基于土壓力系數計算的水閘加筋擋墻的穩定性分析

馬 猛

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

0 前 言

水閘在工程設計時需要對加筋擋墻的穩定性進行分析。常用的方法主要采用物理模型試驗以及原位觀測試驗進行分析，從而水閘加筋擋墻的穩定性分析[1]。早期對于水閘加筋擋墻穩定性分析由于缺少定量分析方法，大都采用原位觀測試驗進行分析[2-6]，這種方式適合于小型閘壩的工程建設,而對于大中型閘壩建設由于試驗成本較大，適用性不高。后期在國內一些大中型閘壩工程建設中，通過設計區域水流、土質分析，采用土壓力系數進行閘壩穩定性的分析[7-15]，但該方法對于水閘加筋擋墻穩定性的研究還較少，眾所周知，加筋擋墻是保持大中型閘壩穩定的關鍵所在，因此亟需對其加筋擋墻的穩定性進行分析，從而保障閘壩工程的權。為此文章結合土壓力系數，以某中型閘壩為工程實例，對其加筋擋墻的穩定性進行分析，從而為其他大中型閘壩工程加筋擋墻的穩定設計方案提供重要參考價值。

1 土壓力系數計算原理

土壓力系數主要分析閘壩加筋擋墻受孔隙水的影響程度，計算公式為：

(1)

式中：Ka為土壓力系數計算值；θ和φ分別為為加筋擋墻水平方向以及內摩擦角，°。當加筋擋墻縱向深度<6m，其土壓力系數計算公式為：

(2)

式中：Ki為不同深度下的土壓力系數計算值；Kj’為在靜水壓力作用下的土壓力系數；Zi為不同加筋之間的水平距離，m，當加筋擋墻縱向深度>6m，其土壓力系數計算公式為：

(3)

加筋擋墻在縱向和橫向深度的壓力計算公式分別為：

σzi=KiγZi

(4)

(5)

式中：q為靜載壓力負荷，kPa；Lc為擋墻靜載受力面壓力負荷寬度，m；Lci為縱向深度下的荷載擴散壓力，kPa。在縱向和橫向壓力負荷計算的基礎上，對其壓力總負荷進行計算：

∑σEi=σzi+σai

(6)

式中：σEi為擋墻總負荷，kPa。在縱向距離不同方向下的拉力計算公式為：

Ti=∑σEi·Sy

(7)

式中：Ti為水平總的壓力負荷，kPa。則其縱向深度的抗拔壓力的計算公式為：

(8)

式中：Tpi為縱向抗拔壓力荷載，kPa；f’為摩擦系數；bi為加筋擋墻計算單元寬度，m；Lai為加固深度，m。對加筋擋墻穩定性進行孔隙水下抗壓強度的驗證：

Tpi>γ0γR1γQ1Ti

(9)

式中：γ0為壓力系數；γR1為調節系數；γQ1為強度折減系數。

2 實例應用

結合遼寧地區某中型閘壩建設為具有工程實例，分別采用充水試驗方式對其穩定性系數進行分析和計算，孔隙水井水強度試驗主要通過充水破壞試驗進行分析和測定，透水度主要通過透水試驗方式進行分析。

2.1 不同縱向深度下的穩定系數計算結果

對水閘加筋擋墻不同錨固深度下的穩定性系數進行計算，閘壩加筋擋墻不同錨固深度下的穩定系數計算值，見表1。

表1 閘壩加筋擋墻不同錨固深度下的穩定系數計算值

從水閘加筋擋墻不同錨固深度下的穩定系數計算結果可看出，其穩定系數隨著錨固深度的增加而總體在0.369-0.531之間變化，變化總體穩定性較高。當錨固深度<1.4m后，其加筋擋墻穩定系數受靜水壓力影響有所增加。靜水壓力對加筋擋墻的影響也逐步降低，從而水閘穩定性得到一定程度的提升。當錨固深度>1.4m后，穩定系數達到最高值。

2.2 加筋擋墻穩定性破壞試驗

為分析靜水壓力對加筋擋墻穩定性的破壞程度，采用放水試驗進行穩定性的破壞試驗，不同放水方式下的加筋擋墻穩定性破壞試驗結果，見表2。

表2 不同放水方式下的加筋擋墻穩定性破壞試驗結果

從不同放水方式下的加筋擋墻穩定性破壞試驗結果可看出，在相同條件下下不同靜水壓力方式對水閘加筋擋墻的穩定性影響程度不同，全靜水壓力方式下加筋擋墻兩個方向壓力峰值變化較大，在半靜水方式下的壓力峰值變化幅度有所降低，而在無靜水方式下的壓力峰值影響程度達到最低。

2.3 加筋擋墻不同壓力水頭下的透水度分析

對水閘加筋擋墻不同靜水壓力水頭下的透水度進行分析，不同壓力水頭下的加筋擋墻透水度試驗結果，見表3。

表3 不同壓力水頭下的加筋擋墻透水度試驗結果

從不同壓力水頭下的加筋擋墻透水度試驗結果可看出，各水頭下水閘加筋擋墻的透水度變化較為明顯，隨著壓力水頭的增加其透水度遞增，且縱向和橫向兩個方向的井水壓力呈現顯著遞增變化，這主要是因為不同壓力水頭下加筋擋墻的透水度有所增加，使得在相同壓力水頭下隨著鋼筋直徑的增加透水度增加。

2.4 不同靜水壓力方式下加筋擋墻壓力峰值變化

在兩種靜水壓力方式下的加筋擋墻的壓力峰值進行分析，非靜水壓力下加筋擋墻的壓力峰值分析，見表4；靜水壓力下加筋擋墻的壓力峰值分析，見表5。

表4 非靜水壓力下加筋擋墻的壓力峰值分析

表5 靜水壓力下加筋擋墻的壓力峰值分析

從不同靜水壓力方式下的水閘加筋擋墻的壓力峰值分析結果可看出，隨著靜水壓力的變化，水閘加筋擋墻的壓力峰值變化總體呈現先遞增后趨于穩定變化，靜水壓力相比于非靜水壓力其壓力峰值變化度更高。

3 結 論

1)當水閘加筋擋墻錨固深度<1.4m后，其加筋擋墻穩定系數受靜水壓力影響有所增加。靜水壓力對加筋擋墻的影響也逐步降低，從而水閘穩定性得到一定程度的提升。當錨固深度>1.4m后，穩定系數達到最高值。

2)在相同條件下下不同靜水壓力方式對水閘加筋擋墻的穩定性影響程度不同，全靜水壓力方式下加筋擋墻兩個方向壓力峰值變化較大，在半靜水方式下的壓力峰值變化幅度有所降低。

3)各水頭下水閘加筋擋墻的透水度變化較為明顯，隨著壓力水頭的增加其透水度遞增，且縱向和橫向兩個方向的井水壓力呈現顯著遞增變化。