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浸水条件下重力式混凝土挡墙设计

　　摘要：挡土墙构造简单，但要设计出合理经济的断面需选择合适的工况、几何物理学参数，计算出较切合实际的土压力。在浸水条件下，要确定特征水位、考虑浸水对墙后土压力的影响。结合具体工程实例，对与浸水挡土墙设计有关的主要问题进行了分析和讨论。计算分析表明，浸水条件下挡墙设计必须同时重视墙身构造和墙后排水设计，以达到安全经济的效果。分析还表明，挡土墙验算可以不进行剪应力验算，对浸水条件下挡墙，应进行抗倾覆稳定和截面法向应力验算。
关键词：挡土墙设计 浸水 土压力 验算 排水

一、浸水挡土墙计算
1．浸水条件下荷载及其组合
作用在边墙上的荷载可分为基本荷载和特殊荷载，基本组合由基本荷载组成，特殊组合由基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。对浸水挡土墙而言，基本荷载主要包括墙身自重、填土自重、土压力、墙顶上的有效荷载、正常蓄水或设计洪水位时静水压力及扬压力、设计洪水位情况下泄流时动水压力；特殊荷载主要包括校核洪水位时的静水压力及扬压力、相应于校核洪水时的动水压力，对地震区域，还包括地震荷载。每一种荷载组合对应一种计算工况，对溢洪道边墙而言，控制段上下游部位的边墙计算工况不完全相同，需具体分析。
2．浸水条件下计算工况
对进水渠和控制段的边墙，计算工况主要有：完建情况、正常蓄水位情况、设计洪水位情况、施工情况、检修情况、校核洪水情况、地震情况。前3种工况相应的荷载为基本荷载组合，后4种工况相应的荷载为特殊荷载组合。对正常蓄水位情况，若考虑排水失效，也按特殊组合计算。对控制段以下边墙，计算工况主要有：完建情况、泄设计洪水、不泄洪、泄校核洪水、检修情况、排水失效、地震情况，前3种工况相应荷载为基本荷载组合，后4种工况相应的荷载为特殊荷载组合。另外，当库水位或下游水位骤降时，可根据具体情况考虑是否需要核算进水渠导墙或消力边墙的稳定。
3．浸水条件下荷载计算
对自重荷载、水压力荷载，按常规方法即可确定；对重力式挡墙，除凸形折线和衡重式情况外，土压力均可直接按库伦土压力理论计算。当重力挡墙采取凸形折线或衡重式时，土压力计算较为复杂，需分别计算上墙土压力和下墙土压力。计算上墙土压力时，先判别是否会出现第二破裂面，如有第二破裂面，则按第二破裂面法计算上墙土压力；下墙土压力计算较为复杂，目前普遍采用简化的计算方法，常用的有延长墙背法和力多边形法。在溢洪道边墙设计中，衡重式挡墙是较为常用的一种形式，本文介绍此类挡墙在浸水条件下土压力计算。
墙上土压力计算
当墙背的坡角 大于某一临界值 时，填土将产生第二破裂面，作用在实际墙背上的主动土压力应按作用于第二破裂面上的主动土压力和墙背与第二破裂面之间土重的合力计算。第二破裂面位置的确定可参考文献。当墙后填土表面倾斜时，作用在第二破裂面上土压力按下式计算

式中 为填土容重， 为上墙高； 为填土表面倾角； 、 分别为第一破裂面和第二破裂面与铅直线的夹角； 为假想墙背倾角； 为填土内摩擦角； 、 分别为土压力水平向分量和铅直向分量。浸水挡土墙的土压力应考虑水对填土的影响。填土若为砂性土，其内摩擦角可视为不变。填土若为粘性土，应考虑内摩擦角的降低。当填土内摩擦角不变时，主动土压力系数也不变，当填土表面水平时，破裂角 可以认为不受浸水的影响。当填土内摩擦角 和破裂角 都不变时，可采用不浸水时的压力 扣除计算水位以下因浮力影响而减少的土压力 ， = - ， 按下式计算
式中 为浸水后土压力作用点位置； 为填土浸水前土压力作用点的高度； 为上墙水深； 为填土浮容重；Ｋ为土压力系数。当考虑填土内摩擦角 值降低时，应以计算水位为界，将填土的上下部分视为不同性质的土层，分层计算土压力。
下墙土压力计算
1）延长墙背法：将下墙墙背延长到填土表面，以延长后墙背为假想墙背，按库伦土压力理论求算假想墙背的土压力，作出相应土压力分布图形，截取与下墙相应的部分，该部分合力即为下墙主动土压力。当上下部分墙背的倾斜角相差10°以上时，应进行校正。这时，可以用半图解半数解法来计算。浸水作用时，应扣除由于水的浮力影响而减少的土压力，并由土压力分布图形确定土压力及其作用点位置。
2）力多边形法：依据极限平衡条件下作用于破裂棱体上的各力应构成闭合多边形的原理，求算下墙土压力。力多边形法求算下墙土压力采用数解法，当考虑浸水作用时，有两种方法获得土压力：① 先不考虑浸水作用，由力多边形法求出相应的上下墙土压力，再扣除由于水的浮力影响而减小的土压力，最后求出土压力大小及作用位置，可称为水土分算法；② 考虑浸水作用，相应水位下的土体自重取有效自重，由力多边形法求出相应的上下墙土压力，即为最后土压力，可称为水土合算法。根据力多边形几何关系，可求得下墙土压力Ｅ2。
4．浸水条件下挡土墙验算
求出各工况下荷载后，可以进行挡土墙验算。验算内容主要包括墙体稳定性验算、基底应力及合力偏心距验算，墙身截面验算。有关稳定验算，基底应力验算的方法及计算公式可参考文献[1]。
　　墙身截面验算
墙身截面验算包括法向应力和剪应力验算，衡重式挡墙一般选取上下墙交界处截面验算其法向应力和剪应力，再选取一斜截面，验算剪应力。
1）作用在衡重式挡土墙上墙实际墙背的土压力：衡重式挡土墙墙身截面验算时，应先求出作用在上墙实际墙背上的土压力。由于上墙实际墙背的土压力 是由第二破裂面上的土压力 传递而来的，假定实际墙背及衡重台与土体间无相对移动，则利用力多边形可求出两者之间关系。
2）法向应力验算：求出作用在上下墙交界面以上墙体的水压力、土压力及自重，则可以求出作用于交界面上的法向荷载 及切向荷载 ，各力系对截面外端点的稳定力矩 及倾覆力矩 ；进一步可以求出截面偏心距、截面最大法向应力，具体公式可参考文献。
3）剪应力验算：水平剪应力可按以下公式验算：
式中 为墙体的容许剪应力； 为上下墙交界面处水平荷载； 为截面宽度
二、浸水挡土墙构造设计
1．墙身构造
重力式挡土墙的墙背坡度一般采用1：仰斜，且不宜缓于1：；衡重式挡墙下墙墙背坡度多采用1：～1：仰斜，上墙墙背采用1：～1：。仰斜式挡墙墙面一般与墙背坡度一致或缓于墙背坡度。在浸水条件下，一般采用浆砌石或砼挡墙，墙顶宽度一般≥ｍ。为避免因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂，根据地基地质条件的变化和墙高、墙身断面的变化情况需设置沉降缝，为防止因收缩硬化和温度变化而产生裂缝，应设置伸缩缝。一般将沉降缝和伸缩缝合并设置，沿路线方向每隔10～25ｍ设置一道。
2．排水措施
地面排水：设置地面截排水沟、夯实回填土顶面和地基松土，必要时可设铺砌层。
墙身排水：在墙身的适当高度处布置一排或数排泄水孔，墙后设透水性材料。并按反滤设置泄水孔的尺寸可视泄水量大小分别采用方孔或直径为～ｍ的圆孔，孔间距一般为2～3ｍ，浸水挡墙为～ｍ，孔眼呈梅花形布置。对衡重式挡墙，可以采用下墙后设排水层，上墙后设砂砾填料并夯实到设计要求压实度。
三、讨论
1．计算工况由于水位经常变化，浸水挡墙计算工况较多。对于溢洪道进口边墙，特征水位包括枯水位、正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位，对泄槽段、消力池边墙，特征水位与进口边墙相同，只是正常蓄水位情况下，墙外水深一般为零。相应地，可以分出6种计算工况。对于洪水骤降，因大坝出现险情时才会有此种工况，因此，对一般边墙无需考虑此种工况，对重要边墙，则应根据情况确定。
2．土压力计算浸水挡土墙的土压力应考虑水对填土的影响，即填土浸水后，一方面浮力使土压力减小，另一方面抗剪强度降低。一般浸水挡土墙，尤其是溢洪道边墙，不大使用粘土回填，而采用砂砾料按一定压实度回填。此时，可认为墙后填土φ值不变，从而可以采用文中前述方法考虑水的影响。如果墙后为粘土，土压力计算变得更加复杂，常用等效内摩擦角法和力多边形法。已有计算研究表明，前者计算高墙或低墙土压力不大合适。另外，墙背倾斜度对库伦公式计算值影响很大。在其他条件相同时，土压力仰斜墙背较俯斜墙背小，后仰愈大，压力愈小。但是，后仰过大，将使计算出土压力误差偏大，使设计出的挡土墙不安全，后仰过大还将使墙身重心后移，给施工造成困难，还使基底负偏心过大和墙踵压应力过大。因此，下墙墙背一般不缓于1：。
四、结语
计算分析表明，浸水条件下挡墙设计必须同时重视墙身构造和墙后排水设计，以达到运行可靠、安全经济的效果。分析还表明，挡土墙验算可以不进行剪应力验算，对浸水条件下挡墙，应进行抗倾覆稳定和截面法向应力验算。
参考文献
[1] ＳＬ253-2000.溢洪道设计规范.[Ｓ].
华东水利学院 水工设计手册.第七卷.[Ｍ].北京.水力电力出版社.~~389.
陈忠达.公路挡土墙设计.[Ｍ].北京.人民交通出版社.~60.