簡述貼坡式擋土墻在水利工程中的應用

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摘要：擋土墻的類型有很多，在水利行業一般采用重力式擋土墻或衡重式擋土墻，本文介紹的是一種特殊的重力式擋土墻—貼坡式擋土墻，貼坡式擋土墻應用比較廣泛，結構相對小，比較經濟，本文通過對小清河房山段貼坡式擋土墻的計算分析，對其優勢和應用范圍做了簡單的說明。

關鍵詞：貼坡式擋土墻；土壓力；抗滑；抗傾覆；基底應力

水利工程中常遇到一種比較特殊的重力擋土墻，其前墻面和墻背面均為仰斜式，一般情況下前墻面的坡度緩于后墻面的坡度。熊啟軍主編的《灌區建筑物的水力計算與結構計算》中稱之為貼坡式擋土墻，實際在水利工程中也采用這種說法。本文以房山區小清河河道綜合治理工程房山段左岸采用的貼坡擋土墻為例對貼坡擋土墻的特點及應用范圍進行分析。小清河是海河流域大清河系北拒馬河支流，流域面積406km2，其中北京市境內212.35km2，本文涉及的河段為小清河房山區段，該段河道右岸設計防洪標準為50年一遇，相應建筑物標準為2級，左岸設計防洪標準為20年一遇，相應建筑物標準為4級。

小清河房山段樁號2+372～樁號3+360因拆遷占地等原因，河道上口寬受到極大限制，河底寬27.4m，河道上口寬最大能到30m左右，為滿足河道過流要求，設計采用了河坡底部為貼坡式擋土墻，河道上口為31.4m，擋土墻頂部距離現狀房屋5～10m。

設計貼坡式擋土墻型式如圖1所示。擋土墻底寬2.6m，高4m，基礎高1m，前墻面坡比1：0.5，墻背面 1：0.2，墻頂寬0.6m。

圖1 擋土墻橫斷面圖

一、貼坡擋土墻的受力特點

貼坡擋土墻是重力擋土墻中的一種特殊型式，參考重力式擋土墻的計算原理，擋土墻依靠自身的重力抵抗土壓力。本文對墻體的穩定性計算從抗滑、抗傾覆、基底應力幾方面分析。

小清河一標擋墻的地質基本參數：擋墻基礎為粉質粘土，平均C=20kpa，摩擦角=7°，填土采用開挖后的原狀土，重度20KN/m3，擋墻基礎與地基土之間摩擦系數0.2，修正后的地基承載力標準值180kpa。

（1）土壓力計算

采用庫倫土壓力計算公式進行主動土壓力計算：

上式中：為作用于墻背的土壓力，其作用點為距離墻底1/3墻高處，作用方向與水平方向成（）夾角，為墻后土容重，地下水以下取浮容重，單位為；為總墻高，單位取；為主動土壓力系數；為墻后填土的內摩擦角，根據堤防規范中提供的換算內摩擦角計算公式計算，等效內摩擦角為47.9°；為墻后土與墻背間的外摩擦角，一般取（1/2～2/3），取28°；為墻背與鉛直面的夾角，俯斜式取正值，仰斜式取負值；為墻后回填土表面與水平面的夾角，開挖坡度基本為1：0.2，坡后土體與基礎為一體，實際計算取0度較為合理，即墻后土體作用于墻體，而不是忽略基礎邊坡不穩定產生的土壓力。

經計算，河道無水、地下水位低于擋土墻基底時水平土壓力=19.35KN，垂直土壓力=5.80KN，總土壓力=20.20KN；河道在設計洪水位時，墻后地下水隨之升高，假定地下水位升高至與洪水位齊平（取最不利情況，根據地勘報告，地下水位較低，考慮洪水期地下水位升高對擋土墻較為不利），此時水平土壓力=13.71KN，垂直土壓力=4.11KN，總土壓力=14.31KN。

（2）抗滑計算

抗滑計算采用公式計算，本文僅計算以下兩種工況。

工況一：河道無水，擋墻前后水位均為0，；

工況二：河道設計洪水期，50年一遇洪水位46.89m，地下水位按與洪水位同高考慮（較不利狀況）。

經計算，墻身自重=172.5KN，工況一條件下抗滑安全系數K=1.843；工況二條件下水平水壓力=0KN，垂直水壓力=69.52KN；抗滑安全系數K=2.05。兩種工況均大于規范要求擋土墻抗滑穩定安全系數允許值1.30和1.15。

因此，擋土墻不存在抗滑穩定安全問題。

（3）抗傾覆分析及結論

對重力式擋土墻而言，擋土墻不僅應滿足規范規定相應抗滑穩定安全要求，還應滿足抗傾覆要求。根據重力式擋土墻計算公式計算，在無水情況下傾覆力矩= 32.26 kN·m，抗傾覆力矩為375.06 kN·m，傾覆驗算K0=11.63，大于規范要求 1.50，因此該擋土墻不存在抗傾覆安全問題。

根據貼坡式擋土墻墻身情況分析，擋土墻墻身重心位于擋土墻后部，我們可以認為擋土墻部分重力作用于墻后土體，對墻后土體形成壓力，可適當抵消墻后土體壓力，這對擋土墻的安全是有利的。但同時擋土墻重力不全部作用于擋土墻與基底摩擦，從摩擦力角度來說，對擋土墻抗滑安全不利，即對貼坡式擋土墻而言，擋土墻抗滑穩定要求更高，擋土墻的結構尺寸應主要由抗滑穩定計算確定，鑒于擋土墻本身單面傾倒有利于抵消墻后土體土壓力，一般來說，抗傾覆系數會遠大于規范安全要求，因此在熊啟鈞主編的貼坡式擋土墻穩定計算程序中已不涉及對貼坡式擋土墻的抗傾覆計算。

（4）基底應力分析及結論

基礎類型為天然地基，驗算墻底偏心距及壓應力作用于基礎底的總豎向力為178.30kN。在無水工況下作用于墻趾下點的總彎矩=342.80kN·m，基礎底面寬度B為2.60m，偏心距e=-0.62m，基礎底面合力作用點距離基礎趾點的距離Zn =1.92m，基底壓應力：趾部=0.000，踵部=175.47kPa，均小于修正后地基承載力特征值180.00kPa；在設計洪水工況下作用于墻趾下點的總彎矩=256.45kN·m，基礎底面寬度B為2.60m，偏心距e=-0.62m，基礎底面合力作用點距離基礎趾點的距離Zn =1.82m，基底壓應力：趾部=0.000，踵部=120.81kPa，均小于修正后地基承載力特征值180.00kPa，本工程中地基承載力滿足要求。

通過計算結果可以看出，對貼坡式擋土墻來說，因偏心距小于0，墻趾的壓應力為0，踵部壓力最大，極有可能超過地基承載力要求，但這種結果一般導致的結果會是擋土墻傾向背后，進一步壓實墻后土體，甚至墻后土體進而產生被動土壓力，抵消擋土墻自重產生的壓力，進而減小擋土墻基底踵部壓力。因此在實際工作中，如擋土墻后土體良好，不會因過于軟弱而導致擋墻變形造成破壞，則地基承載力稍微低于踵部壓力也是可以接受的，如有條件可模擬略墻體傾倒后的情況，進一步分析其受力特點，復核其踵部壓力。

二、貼坡擋土墻的優勢和應注意的問題

（1）貼坡式擋土墻的優勢

從受力分析結果來看，貼坡擋土墻背坡為仰坡，所受土壓力跟普通擋土墻相比明顯減小，因此結構尺寸可大幅度減小；另一方面貼坡式擋土墻可直接在土基上削坡砌筑，開挖量回填量也可大幅度減小，因此貼坡式擋土墻是一種相對比較經濟的擋土墻型式。