水工建筑物擋土墻選型研究

于軍濤

（開封市汴龍勘察設(shè)計(jì)中心）

1 工程概況

河南省三義寨引黃灌區(qū)位于河南省東部黃淮平原，在東經(jīng)114°10′49″～116°7′46″，北緯34°3′36″～34°58′17″之間，地域涉及蘭考縣、開封市的開封縣、杞縣以及商丘市的民權(quán)縣、寧陵縣、睢縣、虞城縣、梁園區(qū)、睢陽(yáng)區(qū)等十縣兩區(qū)。目前，總土地面積4 344.20 km2，其中耕地面積27 萬(wàn)hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積為21.73 萬(wàn)hm2。崔林河整修19.34 km，蘭開分干渠4條支渠渠道全斷面襯砌9.69 km，蘭杞干渠混凝土護(hù)坡4.88 km，蘭杞干渠與王和砦支渠管理道路混凝土硬化共5.61 km，重（新）建各類建筑物134座，其中，水閘13座，斗門69座，生產(chǎn)橋52 座。根據(jù)實(shí)際渠道形態(tài)，安排本次渠道混凝土護(hù)坡工程為王和砦支渠和小丁寨支渠，渠道全斷面襯砌工程為大丁寨支渠和應(yīng)城府支渠。設(shè)計(jì)采用現(xiàn)澆C20混凝土，襯砌高度為設(shè)計(jì)水深加0.30 m超高，襯砌厚度為8 cm，坡頂、坡底均設(shè)齒墻，沿水流方向每5 m設(shè)一道橫向伸縮縫，伸縮縫縫寬2 cm，填縫材料為PE閉孔泡沫塑料板。

2 水工建筑物擋土墻型式

根據(jù)工程區(qū)實(shí)際情況，可以選擇重力式擋墻、懸臂式擋墻等形式，按照所使用材料的不同又可以分為毛石、磚砌、（鋼筋）混凝土等，具體形式應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際、地質(zhì)條件、材料供應(yīng)、施工技術(shù)、造價(jià)等選擇。

2.1 方案一：重力式擋墻

重力式擋土墻是以毛石、塊石為砌筑材料，整體澆筑或預(yù)制混凝土砌筑而成的梯形擋墻結(jié)構(gòu)，借助自身重力抵擋土壓力，結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單、施工便捷、取材方便，應(yīng)用廣泛。重力式擋墻尺寸并不固定，其墻面胸坡坡度和背坡坡度比為1∶0.20～1∶0.30，依據(jù)墻背傾角可進(jìn)一步分為豎直、仰斜及俯斜等型式，考慮到土壓力隨擋墻墻背坡度的減緩而減小，應(yīng)優(yōu)先選用仰斜重力擋土墻，少用俯斜重力擋墻。考慮到重力式擋墻墻體穩(wěn)定和施工的便捷性，應(yīng)盡量保持墻面與墻背的平行，墻背背坡坡度至少為1∶0.25。隨著墻身高度的增加，基底壓應(yīng)力逐漸成為控制截面尺寸的關(guān)鍵因素，為了將地基壓應(yīng)力控制在承載力范圍，必須在墻底加設(shè)抗傾覆穩(wěn)定性能良好的墻趾臺(tái)階，以砌體剛性角為依據(jù)確定墻趾高寬度比，石砌圬工不超過(guò)35°，混凝土不超過(guò)45°。為抵擋墻后土壓力，重力式擋墻必須結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)要求，保證擋墻沿基底滑動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行地基繞墻趾轉(zhuǎn)動(dòng)及承載力傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算。重力式擋墻墻底埋深應(yīng)至少為5 m，基底按反坡設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)墻底抗滑能力，當(dāng)重力式擋墻墻高超過(guò)5 m時(shí)，為保證擋墻穩(wěn)定，必須增加材料用量、增大墻體重量，不經(jīng)濟(jì)。

2.2 方案二：錨定式擋墻

錨桿擋墻由預(yù)制鋼筋混凝土墻板、錨桿、立柱及擋板等構(gòu)成，通過(guò)鉆孔灌漿、預(yù)埋及擰入等方式設(shè)置錨桿，并由錨桿發(fā)揮將墻體所承受土壓力傳遞至土體內(nèi)部的作用，以維持擋墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在主動(dòng)狀態(tài)滑動(dòng)面之外的錨固段長(zhǎng)3～7 m，并以錨桿擋墻作為邊坡及深基坑坑壁支護(hù)。

2.3 方案三：薄壁式擋墻

薄壁式擋墻屬于輕型擋墻型式，包括懸臂式和扶壁式兩種。擋墻墻高超過(guò)5 m 后其穩(wěn)定性的維持主要依靠墻踵懸臂及以上土體重量，并在墻體內(nèi)設(shè)置承壓鋼筋，采用鋼筋混凝土懸臂式擋墻結(jié)構(gòu)。擋墻墻高超過(guò)10 m 后，墻壁承受彎矩及所產(chǎn)生的撓度增大，考慮到經(jīng)濟(jì)合理性應(yīng)選擇扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)。為提升擋墻抗傾覆能力和抗滑移效果，伸入墻內(nèi)的底板寬度應(yīng)為墻外預(yù)留寬度的1.50～2.00 倍，按照混凝土結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行墻壁底板受力計(jì)算。薄壁式擋墻墻高超過(guò)10 m 后為控制造價(jià)，應(yīng)沿墻身縱向按墻高0.30～0.60 倍的間隔設(shè)置扶壁，扶壁底部伸入土體的寬度為墻高的1/3，并將墻身和墻踵作為三邊固定板進(jìn)行扶壁式擋墻設(shè)計(jì)。薄壁式擋墻與重力式擋墻都是依靠自身重力實(shí)現(xiàn)墻體的穩(wěn)定，踵板上的填土重力進(jìn)一步增強(qiáng)了墻體的穩(wěn)定。薄壁式擋墻結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單、墻身小、強(qiáng)度性能優(yōu)越。

2.4 方案四：加筋土擋墻

土體側(cè)壓力分布于加筋土擋墻墻背填土，土與拉筋之間存在摩擦，為控制土體變形及改善工程性能，在擋墻內(nèi)加入拉筋，通常應(yīng)用于平坦寬闊的填方路段，不適用于地形陡峭的山坡及挖填方路段。加筋土擋墻具有較好的抵抗地震性能，墻體輕型小巧，美觀，造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 擋土墻型式比選

以上四種擋土墻結(jié)構(gòu)型式在三義寨引黃灌區(qū)渠道工程中都較為適用，擋墻填筑砌筑材料可在工程區(qū)沿線河床就近采集獲取，填筑砂礫石料各項(xiàng)指標(biāo)及儲(chǔ)量均符合工程設(shè)計(jì)質(zhì)量指標(biāo)。

從技術(shù)角度比較，重力式擋墻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗泥石流沖擊性能好，但墻身斷面大，圬工量較大、對(duì)基礎(chǔ)條件要求高。錨定式擋墻較重力式擋墻墻身斷面小，具有一定抗凍脹、抗?jié)B能力，結(jié)構(gòu)輕巧，圬工量小、施工更簡(jiǎn)單，工期更短等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但由于錨桿墻面板較薄，相對(duì)抗沖擊、抗凍脹性能稍差。薄壁式擋土墻整體性、抗沖擊、抗凍脹較重力擋土墻、錨桿擋土墻性能好，但其為透水襯砌，適用于河道縱坡緩、流速小、防滲要求不嚴(yán)格、地下水位埋深較淺、不便于展開襯砌施工、要求河道內(nèi)的水能滲到河道外，同時(shí)河道外的水也能滲流到河道內(nèi)的河段。

從經(jīng)濟(jì)角度比較，三義寨引黃灌區(qū)渠道重力式擋墻工程單位投資1 787.50元/延米，錨桿式擋墻單位投資為2 468.50元/延米，薄壁式工程單位投資為1 844.10 元/延米，加筋土擋墻單位投資為2 069.30元/延米，因此，從經(jīng)濟(jì)角度，重力式擋墻造價(jià)最低。水工建筑物擋墻結(jié)構(gòu)型式方案比選詳見(jiàn)表1。

表1 水工建筑物擋墻結(jié)構(gòu)型式方案比選表

綜合比較后推薦重力式擋土墻方案，為防止因地基不均勻沉降而導(dǎo)致?lián)鯄ι沓霈F(xiàn)裂縫，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，必須根據(jù)工程地質(zhì)條件及擋墻斷面型式設(shè)置沉陷縫，為防止砌體收縮變硬及溫度變化引發(fā)裂縫的產(chǎn)生，還應(yīng)設(shè)置伸縮縫，本工程擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將伸縮縫和沉陷縫合并設(shè)置，沿?fù)鯄S線方向間隔15～20 m 設(shè)置。灌區(qū)渠道重力式擋墻受地基所承受承載力的限制，出于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等方面的考慮，應(yīng)將擋墻高度控制在6 m以內(nèi)。

4 結(jié)論

水工建筑物擋土墻具有防止邊坡填土和土體失穩(wěn)、穩(wěn)固坡體等作用，水利工程擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，對(duì)于大型水利工程其設(shè)計(jì)優(yōu)化常常被忽略，但是設(shè)計(jì)出既符合工程實(shí)際又具有經(jīng)濟(jì)合理性的水工擋墻卻存在一定難度。在水利工程實(shí)際應(yīng)用中，水工建筑物擋土墻應(yīng)力分析與一般擋土墻不同，水工建筑物擋土墻斷面布置必須充分考慮實(shí)際工況、實(shí)際土壓力及浸水對(duì)擋墻土壓力的影響。三義寨引黃灌區(qū)渠道工程運(yùn)行以來(lái)，擋土墻水工建筑物在灌區(qū)水利工程順利運(yùn)行方面發(fā)揮著十分重要的作用。