水工擋土墻特點與結構形式分析

於正芳

【摘要】本文針對水工擋土墻的特點以及結構形式進行了系統分析，首先概括指出了水利工程領域中水工擋土墻的構造要求，然后就常見的水工擋土墻結構形式進行了逐一分析與闡述，最后結合某堤防工程實例，就河道兩側懸臂式水工擋土墻的結構設計要點進行了分析，望能夠引起業內人士的共同關注與重視。

【關鍵詞】水工擋土墻；特點；結構形式

水工擋土墻是指在水利水電領域工程建設中用于防治土體滑塌以及承受土體壓力的特殊擋土建筑物。既往報道中認為，由于水工擋土墻多需要在浸水環境中工作，必須承受不同特征水位變化所產生的水壓力，同時還應當滿足水工建筑主體對水流條件的相應要求。鑒于水工擋土墻運行環境的特殊性與復雜性，目前已根據不同應用條件產生了多種水工擋土墻結構形式，在構造以及設計方面均具有一定的特殊性。本文即針對水工擋土墻的結構形式及其設計要點進行分析與總結。

1、水工擋土墻構造要求

相較于其他工程領域的擋土墻結構而言，考慮到水工領域建筑物運行環境以及工作條件的特殊性，在擋土墻構造方面有一定的特殊要求。主要體現在以下幾個方面：第一，為了實現水工擋土墻與主體建筑的岸墻連接，以方便止水裝置的設置，改善水流條件，故在水工擋土墻構造中墻身臨水面大多采用直立形式，少數為營造景觀效果也有采用臺階式形式，擋墻背側則應當優先選用懸臂或俯斜形式。第二，考慮到工作條件的特殊性，在水工擋土墻結構構造中應進行防滲設計與處理，硬質不透水水工擋土墻結構分縫間必須設置垂直性止水裝置，且與墻前防滲底板之間的水平止水構成封閉系統，以確保止水密封性能；生態透水型擋土墻在背土側設置透水土工布防止土體流失。第三，為滿足擋土墻穩定要求，擋土墻底板一般要求坐落于土層物理力學性質較好的土層上，若土層無法滿足擋墻的承載力或抗滑穩定需求，則應進行地基處理，處理方式包括換填土和樁基加固等。第四，水工擋土墻的墻頂高程應考慮兩岸連接、墻前水位、風浪爬高、安全超高等條件加以確定。在確定基礎埋置深度時，則必須充分考慮地基巖性、凍層深度、沖刷深度等相關參數，以確保水工擋土墻結構科學合理。

2、水工擋土墻常見結構形式

在當前技術條件支持下，水工擋土墻的結構形式呈現出了多樣化的發展趨勢與特點，在工程實踐領域中，常用的水工擋土墻結構形式包括重力式水工擋土墻、衡重式水工擋土墻、懸臂式水工擋土墻、扶壁式水工擋土墻、錨桿水工擋土墻、加筋土水工擋土墻等多種類型。不同結構形式的水工擋土墻在具體特點以及適用范圍方面多存在一定的差異性。具體分析如下：

1）重力式擋土墻。此種結構形式水工擋土墻是指借助于水工擋土墻自身重力以確保土壓力作用下擋土墻結構的穩定性，在國內水利工程建設領域中應用比較廣泛，多選用混凝土或石料砌筑而成，結構形式如下圖（見圖1）所示。重力式擋土墻多遵循因地制宜原則就地取材，結構簡單，經濟效益良好且施工方便，在小型水工建筑物中應用優勢突出。但由于此類重力式擋土墻結構體積較大且重量較大，在土地基基礎之上可能受到地基承載作用力的約束，因此高度有一定限制。而在巖基結構中，雖然不會受到承載力影響，但考慮到結構斷面以及材料耗費問題，故仍然建議將重力式擋土墻的高度控制在6.0m范圍內。

圖1：重力式擋土墻結構形式示意圖

2）半重力式擋土墻。半重力式擋土墻多選用混凝土原料砌筑形成。與前述重力式擋土墻對比，半重力式擋土墻斷面更小、前后底腳較大，且需要根據混凝土結構強度進行配筋優化。由于此類水工擋土墻的斷面小，故能夠更加有效的利用混凝土結構抗拉強度，在高度相同的前提下，地基應力更低，且較少出現應力集中分布現象。結合水利工程實踐應用經驗來看，若地基基礎較軟或地下水水位偏高，可以半重力式擋土墻替代重力式擋土墻，擋土墻結構高度多在8.0m以內。

3）衡重式擋土墻。衡重式擋土墻是通過墻體重心后移以及衡重臺上部填土自身重力的方式對抗土體側壓力，以確保自身結構穩定性，主要由上墻結構、下墻結構以及衡重臺這三個部分構成，砌筑原料以漿砌石或混凝土為主。在選用衡重式擋土墻結構時，衡重臺以下可以直接于開挖邊坡內進行混凝土澆筑，極大節約了模板支護開支。同時，衡重式擋土墻結構中，衡重臺以下墻背斷面為仰斜，因此可以在一定程度上減輕土壓力值。相較于重力式以及半重力式擋土墻而言，衡重式擋土墻的斷面相對較小，尤其是對于容許承載力較高的巖基基礎而言，該結構形式下擋土墻高度可達到20.0m以上。

4）懸臂式擋土墻。懸臂式擋土墻在水工建筑領域中同樣比較常見，主要通過踵板以及趾板上填土重量以確保結構穩定。此類結構形式擋土墻主要構成包括立壁、趾板、以及踵板這三個部分，結構輕型化。在實際應用中，懸臂式擋土墻結構構造較為簡單，對松軟地基基礎有較好的適應性，對于地震高發以及石料不足的區域較為適用。但考慮到隨著高度增加，水工擋土墻立壁結構下方彎矩作用力有同步增長趨勢，因此會導致混凝土以及鋼筋用量的增加，故從經濟性的角度考慮，多將懸臂式水工擋土墻結構高度控制在6.0m～9.0m范圍內。

5）加筋土擋土墻。加筋土擋土墻是指通過將拉筋加入土體內的方式，借助于土體與拉筋間的摩擦作用，以提高土體性能，改善土體變形條件，從而穩定土體，確保擋土墻結構作用可靠發揮。目前技術條件下，加筋土擋土墻主要由填料、填料中拉筋以及墻面板這三個部分構成。加筋土屬于柔性結構物，對地基基礎輕微變形有良好的適應性，填土作用下所致地基變形對此類擋土墻結構穩定性的影響相對較小，因此結構整體具有良好的抗震特點。除此以外，加筋土擋土墻在實際應用中還具有占地面積小，造價低廉以及造型美觀等諸多優勢，對于地形平坦且寬敞的填方區域有非常良好的適用性。

3、水工擋土墻地基處理

擋土墻基礎設計時，應根據擋土墻所處工程位置的地勘資料，充分分析地基土的組成，并根據土層物理力學參數計算擋土墻穩定，若地基土承載力或擋土墻抗滑穩定不滿足要求，應進行地基處理，常用的地基處理方式有換填土和樁基。

換填土處理方法常用于河道水流速度較慢且結構較小的水工擋土墻型式，該方法是在擋土墻底部挖除原有物理力學參數較差的土層，如淤泥土、浜填土之類，換成土質較好的土體或包含加強土體的碎石間隔土及高壓旋噴樁等，換填土厚度一般為1.0m以上。換填土處理方法還可以用于地下管線較多或鄰近建筑的工程區，此類地區約束條件較多，在地基承載力或擋土墻抗滑穩定不滿足要求且無法實施樁基的情況下，換填土方法較為實用。

樁基處理可用于絕大部分擋土墻，且對于擋土墻結構型式不限制，尤其是軟土地區，應用范圍較廣，該方法是擋土墻底板澆筑前在擋土墻底板下預先打入樁基，在進行底板與墻身的澆筑。樁基可分為預制方樁或板樁、鉆孔灌注樁、PHC管樁和鋼板樁等，設計時可根據具體的地基土條件和經濟指標確定采用樁基型式。

4、水工擋土墻結構設計實例

上海市西部地區流域泄洪通道防洪堤防達標工程（金山區白牛塘）項目位于上海市金山區，按照50年一遇設計防洪標準，工程為Ⅱ等工程，主要水工建筑物級別為2級，河道護岸為懸臂式擋土墻結構。懸臂式擋土墻高度為3.8m，墻頂寬度為0.4m，墻底寬度為3.0m，背坡傾斜度為1：0。該擋土墻坐落于③1層灰色淤泥質粉質粘土上，回填土為一般粘土，地基土容重為18.0kN/m3，墻后填土內摩擦角為30.0°，墻底摩擦系數取0.3。擋土墻墻身結構如下圖（見圖2）所示。結構設計及穩定性驗算計算工況及水位組合如下表（見表1）所示。

經計算，本工程中懸臂式水工擋土墻穩定性如下表（見表2）所示。結合表2可見：本堤防工程選用懸臂式水工擋土墻結構可滿足結構穩定性要求。

由上表可知：擋土墻抗滑穩定不滿足要求，需進行地基處理?？紤]擋墻結構較大且高度較高且工程為Ⅱ等工程，建筑物級別為2級，工程選用樁基基礎，采用300×300×9000mm鋼筋砼方樁，前排樁樁間距1m，后排樁樁間距1.5m，前后排樁排距2.3m，并采用“m”法計算樁基承載力，結果顯示：樁基水平位移、豎向位移及樁基軸力最大出現在施工期，分別為7.6mm和4.3mm和136kN，規范允許的位移值為10mm，同時單樁豎向承載力為151kN，因此，計算值滿足規范位移要求及樁基豎向承載力的要求。

5、結束語

近年來，隨著水利水電工程建設的不斷進步與發展，包括水電站、碼頭、引水樞紐以及水庫樞紐等各種渠系建筑物中對水工擋土墻的應用也日益廣泛。本文在系統分析水工擋土墻構造特點與基本要求的基礎之上，從重力式擋土墻、半重力式擋土墻、衡重式擋土墻、懸臂式擋土墻以及加筋土擋土墻這幾個方面入手，對水工擋土墻常見的幾種結構形式進行了分析，最后結合某堤防工程實例，就河道兩側懸臂式水工擋土墻的結構設計要點進行了分析，望能夠引起業內人士的共同關注與重視。

參考文獻：

[1]胡永生，戴菊英.水工擋土墻采用水泥攪拌樁復合地基設計常見問題分析[J].西北水電，2013，（6）：29-31.

[2]陳勝平.基于水利水電工程中的水工擋土墻設計要點分析[J].建筑工程技術與設計，2016，（25）：1254.

[3]曾文，張光碧，王海祥等.重力式水工擋土墻的UM模型可靠度分析[J].云南水力發電，2011，27（2）：31-34，86.

[4]馬慧敏，陳曉光，何向東等.深挖方邊坡擋土墻抗滑穩定計算分析[J].河南水利與南水北調，2014，（18）：37-39.