某既有防洪擋土墻加固方案研究

李 星，李方芳

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院有限公司，重慶 401120)

某既有防洪擋土墻位于水庫下游，防洪擋土墻墻體較高，現狀墻體瘦薄，建成運行數年后，局部墻體已出現險情，存在較大安全隱患。本文結合工程地質水文地質條件和擋墻病害特征，運用聯合支擋結構設計理論，優化設計參數組合，通過計算表征擋墻安全性能的工程參數，對比分析加固措施前后擋土墻，驗證了加固措施的可靠性。

1 工程概況及擋土墻病害特征

1.1 工程概況

某工程段防洪擋土墻位于河道的左岸，距離上游水庫壩體約500 m處，防洪擋土墻長670 m，防洪為集鎮建設開發項目附屬工程。防洪擋土墻建成后，常年受洪水沖刷影響，墻體沿岸出現局部墻身變形、鼓包、裂縫等病害特征，存在較大安全隱患。擋土墻保護鄉鎮防洪標準為20年一遇，堤防工程主要建筑物級別為4級，次要建筑物為5級。

1.2 擋土墻現狀問題

(1)防洪擋土墻現狀墻頂高程不滿足防洪要求，影響保護場鎮行洪安全；

(2)防洪擋土墻現狀出現裂縫、鼓包等不良現象，已建墻體現狀抗滑穩定、抗傾穩定均不滿足規范要求，且墻體提供的抗力嚴重不足；

(3)墻體排水管道堵塞嚴重且分布較少，排水措施不到位，使護岸排水不暢，墻面滲水嚴重，影響護岸結構安全；

(4)擋墻防洪擋土墻建成后期墻頂修建臨河建筑(房屋)距離堤頂過近，已成建筑形成的附加荷載加之已建擋墻上，嚴重影響護岸結構安全。

2 工程布置及加固方案比較

根據地質勘察成果及工程場地條件，結合安全評價鑒定結果，對工程段防洪擋土墻提出格構錨固、原擋墻培厚、樁基承臺式擋墻、抗滑樁三個加固方案進行比較選擇[1]。

方案一：格構錨固+原擋墻培厚

格構錨固：對于墻前覆蓋層較深擋墻段，采用錨桿和混凝土格構梁形成復合加固結構，設計兩排錨桿，錨桿鋼筋束提供受力所需鋼筋截面。

圖1 方案一 擋墻整治典型橫斷面

原擋墻加厚：對于墻前覆蓋層淺基巖出露擋墻段，對現有擋墻迎水面處新建漿砌塊石擋墻，新建擋墻與現有擋墻設插筋加強連接，二者形成復合體聯合受力。

圖2 方案一 原擋墻培厚典型結構圖

方案二：樁基承臺式擋墻

通過設置樁基承臺式擋墻對原擋墻提供抗力改善原擋墻受力情況，設兩排C30鋼筋砼抗滑樁，抗滑樁頂部為L形C25鋼筋砼擋墻，L形擋墻頂部位于原擋墻頂部以下，墻底兼做樁基承臺。

圖3 方案二 擋墻整治典橫斷面型圖

方案三：抗滑樁

設兩排C30鋼筋砼抗滑樁，抗滑樁置于基巖下，并用C25鋼筋砼擋土板連接，擋土板底部置于沖刷深度以下，擋土板之間用砂礫石回填，樁與墻之間、樁與樁之間用C25鋼筋砼桁架梁連接聯合受力。

圖4 方案三 擋墻整治典橫斷面型圖

表1 三種加固方案綜合比較表

綜上，方案一、方案二、方案三對原擋墻受力情況都能得到很好改善，方案一在投資方面優勢明顯，故本階段推薦方案一，即采用格構錨固結構型式和原擋墻培厚對原防洪擋土墻分段進行加固。

3 格構錨固防洪擋土墻結構設計計算

3.1 擋墻穩定計算

擋土墻采用庫侖土壓力理論進行計算，計算基底應力、穩定驗算及上墻截面驗算都采用容許應力理論。

(1)作用在擋土墻上的荷載及其組合

1)作用在擋墻上的荷載

各種荷載主要有：擋土墻自重及填土重、擋土墻墻后填土破裂體范圍內的各種恒載及人群等臨時活荷載、土壓力、靜水壓力、揚壓力、浪壓力。

2)計算工況及荷載組合

重力式擋墻在中、枯水位下穩定最差，計算工況選擇設計洪水位驟降0.5 m～1 m，設計枯水位以及不利中水位三種情況[2]。同時結合工程實際情況，確定以下三種計算工況，即基本組合：工況1、工況2；特殊組合：工況3。

正常運用情況：

工況1：正常運行工況，設計洪水位下的穩定滲流期或不穩定滲流期的背水側堤坡。

工況2：設計洪水位驟降期的臨水側堤坡。

非常運用情況:

工況3：施工期(含竣工期)的臨水、背水側堤坡。

(2)計算參數

1)原擋土墻參數如下：

擋土墻重度r=22 kN/m3，砂卵石土基底摩擦系數取0.4，地基承載力特征值350 kPa；基巖基底摩擦系數取0.4，地基承載力特征值800 kPa。

2)擋土墻的抗滑穩定驗算

穩定驗算(抗剪公式)采用如下公式計算:

(1)

3)擋土墻的抗傾覆穩定驗算

抗傾覆穩定驗算按下列公式計算:

(2)

(3)計算結果分析

根據實測斷面，本工程原擋墻格構錨固段選取巖石基礎上擋墻最高斷面和卵石土上擋墻最高斷面為標準斷面。對擋墻整治前后按照規范分別進行各種工況的結構計算，計算結果詳見計算成果表2，計算結果表明各標準斷面整治措施滿足抗傾、抗滑穩定要求。

表2 格構錨固擋墻段穩定計算成果表

本工程原擋墻培厚段選取巖石基礎上擋墻最高斷面9 m和最矮斷面6 m為控制斷面，對擋墻整治前后按照規范分別進行各種工況的結構計算，計算結果詳見計算成果表3，結果表明各控制斷面整治措施設計合理，滿足抗傾、抗滑穩定要求。

表3 擋墻培厚段穩定計算成果表

3.2 格構錨固框架梁配筋計算

根據靜力平衡條件，集中力F可以分為作用在橫梁上的Fx和作用在縱梁上的Fy，橫縱方向均為多跨連續梁。橫縱方向的分力Fx、Fy依據文克勒彈性地基梁計算[3-5]，公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

經計算，Fx=0.5F，Fy=0.5F，錨桿軸向力與擋墻墻面夾角為14.29°，錨桿設計拉力值為500 kN，故Fx=Fy=242.17 kN。

計算彎矩和剪力，進行配筋計算。本工程格構橫梁取10 m橫梁段作為橫向典型梁進行計算，同時取長度最短即最不利的縱向梁作為典型梁進行計算，長度為4.8 m，計算時考慮荷載分項系數為1.20，受力圖見圖6。

圖5 橫向梁受力圖

圖6 縱向梁受力圖

經計算，縱向梁最大彎矩為242.17 kN·m，橫向梁最大彎矩為72.64 kN·m。縱向梁最大剪力為193.74 kN，橫向梁最大剪力為145.30 kN。故用取彎矩為242.17 kN·m、取剪力為193.74 kN進行配筋計算，公式如下：

as=KM/fcbh02

(7)

(8)

(9)

計算得As=1926.89 mm2，故選用鋼筋4根B25鋼筋，實際配筋受拉鋼筋配筋面積1964 mm2。

斜截面承載力抗剪計算：

根據規范要求，矩形截面受彎桿件，其受剪截面應符合下列要求。

hw/b≤4.0時，KV≤0.25fcbh0

(10)

hw/b≥6.0時，KV≤0.2fcbh0

(11)

計算得KV=222.80 kN≤0.25fcbh0=786.5 kN，故截面滿足構造要求。

根據規范要求，對于僅配有箍筋的矩形截面受彎桿件，其斜截面受剪承載力應該符合下列規定[6]：

KV≤Vc+Vsv

(12)

Vc=0.7ftbh0

(13)

Vsv=1.25fyvAsvh0/s

(14)

計算得KV=222.80 kN>Vc=213.36 kN，故對格構梁選配箍筋，計算得Vc+Vsv=373.06 kN>KV=222.80 kN，滿足規范要求。

3.3 錨桿設計分析

(1)錨桿桿體截面面積計算

根據《巖土錨桿(索)技術規程》，錨桿桿體截面面積應按下式確定[7]：

(15)

本工程設計采用HRB500熱軋鋼筋，取值435 N/mm2。

(2)錨桿錨固長度計算

1)錨桿的桿體截面面積計算

根據《巖土錨桿(索)技術規程》(CECS 22：2005)，錨桿桿體截面面積應按下式確定：

(16)

計算得本工程錨桿桿體截面面積至少為1839.08 mm2，故選用3根C28 HRB500滿足要求。

2)錨桿錨固長度計算

根據《巖土錨桿(索)技術規程》(CECS 22：2005)，錨桿或單元錨桿的錨固段長度可按下式估算，并取其中的較大值：

(17)

(18)

經計算，La>5.84 m且La>2.98 m，因此，綜合考慮，加固擋墻錨桿錨固段設計長度取為6 m。

4 結論

本文通過技術經濟比較確定了采用格構錨固結構型式和原擋墻培厚對原防洪擋土墻分段進行加固的組合加固方案。對加固后的防洪擋土墻進行抗滑穩定、抗傾穩定計算，計算結果表明抗滑穩定、抗傾穩定都得到大幅度提高，滿足規范要求。同時對混凝土格構梁、錨桿進行結構計算，結果表明混凝土格構梁配筋率適中，錨桿錨固長度在規范規定長度范圍內，能為已建防洪擋土墻提供足夠的抗力。加固后的既有擋墻受力情況得到很好的改善，穩定性得到提高，加固方案經濟合理。