分別在壁上的hs/3處。

2）陸側靜水壓力

由于回填土被淹沒，來自陸側的作用于海堤的靜水壓力Pwl可以計算為：

1.3 基底上浮力

作用在墻的水平底部的升壓計算為：

式中：Us和Ul分別為擋墻海側和陸側的揚壓力，其中，Ul=Us+Uw，Uw為滲透壓力。

1.4 作用在擋墻上的土壓力

根據水位的變化規律，將作用在墻背上的土壓力Ps存在兩種極端情況。當海水處于低潮水位時，作用于海側的靜水壓力小于作用于陸側的靜水力，假定擋墻向海移動，從而產生主動土壓力條件（Ps=Pa）。相反，海水處于高潮水位時，海側的靜水壓力大于陸側的靜水壓力，因此假設墻壁朝回填方向移動，從而產生了被動土壓力（Ps=Pp）。

在正常情況下，墻背一定深度內的填土會被水飽和。由于土水的相互作用以及陸側水源補給，在一個海水漲落的周期內墻背填土的水位近似可視為不變。在此假設條件下，墻壁上的主動土壓力pa和被動土壓力pp可根據經典的庫侖土壓力理論來計算獲得，具體的計算方式如下：

式中：Ka和Kp分別為主動土壓力系數和被動土壓力系數；γ為回填土的重度，以17 kN/m3計。由于墻后填土為砂石，因此本文近似假設回填土的黏聚力c0=0，因此主動土壓力系數和被動土壓力系數分別為：

式中：φ為陸側填土和墻底土體的內摩擦角。

2 水工擋墻的穩定性

在主動土壓力條件下，采用極限平衡法，以抗滑移和傾覆破壞的安全系數來表示海堤的穩定性。通過考慮作用在擋墻上的所有力和相應力矩，根據《水工擋土墻設計規范》[7]和《海堤工程設計規范》[8]獲得抗滑動安全系數Ks和抗傾覆穩定性安全系數Ko。

2.1 抗滑穩定性

《水工擋土墻設計規范》[7]中擋墻的抗滑穩定性系數Ks的計算公式如下：

式中：Ks為擋土墻沿基底面的抗滑穩定安全系數；A為擋土墻基底面的面積，m2；ΣG′為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；ΣH為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載，kN；φ為擋土墻基底面與土質地基之間的摩擦角；c0為擋土墻基底面與土質地基之間的黏結力，本文取c0=0。根據《水工擋土墻設計規范》[7]和《海堤工程設計規范》[8]，擋墻的抗滑安全系數Ks的范圍為1～1.35。

2.2 抗傾覆穩定性

抗傾覆穩定安全系數的計算公式如下：

式中：Ko為擋土墻抗傾覆穩定安全系數；ΣMV為對擋土墻基底轉動點的抗傾覆力矩，kN·m；MH為對擋土墻基底轉動點的傾覆力矩，kN·m。在低水位下，傾覆轉動點為海側前趾；在高水位下，傾覆轉動點則為陸側前趾。根據《水工擋土墻設計規范》[7]和《海堤工程設計規范》[8]，擋墻的抗傾覆安全系數Ko的范圍為1.3～1.6。

3 結果與討論

本文中，擋墻墻體利用漿砌塊石砌筑，墻體后方回填開山石加砂。墻體高6.5 m，如圖1所示，海側為直面；陸側為斜面，墻頂寬度a=0.8 m；墻底寬度b分別按照5 m、6 m和7 m考慮。根據水位變化情況，海側水位變化范圍為0～6 m。由于墻后填土高6 m，陸側水位變化范圍同樣以0～6 m考慮，平均水位為4.7 m。因此，在海側水位低于4.7 m的時候，假設擋墻有向海側滑動或者傾覆的趨勢，此時墻體處于主動土壓力狀態；而當水位大于4.7 m的時候，擋墻則有向陸地運動的趨勢，此時擋墻處于被動土壓力狀態。通過以上參數以及式（1）～式（9）獲得擋墻在主動土壓力和被動土壓力下的抗滑穩定性系數和抗傾覆穩定性系數隨著水位、回填土浸沒水位以及土體內摩擦角變化的規律。

3.1 海水水位變化的影響

水位變化導致擋墻受力條件發生變化。擋墻的抗滑安全系數Ks和抗傾覆安全系數Ko隨著水位變化的規律如圖2所示。由圖2可以發現，在主動土壓力條件下，抗滑穩定性系數隨著水位的不斷上漲而逐漸增大；且增長趨勢呈先慢后快的趨勢。抗傾覆穩定性也是如此。而相反，當水位高于正常水位時，隨著水位的不斷上漲，擋墻的抗滑穩定性和抗傾覆穩定性系數反而逐漸降低。

圖2 主動土壓力條件下的穩定性系數隨海水水位變化關系Fig.2 Relationship between stability coefficient and sea water level under active earth pressure

由于在海水水位為0時，考慮被動土壓力條件，擋墻不會向陸側滑動或者傾覆，同時計算得出的抗滑安全系數和抗傾覆安全系數數值較大不便繪出，因此省略。但隨著海水水位的上漲，擋墻向陸側運動的趨勢逐漸增加，抗滑安全系數和抗傾覆安全系數也逐漸降低。

此外，由圖2可以看出，在海水水位變化和墻底寬度分別為5 m、6 m和7 m時的抗滑安全系數和抗傾覆穩定性系數均滿足規范要求。

3.2 回填土的浸沒效應

回填土被浸沒的深度對墻體穩定性影響規律如圖3和圖4所示。在主動土壓力條件下，抗滑安全系數Ks和抗傾覆安全系數Ko隨著回填土浸沒深度的增加而降低。其中，在b=7 m時，Ks從3.92降低到了1.84；而在b=5 m時，Ks從2.7降低到了1.23。整體降幅達53%，如圖3。相比之下，抗傾覆安全系數的降幅也達到了51%；呈現先慢后快的現象，如圖3所示。整體上，抗滑安全系數和抗傾覆安全系數也都滿足規范要求。

圖3 主動土壓力條件下的穩定性系數隨陸側水位變化關系Fig.3 Relationship between stability coefficient and landside water level under active earth pressure

圖4 被動土壓力條件下的穩定性系數隨陸側水位變化關系Fig.4 Relationship between stability coefficient and landside water level under passive earth pressure

由圖4可知，在被動土壓力條件下，擋墻的抗滑安全系數和抗傾覆安全系數隨著陸側水位的變化規律與主動條件下擋墻的抗滑安全系數和抗傾覆安全系數的變化規律相反。但從數值上看，被動條件下擋墻的抗滑安全系數和抗傾覆安全系數遠大于主動條件下的數值，表明擋墻向海側滑動和傾覆的趨勢更加明顯。

3.3 土體內摩擦角的影響

擋墻的抗滑安全系數和抗傾覆安全系數隨著內摩擦角的變化規律如圖5和圖6所示。整體而言，隨著內摩擦角的增大，擋墻在主動和被動條件下的抗滑安全系數和抗傾覆安全系數均隨著內摩擦角增大而增大。但在主動土壓力和被動土壓力下擋墻的抗滑和抗傾覆安全系數的變化幅度并不相同。

圖5 主動土壓力條件下的穩定性系數隨土體內摩擦角變化關系Fig.5 Relationship between stability coefficient and friction angle under active earth pressure

圖6 被動土壓力條件下的穩定性系數隨土體內摩擦角變化關系Fig.6 Relationship between stability coefficient and friction angle under passive earth pressure

如圖5，當土的內摩擦角為小于17°時，擋墻的抗滑安全系數Ks小于規范要求的安全系數；當內摩擦角大于17°時，3種尺寸的擋墻均能滿足規范的抗滑穩定性要求。另外，在φ=0時，3種尺寸下的抗滑安全系數近似相等，隨著內摩擦角的增大，3種尺寸下的抗滑安全系數之間的差別越來越大，如圖5所示。

相比之下，在被動條件下，3種尺寸下擋墻的抗滑安全系數基本相同，表明此時擋墻的尺寸對其抗滑安全系數沒有明顯的影響，見圖6。而擋墻的抗傾覆安全系數在3種不同尺寸下的數值具有明顯的差別。這表明，擋墻的抗傾覆安全系數對墻底寬度更為敏感。

4 結語

通過對不同水位條件下擋墻荷載的分析，對擋墻在不同水位、尺寸以及內摩擦角下的抗滑安全系數和抗傾覆安全系數的變化規律進行了研究，得出以下結論：

1）在主動土壓力條件下，抗滑穩定性系數和抗傾覆安全系數隨著海水水位的不斷上漲而逐漸增大。相反，在被動土壓力下，隨著海水水位的不斷上漲，擋墻的抗滑穩定性和抗傾覆穩定性系數則逐漸降低。

2）在主動土壓力條件下，擋墻的抗滑安全系數和抗傾覆安全系數隨著陸側水位的增長而降低，而在被動土壓力條件下擋墻的抗滑安全系數和抗傾覆安全系數的變化規律則呈相反趨勢。此外，被動條件下擋墻的抗滑安全系數和抗傾覆安全系數遠大于主動土壓力條件下的數值，表明擋墻向海側滑動和傾覆的趨勢更加明顯。

3）在2種土壓力條件下，擋墻的抗滑安全系數和抗傾覆安全系數均隨著內摩擦角的增加而增加。同時，3種不同尺寸下的抗滑安全系數和抗傾覆安全系數的對比表明，擋墻的抗傾覆安全系數對墻底寬度更為敏感。