空箱擋土墻在水工建筑物中的運用

袁俊年 陳花

摘 要：隨著社會經濟的迅猛發展，水工建筑物對于技術提出了更高的要求，空箱擋土墻因為重力輕、地基應力分布均勻和效率高等優點成為了水工建筑物最常用的方式，被廣泛的應用于水閘連接和水閘設計當中，對于解決水工建筑的現實問題具有重要的意義。

關鍵字：空箱擋土墻 水閘

一、空箱擋土墻的概況

1.空箱擋土墻的概念及特點

空箱式擋土墻由底板、頂板、前墻、后墻和縱橫隔墻構成的空箱形擋土墻。可利用空箱內充填土、水的重量來維持穩定[1]。

空箱擋土墻的組成部分有前墻、后墻、隔墻、頂板與扶壁。它可以通過前后之間的空箱內填土或者充水來調節地基應力，從而使基底的地基荷載與閘室地基荷載保持一致，進而減少不均勻沉降。空箱擋土墻具有重力輕和地基應力分布均勻等優點，連拱式空箱擋土墻在空箱擋土墻的基礎上進行改進，效果更好。

2.空箱擋土墻的結構型式

擋土墻是水電站、水閘、泵站及河道護岸等水利工程的重要組成部分。目前工程中常用的擋土墻結構有：重力式擋土墻、衡重式擋土墻、鋼混扶壁式擋土墻和加筋土擋土墻，下面簡單介紹這四種擋土墻的適用范圍及各自的特點。

（1）重力式擋土墻

當所需擋土高度低于5m時，一般選用重力式擋土墻。主要原因是該擋土墻結構形式簡單，可就地取材，主要缺點是基底應力分布不平均。當所需擋土的高度大于5m時，該擋土墻前部分的基底應力可能會超出地基的允許承載力。

（2）衡重式擋土墻

衡重式擋土墻最顯著的優點是能夠利用衡重平臺使得墻身整體的重心向后移，從而達到平衡基底應力的目的。但是，這種擋土墻的構造方式使得擋土墻的基底寬度相較于重力式擋土墻要小，所以在擴散基底壓力這一方面，衡重式擋土墻的效果要劣于重力式擋土墻。

（3）鋼混扶壁式擋土墻

鋼混扶壁式擋土墻的組成部分有墻踵懸臂、立臂和墻趾懸臂。該擋土墻相較于前二者在允許擋土高度上更出色，但對底板的寬度要求更大。該擋土墻的缺點有鋼材消耗量大、造價高、施工難度大。

（4）加筋土擋土墻

當地基屬于軟土地基時，加筋土擋土墻是一種常用結構。它的主要特點是讓墻后填料從原本的外荷載身份變成抵抗外荷載的墻體結構的一部分。這種擋土墻的優點是造價低，經濟效益良好，裝配簡單，利于施工。

二、空箱擋土墻在水工建筑物中的應用

1.水工建筑物的概念及分類

水利工程中常采用單個或若干個不同作用、不同類型的建筑物來調控水流，以滿足不同部門對水資源的需求。這些為興水利、除水害而修建的建筑物稱水工建筑物。

水工建筑物按其作用可分為擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物、取（進）水建筑物、整治建筑物以及專門為灌溉、發電、過壩需要而興建的建筑物。

水工建筑物按其用途可分為一般性建筑物和專門性建筑物。一般性建筑物具有通用性，如擋水壩、溢洪道、水閘等，專門性水工建筑物又分為水電站建筑物、農田水利建筑物、給水排水建筑物、過魚建筑物等。

水工建筑物按其使用時間的長短分為永久性建筑物和臨時性建筑物。

2.水工建筑物在水工建筑物中的應用

空箱擋土墻是用在水閘連接和設計當中，下面利用幾個簡單的實例來說明空箱擋土墻在水工建筑中的應用。

1.空箱式擋土墻在水閘連接中的應用

城西湖退水閘12孔，單孔凈寬5.0m，閘室高度16.6m。如與兩岸直接連接，不符合經濟合理的設計準則，甚至產生裂縫[2]。七和水電站樞紐工程有5孔泄水閘，單孔凈寬10m，閘墩高18m，我們在邊墩后面設置了擋土墻，使邊墩只在底部承受土壓力，上部只起支承閘門和閘墩上部結構的作用[3]。因此在邊墩后面設計了擋土墻，使邊墩僅僅起到支承閘門及上部結構的作用。由于擋土墻地基為填土，空箱擋土墻可以利用箱格內的填土來調整地基應力且較經濟， 故采用空箱擋土墻。

在兩岸設置空箱擋土墻時，首先降低了邊墩的內力，減小了因閘墩變形引起閘門開啟困難和閘室破壞等問題。其次降低了閘室底板內力，在設計中進一步減小底板和邊墩的厚度，滿足經濟、合理和美觀的要求。最后不僅減小了地基內力，而且使地基內力變得均勻、一致，對整個閘室的安全穩定具有重要的意義。

2.空箱式擋土墻在水閘設計中的應用

我國江蘇省瓜洲閘部分乙墻，1969首先試用了連拱式空箱式擋土墻，然后在各地建閘中廣泛采用空箱式擋土墻來做上、下游乙墻、閘墻等，空箱式擋土墻顯著的優點是：不用鋼材，砌筑施工速度快，拱圈可以提前預制或現澆，砌石砌筑工程量與重力式擋土墻比較可減少一半左右，由于空箱結構自重小，故地基反力小， 尤其適用于軟基礎上建筑。

慎江水閘于1974年10月竣工，投入運行近四年，上、下游乙墻及閘墻所采用的連拱空箱式擋土墻均無明顯的不均勻沉陷、傾料或開裂漏水等現象發生，運行正常，實踐證明是成功的。

1974年底興建的塘下水閘和1977年底動工的東方水閘，采用倒拱式底板結合連拱空箱式閘墻結構。這兩座水閘的連拱空箱式擋土墻結構在施工中與慎江水閘相比較，不同的是空箱拱圈采用現澆混凝土，實踐證明，這樣既加快了施工速度，又提高了空箱結構的整體性和強度，至今均無發現什么問題。

三、空箱擋土墻的優越性

1.擋土墻的自重力的可調范圍廣

如果擋土墻尺寸外形已經確定，可以通過以下幾種方式對擋土墻的自重力進行跳幀：改變前墻或者隔墻的厚度，改變空箱內部的填料高度，改變墻體的砌筑材料，改變隔墻的間距等等，對于自主調節擋土墻的自重力很重要的現實意義。擋土墻合理的設計思路應該是這樣的：要盡一切可能在墻體的構造上增加能夠提到穩定性的方法，然后再在穩定性足夠的基礎上盡一切可能減少墻體的自重力，使之能夠適應承載力低的地基。

2.擋土墻失穩后易于撲救

一般的擋土墻在發生結構失穩之后是很難進行補救的，但是空箱擋土墻不同。它和混凝土的脆性破壞不同，對于擋土墻來說，從失穩到破壞需要一個過程，并不是瞬間發生，這樣就可以給了現場補救的時間和機會。

當空箱式擋土墻發生滑動或者傾覆時，要馬上打開預制的蓋板，往空箱內放入填料增加自重力，通過增大基底的摩阻力和增大抗傾覆力矩的方式達到穩定擋墻的目的。在往空箱內部放入填料的過程中要盡可能地避免對擋土墻前墻產生側向壓力，通過在填料之間設置加筋帶，或者往填料之中加入石灰等凝固劑的方式來避免這種危害。在加入壓重填料的過程中要注意不能在一個箱體中加完之后再加另一個，要同時在相鄰的空箱之內加入填料，或者少量輪流加入填料，以免因此使得基底應力分布不均或者底板受到不正常的變形。

3.施工簡單

就構造而言，雖然空箱擋土墻比較復雜，但實際的施工卻比較容易。擋土墻的隔墻與前墻都是垂直墻，比仰斜或者俯斜面墻要容易施工。拱座和底板的立模和綁扎鋼筋比較復雜。另外，空箱擋土墻造價也比扶壁擋土墻少。

參考文獻：

[1] 徐旭松等.淺談空箱擋土墻在水閘設計中的應用[J].水利建設.

2014（2）：143-144

[2] 許正松等.空箱式擋土墻在水閘連接段中的應用研究[J].工程設計.2007（4）：884-887

[3] 王躍武等.空箱式擋土墻在七和水電站水閘連接段的應用[J].廣東水利水電.2002（4）：68-69

作者簡介：袁俊年（1981.08），男，湖北武漢人，湖北省水利水電規劃勘測設計院，工程師，大學本科學歷，研究方向：水利水電。

陳花（1985.09），女，湖北武漢人，武漢市水務科學研究院，工程師，大學本科學歷，研究方向：水土保持。