浸水條件下重力式混凝土擋墻設計論文
摘 要：擋土墻構造簡單，但要設計出合理經濟的斷面需選擇合適的工況、幾何物理學參數，計算出較切合實際的土壓力。在浸水條件下，要確定特征水位、考慮浸水對墻后土壓力的影響。結合具體工程實例，對與浸水擋土墻設計有關的主要問題進行了分析和討論。計算分析表明，浸水條件下擋墻設計必須同時重視墻身構造和墻后排水設計，以達到安全經濟的效果。分析還表明，擋土墻驗算可以不進行剪應力驗算，對浸水條件下擋墻，應進行抗傾覆穩定和截面法向應力驗算。
關鍵詞：擋土墻設計 浸水 土壓力 驗算 排水
一、浸水擋土墻計算
1．浸水條件下荷載及其組合
作用在邊墻上的荷載可分為基本荷載和特殊荷載，基本組合由基本荷載組成，特殊組合由基本荷載和一種或幾種特殊荷載組成。對浸水擋土墻而言，基本荷載主要包括墻身自重、填土自重、土壓力、墻頂上的有效荷載、正常蓄水或設計洪水位時靜水壓力及揚壓力、設計洪水位情況下泄流時動水壓力；特殊荷載主要包括校核洪水位時的靜水壓力及揚壓力、相應于校核洪水時的動水壓力，對地震區域，還包括地震荷載。每一種荷載組合對應一種計算工況，對溢洪道邊墻而言，控制段上下游部位的邊墻計算工況不完全相同，需具體分析。
2．浸水條件下計算工況
對進水渠和控制段的邊墻，計算工況主要有：完建情況、正常蓄水位情況、設計洪水位情況、施工情況、檢修情況、校核洪水情況、地震情況。前3種工況相應的荷載為基本荷載組合，后4種工況相應的荷載為特殊荷載組合。對正常蓄水位情況，若考慮排水失效，也按特殊組合計算。對控制段以下邊墻，計算工況主要有：完建情況、泄設計洪水、不泄洪（正常蓄水位）、泄校核洪水、檢修情況、排水失效、地震情況，前3種工況相應荷載為基本荷載組合，后4種工況相應的荷載為特殊荷載組合。另外，當庫水位或下游水位驟降時，可根據具體情況考慮是否需要核算進水渠導墻或消力邊墻的穩定。
3．浸水條件下荷載計算
對自重荷載、水壓力荷載，按常規方法即可確定；對重力式擋墻，除凸形折線和衡重式情況外，土壓力均可直接按庫倫土壓力理論計算。當重力擋墻采取凸形折線或衡重式時，土壓力計算較為復雜，需分別計算上墻土壓力和下墻土壓力。計算上墻土壓力時，先判別是否會出現第二破裂面，如有第二破裂面，則按第二破裂面法計算上墻土壓力；下墻土壓力計算較為復雜，目前普遍采用簡化的計算方法，常用的有延長墻背法和力多邊形法。在溢洪道邊墻設計中，衡重式擋墻是較為常用的一種形式，本文介紹此類擋墻在浸水條件下土壓力計算。
（1）墻上土壓力計算
當墻背（對衡重式擋墻，為假想墻背）的坡角 大于某一臨界值 時，填土將產生第二破裂面，作用在實際墻背上的主動土壓力應按作用于第二破裂面上的主動土壓力和墻背與第二破裂面之間土重的合力計算。第二破裂面位置的確定可參考文獻[2]。當墻后填土表面傾斜時，作用在第二破裂面上土壓力按下式計算：
式中 為填土容重， 為上墻高； 為填土表面傾角； 、 分別為第一破裂面和第二破裂面與鉛直線的夾角； 為假想墻背傾角； 為填土內摩擦角； 、 分別為土壓力水平向分量和鉛直向分量。浸水擋土墻的.土壓力應考慮水對填土的影響。填土若為砂性土，其內摩擦角可視為不變。填土若為粘性土，應考慮內摩擦角的降低。當填土內摩擦角不變時，主動土壓力系數也不變，當填土表面水平時，破裂角 可以認為不受浸水的影響。當填土內摩擦角 和破裂角 都不變時，可采用不浸水時的壓力 扣除計算水位以下因浮力影響而減少的土壓力 ， = - ， 按下式計算：
式中 為浸水后土壓力作用點位置； 為填土浸水前土壓力作用點的高度； 為上墻水深； 為填土浮容重；Ｋ為土壓力系數。當考慮填土內摩擦角 值降低時，應以計算水位為界，將填土的上下部分視為不同性質的土層，分層計算土壓力。
（2）下墻土壓力計算
1）延長墻背法：將下墻墻背延長到填土表面，以延長后墻背為假想墻背，按庫倫土壓力理論求算假想墻背的土壓力，作出相應土壓力分布圖形，截取與下墻相應的部分，該部分合力即為下墻主動土壓力。當上下部分墻背（對衡重式擋墻，上墻背為假想墻背或第二破裂面）的傾斜角相差10°以上時，應進行校正。這時，可以用半圖解半數解法（蘇Ｔ.Ｋ.列恩法）來計算[2]。浸水作用時，應扣除由于水的浮力影響而減少的土壓力，并由土壓力分布圖形確定土壓力及其作用點位置。
2）力多邊形法：依據極限平衡條件下作用于破裂棱體上的各力應構成閉合多邊形的原理，求算下墻土壓力。力多邊形法求算下墻土壓力采用數解法，當考慮浸水作用時，有兩種方法獲得土壓力：① 先不考慮浸水作用，由力多邊形法求出相應的上下墻土壓力，再扣除由于水的浮力影響而減小的土壓力，最后求出土壓力大小及作用位置，可稱為水土分算法；② 考慮浸水作用，相應水位下的土體自重取有效自重，由力多邊形法求出相應的上下墻土壓力，即為最后土壓力，可稱為水土合算法。根據力多邊形幾何關系，可求得下墻土壓力Ｅ2。
4．浸水條件下擋土墻驗算
求出各工況下荷載后，可以進行擋土墻驗算。驗算內容主要包括墻體穩定性驗算、基底應力及合力偏心距驗算，墻身截面驗算。有關穩定驗算，基底應力驗算的方法及計算公式可參考文獻[1][3]。
（1）墻身截面驗算
墻身截面驗算包括法向應力和剪應力驗算，衡重式擋墻一般選取上下墻交界處截面驗算其法向應力和剪應力，再選取一斜截面，驗算剪應力。
1）作用在衡重式擋土墻上墻實際墻背的土壓力：衡重式擋土墻墻身截面驗算時，應先求出作用在上墻實際墻背上的土壓力。由于上墻實際墻背的土壓力 是由第二破裂面上的土壓力 傳遞而來的，假定實際墻背及衡重臺與土體間無相對移動，則利用力多邊形可求出兩者之間關系。
2）法向應力驗算：求出作用在上下墻交界面以上墻體的水壓力、土壓力及自重，則可以求出作用于交界面上的法向荷載 及切向荷載 ，各力系對截面外端點的穩定力矩 及傾覆力矩 ；進一步可以求出截面偏心距、截面最大法向應力，具體公式可參考文獻[3]。
3）剪應力驗算：水平剪應力可按以下公式驗算：
式中 為墻體的容許剪應力； 為上下墻交界面處水平荷載； 為截面寬度
二、浸水擋土墻構造設計
1．墻身構造
重力式擋土墻的墻背坡度一般采用1：0.25仰斜，且不宜緩于1：0.30；衡重式擋墻下墻墻背坡度多采用1：0.25～1：0.30仰斜，上墻墻背采用1：0.25～1：0.45。仰斜式擋墻墻面一般與墻背坡度一致或緩于墻背坡度。在浸水條件下，一般采用漿砌石或砼擋墻，墻頂寬度一般≥0.5ｍ。為避免因地基不均勻沉陷而引起墻身開裂，根據地基地質條件的變化和墻高、墻身斷面的變化情況需設置沉降縫，為防止因收縮硬化和溫度變化而產生裂縫，應設置伸縮縫。一般將沉降縫和伸縮縫合并設置，沿路線方向每隔10～25ｍ設置一道。
2．排水措施
（1）地面排水：設置地面截排水溝、夯實回填土頂面和地基松土，必要時可設鋪砌層。
（2）墻身排水：在墻身的適當高度處布置一排或數排泄水孔，墻后設透水性材料。并按反濾設置泄水孔的尺寸可視泄水量大小分別采用（視排水量及孔徑大小而定）方孔或直徑為0.05～0.20ｍ的圓孔，孔間距一般為2～3ｍ，浸水擋墻為1.0～1.5ｍ，孔眼呈梅花形布置。對衡重式擋墻（如泄槽邊墻），可以采用下墻后設排水層，上墻后設砂礫填料并夯實到設計要求壓實度。
三、討論
1．計算工況由于水位經常變化，浸水擋墻計算工況較多。對于溢洪道進口邊墻，特征水位包括枯水位、正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位，對泄槽段、消力池邊墻，特征水位與進口邊墻相同，只是正常蓄水位情況下，墻外水深一般為零。相應地，可以分出6種計算工況。對于洪水驟降，因大壩出現險情時才會有此種工況，因此，對一般邊墻無需考慮此種工況，對重要邊墻，則應根據情況確定。
2．土壓力計算浸水擋土墻的土壓力應考慮水對填土的影響，即填土浸水后，一方面浮力使土壓力減小，另一方面抗剪強度降低（內摩擦角減小）。一般浸水擋土墻，尤其是溢洪道邊墻，不大使用粘土回填，而采用砂礫料按一定壓實度回填。此時，可認為墻后填土φ值不變，從而可以采用文中前述方法考慮水的影響。如果墻后為粘土，土壓力計算變得更加復雜，常用等效內摩擦角法和力多邊形法。已有計算研究表明，前者計算高墻或低墻土壓力不大合適[3]。另外，墻背傾斜度對庫倫公式計算值影響很大。在其他條件相同時，土壓力仰斜墻背較俯斜墻背小，后仰愈大，壓力愈小。但是，后仰過大，將使計算出土壓力誤差偏大（土壓力偏小），使設計出的擋土墻不安全，后仰過大還將使墻身重心后移，給施工造成困難，還使基底負偏心過大和墻踵壓應力過大。因此，下墻墻背一般不緩于1：0.3。
四、結語
計算分析表明，浸水條件下擋墻設計必須同時重視墻身構造和墻后排水設計，以達到運行可靠、安全經濟的效果。分析還表明，擋土墻驗算可以不進行剪應力驗算，對浸水條件下擋墻，應進行抗傾覆穩定和截面法向應力驗算。
參考文獻
[1] ＳＬ253-2000.溢洪道設計規范.[Ｓ].
[2] 華東水利學院 水工設計手冊.第七卷.[Ｍ].北京.水力電力出版社.1982.7~388.7~389.
[3] 陳忠達.公路擋土墻設計.[Ｍ].北京.人民交通出版社.2001.52~60.
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