變電站重力式擋土墻的計算

劉巍

摘要：變電站在我國的電力系統中占有重要的地位，為了達到防洪和防澇的目的，一般情況站內外存在高差，根據不同地質條件來設置不同類型的擋土墻，本文主要介紹了擋土墻的基本原理和分類，同時通過具體實例驗算了重力式擋土墻在三種工況的受力狀態。

關鍵詞：變電站;擋土墻;重力式擋土墻

中圖分類號：TU313.3 文獻標識碼：A 文章編號：1008-4428（2019）10-0169-03

一、引言

隨著我國經濟的大力發展，社會對電力的需求也越來越多，作為電網系統的重要組成部分——變電站，地位也顯得尤為突出，為達到防洪和防內澇的要求，變電站站內標高一般會比周邊自然場地高。為了減少其占地面積、減少土方需求量，做到挖填方平衡，場內外落差較大時，通常采用在圍墻下設置擋土墻的方式。本文將詳細介紹常用的重力式擋土墻的原理、分類和設計。

二、擋土墻的定義和分類

擋土墻起到防止土體與填土變形，支撐路基填土或山坡土體，是一種建筑墻體。其構成為：與土體直接接觸的墻身一側稱為墻背;墻背的對面，外露的主要墻體稱為墻面;墻體頂部和底部的表面分別稱為墻頂和墻底;此外，墻底的前端稱為墻趾，墻底的后端稱為墻踵。見圖1。

擋土墻是建筑物墻，可防止土壤和填土變形，支撐路基填料或山坡土壤。它由以下部分組成：墻體直接接觸土壤的一側稱為墻背;與墻背相反，大部分墻稱為墻面;墻的頂部表面稱為墻頂;墻的底部稱為墻頂。另外，墻的前端稱為墻趾。墻的底部的后端稱為墻踵。

擋土墻的分類方法有很多種，根據其結構可以分為：重力式擋土墻、衡重式擋土墻、錨桿式擋土墻、加筋式擋土墻等。不同的條件，如：水文條件、地質條件等，采用的擋土墻種類也各不相同。在變電站的擋土墻設計中，擋土墻通常為重力式擋土墻。

三、重力式擋土墻

（一）重力式擋土墻介紹

重力式擋土墻的工作機理是利用自重克服墻背后方土體傳來的土壓力并維持其穩定。由于其施工簡單、材料方便、適應性強等優點，是目前最常用的一種擋土墻結構形式。重力式擋土墻常采用的材料有砌石、石料和混凝土等，但在砌石、石料缺乏的地區，也可采用混凝土預制塊或直接采用混凝土進行砌筑。

重力式擋土墻仍有其缺點，由于它的工作機理，對地基承載力的要求更高，不適應軟弱地基。當擋土墻的高度更高時，墻體高度超過4米，則造成材料浪費，成本變高。

（二）重力式擋土墻的分類

我們根據擋土墻的墻背傾角不同，重力式擋土墻分為仰斜、豎直、俯斜三種，如圖2所示。根據主動土壓力的大小，選擇不同的擋土墻形式。優先選用仰斜擋土墻，其次是直立式，最后是俯斜式。

（三）重力式擋土墻的斷面設計

重力式擋土墻的尺寸通過墻體形狀與高度兩個因素來確定。其墻背坡度仰斜式一般為1：0.25.且不應小于1：0.3;俯斜式一般為1：0.25～1：0.4.豎直式一般為1：0.05～1：0.2.具體數值應根據實際情況再確定。墻面為直線。盡可能使重力式擋土墻的墻面與墻背平行。

混凝土預制塊或砌石筑成的重力式擋土墻。墻頂寬度應大于0.4m，而采用混凝土或鋼筋混凝土材料砌筑成的，墻頂寬度應大于0.2m。根據經驗，墻頂寬度一般為擋土墻高度的1/12.墻底寬度一般為擋土墻的1/2～7/10。

重力式擋土墻每隔10～20m設置一道伸縮縫。伸縮縫的寬度一般為20～30mm。

（四）重力式擋土墻的計算

重力式擋土墻的計算分為主動土壓力計算。抗滑移穩定性計算。抗傾覆計算和地基承載力計算。

當驗算不滿足時，應采用相應的構造措施。

（1）在墻底做向內的逆坡，不僅經濟還可增加其抗滑移能力。

（2）可以在基底摩擦系數小時夯填一層150mm厚礫砂，以提高抗滑移能力。

（3）將基底做成臺階式，以便提高其抗滑移穩定性。

3.抗傾覆穩定性計算

根據相關公式進行擋土墻抗傾覆的驗算，如果不滿足，則可采用下列措施。

（1）調整墻背的坡度。通過放緩墻背的坡度來減小土壓力。

（2）調整墻面的坡度。墻面坡度的改變并不影響土壓力的大小，但可以增加穩定力臂的長度來增強擋土墻的抗傾覆能力。

（3）墻趾處伸出臺階或設置墻踵，以增加穩定力臂的長度或利用土重增加抗傾覆力矩，提高抗滑移能力。

如果地基承載力不滿足上式要求，應該采用下列措施。

（1）在墻趾處外伸一部分以增加基底面積。從而減少基地壓力。

（2）在基底設置一定厚度的鋼筋混凝土板。

四、實際案例分析

（一）設計參數

某變電站站內外高差2m，設置重力式擋土墻，基礎埋深1.5m，墻高3.5m，其他參數如圖3所示。采用設計參數如圖3所示。

（二）一般工況

先計算土壓力，經驗算，高度取4.110（m）時，計算出來的庫侖主動土壓力最接近實際。計算以實際墻背為基礎：第1破裂角：23.994（度），Ea=61.687（kN），Ex=51.020（kN），Ey=34.672（kN），實際庫侖土壓力作用高度為勿=1.370（m）。經過計算。發現不存在第二破裂面。墻身截面積=5.576（m²），重量=128.248（kN）。

1.滑動穩定性驗算

基礎底面摩擦系數=0.500.基底傾斜角度=16.699（度），Wn=122.839（kN），En=47.871（kN），Wt=36.852（kN），Et=38.905（kN），滑移承載力=51.020（kN），抗滑承載力=87.994（kN），經驗算，滿足：Kc1=1.725>1.300。

2.傾覆穩定性驗算

傾覆產生的力矩=38.779（kN-m），用于抗傾覆力矩=164.793（kN-m），傾覆穩定性驗算滿足：Ko=4.250>1.500

3.地基應力及偏心距驗算

作用于地基基底合力產生的偏心距驗算安全滿足：e：0.410≤0.250x2.297=O，574（m），基底壓應力=154.173≤312.000（kPa），壓應力=0.000≤338.000（kPa），壓應力=74.323≤260.000（kPa）。

4.基礎強度驗算

地基的基礎采用的是自然地基，可不做強度檢驗計算。

5.墻底截面強度驗算

驗算墻底的截面以上，墻身處的截面積=4.850（m²），重量=111.550（kN），墻體自身產生的重力的力臂Zw：0.754（m），墻體處Ey產生的力臂ZX=1.622（m），墻體處EX產生的力臂Zy=0.760（m），墻底的計算壓應力驗算滿足：計算值=140.003≤2100.000（kPa）;墻底的計算拉應力驗算滿足：計算值=7.0744280.000（kPa）;墻底的計算剪應力驗算滿足：計算值=3.395≤110.000（kPa）。

6.整體穩定性驗算

最不利滑動面：實際的圓心位置（0.00000.-0.58333）。計算半徑=4.20380（m），整體穩定安全系數=2.036.經驗算，墻體的整體穩定性滿足：最小安全系數=2.036≥1.250。

（三）地震工況

先計算土壓力，經過驗算得高度取4.110（m）時，計算出來的庫侖主動土壓力最接近實際，計算以實際墻背為基礎，第1破裂角為25.452（度），Ea=64.453（kN），EX=53.308（kN），EY=36.227（kN），作用點高度Zy=1.370（m），經過計算，發現不存在第二破裂面。墻身截面積=5.576（m²），質量=128.248（kN），墻面整體地震力=3.206（kN），作用點距墻頂高度=2.255（m）。

1.滑動穩定性驗算

基底摩擦系數=0.500.基底傾斜角度=16.699（度），IVn=122.839（kN），En=50.939（kN），Wt=36.852（kN），Et=43.721（kN），滑移承載力=56.514（kN），抗滑承載力：88.772（kN），經驗算，滿足：Kc1=1.571>1.100。

2.傾覆穩定性驗算

計算重力式擋土墻相對于墻腳處的發生傾覆以及倒塌穩定性，傾覆產生的力矩=44.509（kN-m）用于抗傾覆力矩=167.315（kN-m），傾覆穩定性驗算滿足：Ko=3.759>1.200。

3.地基應力及偏心距驗算

作用于地基處基礎底面的總體豎向力=173.778（kN），作用于墻腳處的總彎矩=122.806（kN-m）;地基基礎底面的寬度B=2.297（m），地基基礎偏心距e=0.442（m）;地基基礎底面的合力作用點距離基礎底角處的距離Zn=0.707（m）;地基基底的壓應力：趾部=163.937.踵部=0.000（kPa）;作用于地基基底合力產生的偏心距驗算安全滿足：e=0.442≤0.200x2.297=0.459（m）;墻底角處地基的承載力安全驗算滿足：壓應力=163.937≤390.000（kPa）;墻底角處地基承載力安全驗算滿足：壓應力=0.000≤422.500（kPa）;地基的基底平均承載力安全驗算滿足：壓應力=75.659≤325.000（kPa）。

4.基礎強度驗算

地基基礎采用的是自然基礎，可不做強度檢驗計算。

5.墻底截面強度驗算

作用在安全驗算截面的總豎向力=147.777（kN），作用在墻腳處下點的總體彎矩=98.224（kN-m），相對于驗算截面外邊緣。合力作用力臂zn=0.665（m），墻底截面的計算寬度為B=2.200（m），偏心距e1=0.435（m）;墻底截面的計算偏心距驗算滿足：e1=0.435≤0.400x2.200=0.880（m）;墻底截面上的計算壓應力：面坡=146.920（kPa），背坡=-12.578（kPa）;墻底的計算壓應力驗算滿足：計算值=146.920≤3150.000（kPa）;墻底的計算拉應力驗算滿足：計算值=12.578≤280.000（kPa）;墻底的計算剪應力驗算滿足：計算值=-1.370≤110.000（kPa）。

6.整體穩定性驗算

最不利滑動面實際的圓心位置（O，00000.-0.58333），計算半徑=4.20380（m），整體穩定安全系數=1.979.地震作用的下滑承載力：3.453（kN）。經驗算，整體穩定性滿足：最小安全系數=1.979≥1.250。

（四）不同工況下最不利結果

1.滑移穩定性驗算

安全系數最不利情況為：組合A（一般工況），抗滑承載力：87.994（kN），滑移承載力=51.020（kN）;地基土層水平向：經驗算，滑移滿足：KC2=1.725>1.300。

2.傾覆穩定性驗算

安全系數最不利情況為：組合B（地震工況），傾覆力矩=44.509（kN-m），抗傾覆力矩=167.315（KN-m）。經驗算，傾覆滿足：KO=3.759>1.200。

3.地基驗算

作用于基礎基底的合力偏心距安全驗算最不利情況為：組合B（地震工況），作用于基礎基底的合力偏心距安全驗算滿足：e=0.442≤0.200x2.297=0.459（m）;墻腳處地基承載力安全驗算最不利情況為：組合A（一般工況），墻腳處地基承載力安全驗算滿足：計算壓應力=154.173≤312.000（kPa）;地基平均承載力安全驗算滿足：計算壓應力=74.323≤260.000（kPa）。

4.基礎驗算

地基基礎采用的是自然基礎，可不做強度檢驗計算。

5.墻底截面強度驗算

截面上偏心距驗算最不利情況為：組合A（一般工況），截面上偏心距驗算滿足：e1=O，406≤O，300x2.200=O，660（m）;墻底截面壓應力安全驗算最不利情況為：組合A（一般工況），墻底截面壓應力安全驗算滿足：計算值=140.003≤2100.000（kPa）;墻底截面拉應力安全驗算最不利情況為：組合B（地震工況），墻底截面拉應力安全驗算滿足：計算值=12.578≤280.000（kPa）;墻底截面剪應力安全驗算最不利情況為：組合B（地震工況），墻底截面剪應力驗算滿足：計算值=-1.370≤110.000（kPa）。

6.整體穩定性驗算

整體穩定性驗算最不利情況為：組合B（地震工況），經驗算，整體穩定性滿足：最小安全系數=1.979≥1.250。

五、總結

重力式擋土墻≥在變電站工程中得到廣泛的應用。但需要按照不同的地質情況選擇不同設計參數，因此應加強對重力式擋土墻設計參數的理解和應用。根據不同的工程狀況選擇合理的擋土墻。本文主要介紹了擋土墻的基本原理和分類，同時通過具體實例驗算了重力式擋土墻在三種工況的受力狀態。