G318 國道拉薩段重力式擋土墻墻背穩定性優化設計

王亞萍 倪 帆 旺 久 陳 昊

（西藏大學工學院，西藏 拉薩 850000）

拉薩所處地區又不同于其他地區，高寒、干燥，溜砂坡這種高原特有易失穩的一種坡體在這里尤為常見。拉薩地處青藏高原，也決定了公路兩旁地質及自然災害不同于內地。所以找出帶渡槽口散粒體擋土墻的不足，提出多閘門式有渡槽口擋土墻概念。對于溜砂坡特有的流動性，現有一種帶有渡槽口的溜砂坡擋土墻[1]。

通過對G318 國道拉薩段有渡槽口擋土墻的調研和研究[2]，并結合力學分析找出其防治邊坡失穩的不足并通過建造物理模型從而改進渡槽口擋土墻，提高重力式擋土墻的使用效率和年限，可以更好的防治邊坡失穩，為拉薩市的道路安全提出一些實質性的建議。

溜砂坡是在干熱河谷路段，由于氣候干燥，陡峭山坡坡面植被很差，在物理風化作用和冰雪機械作用下，形成大量疏松砂石[3]，在重力作用下不間斷地沉積于坡腳形成。國道G318 西藏境內路段溜砂坡的頻發，對過往車輛、行人、道路邊坡植被和生態恢復造成嚴重危害，嚴重影響了道路的正常運營。

1 重力式擋土墻的工作原理及缺陷

1.1 重力式擋土墻的工作原理

G318 道路沿線中使用最多的為重力式擋土墻。重力式擋土墻是以自身重力來維持擋土墻在溜砂坡作用下的穩定。由于石塊間空隙被漿水充塞密實，因而擋墻具有更好的整體性、密實性和強度，可以防止擋墻墻體滲水漏水，增加擋墻抵抗侵蝕的能力。[12]

1.2 重力式擋土墻的缺陷

經實地考察G318 國道拉薩段發現該種重力式擋土墻在選擇適宜的砂坡對象、選擇合適的相關材料以及重力式擋土墻的施工工藝等方面存在諸多問題。例如擋墻的透水性能較低、在擋墻的設計時要加設導滲濾管，擋墻也存在著砂體溢出、片石松動、墻體被沖斷等實際問題[4]。

國道G318 拉薩段使用最頻繁的是使用當地石塊修筑的簡易式重力式擋土墻。這種擋土墻想要在不破壞擋墻的情況下來清理砂粒很難，山體滾下的沙粒會對墻體產生沖撞并將墻體破壞修筑擋墻的石塊為高原石塊，高原石塊的本身材質為砂質土，酥松多孔。石塊與石塊之間黏合度也低，整體牢固性并不強。背面遇流水沖刷或砂體流動沖刷，受損較嚴重；其受流水或者受砂體沖刷時背面會暴露在空氣里，石塊也大面積的暴露出來；在光照和風化作用或者二次受到流水沖刷等作用下，受損破壞程度會更加嚴重[5]。擋墻的上部遭遇損壞，以及兩石塊接觸面斷開；上部擋土墻厚度較薄，并且溜砂坡的砂礫流動性大；并且擋墻背路面沒有采用糊漿，裸露的石塊受到雨水或者溜砂沖刷容易破壞；國道G318 拉薩段附近大部分簡易式重力式擋土墻均采用當地石塊混凝土修筑，由于修筑這些擋墻的大小石塊之間受力不均等也容易造成擋土墻被石塊之間的作用力所破壞。

2 擋土墻改進設計及分析

通過三次對G318 國道拉薩- 日喀則方向的重力式擋土墻的調研，對使用最頻繁的漿砌片式重力式加槽口擋墻進行改進及分析[6]，針對其背部受主動土壓力容易損壞對其背部采用覆水泥處理；針對擋墻縱向橫向在受力后易斷裂，采用加扶壁并用混凝土或磚混結構處理，在擋墻上加鋼閘門來減輕擋墻壓力。

2.1 擋土墻的改進設計

圖1 安裝排水管和背部平整處理圖

擋土墻內應具有防水排水系統來排除擋墻后的積水，通過降低積水量來減少墻體受到的土壓力和溜砂坡的沖擊力，提高抗剪強度指標。國道G318 拉薩段的氣候較特殊，降水稀少，日照時間長，故根據氣候條件選定的排水孔尺寸為直徑5-10cm 的圓孔，泄水孔間距為2m。

原擋墻背部的石塊裸露在外面，容易受到溜砂沖毀破壞；對其原擋墻的背部采用覆水泥漿澆灌來處理，水泥漿由水、水泥、外加劑和外摻料組成，將外加劑與外摻料水泥漿的是為了調節水泥漿性能。擋墻的粗糙程度和不均勻性將直接影響到主動土壓力的大小和作用方向，裸露的石塊層次不平，受壓力較大，采用覆水泥處理后，擋墻與填土面的之間更為平滑，摩擦力減小，現擋墻可以平整受力[7]，能減少不均受力對擋墻背部石塊的破壞，使得擋墻的整體性加強，抵抗水、砂沖刷擠壓的能力增強。再加排砂管排砂，減輕了擋墻所受到流砂的壓力，延長了重力式擋土墻的使用年限。

圖2 加扶壁圖

原擋墻石塊砌筑整體性不強，擋墻的縱向橫向受力后都容易斷裂。為了防止擋墻撓度較大，增強擋墻的抗彎抗滑性能，扶壁間距約為1.5m。添加混凝土或磚混結構的m 壁使得擋墻的整體性增強，擋墻從上至下抵抗土動力壓力能力增大，可以更好的抵抗溜砂坡的沖擊，原擋墻中上部抗破壞能力不強，在遇到流砂的沖擊，擋墻會出現裂縫甚至破損，在增加扶壁后擋墻中上部會變得更加穩靠。

圖3 加閘門圖

在扶壁之間的孔隙增加鋼制閘門，鋼閘門簡單方便容易大批量生產，我們選擇好優質鋼材后再在其表面噴沙除銹及熱噴鋅，鋼閘門的結構堅硬，耐磨耐腐蝕，后期也方便維修。進行在人工采砂的過程中打開鋼制閘門可以使采砂過程變得更加快速簡便，另一方面鋼制閘門可以讓擋墻變得更加穩固，鋼制閘門有著重量輕、止水性好、使用壽命強、可雙向承壓受力等條件，增加鋼制閘門同樣可以排水排砂，從而來減輕溜砂對擋墻的作用力，使得擋墻在受到溜砂的作用下可以保持擋墻的完整性。

2.2 優化后的擋土墻的受力分析

主動土壓力是指擋墻受到自內外移動，使墻后的土體應力狀態達到主動極限平衡狀態時，填土作用在墻背的土壓力[8]。主動土壓力是檢驗擋墻穩定性的一條重要性指標，將重力式擋土墻進行主動土壓力分析，對比改進前后的分析，可以比較出擋墻的優劣。

2.2.1 背部平整分析

作用在平整光滑墻面的主動土壓力要比作用在粗糙墻面上的主動土壓力要小，當墻面平整光滑時，主動土壓力的作用方向和墻面相垂直，而當主動土壓力作用在粗糙面時，墻面法線則和作用方向有一定的角度δ（和墻面與填土的角度相同）[9]。

Kα的常見計算公式為：

Kα——用來表示主動土壓力系數；φ——墻后填土的內摩擦角；α——墻背的傾斜角，即為墻背與垂直線之間的夾角，以垂直線為準，逆時針方向墻后轉為正；β——表示墻后填土表面的傾斜角；δ——墻背與填土之間的摩擦角，被稱外摩擦角。

經過調研后所測量擋墻的高度H 取5m，假設墻后填土的重度γ 取20kN/m2砂石及砂礫石φ≥35°，溜砂坡屬于砂及砂礫石，φ 取35°；經過多次調研，該路段擋土墻墻背接近于垂直，于是我們將α 取0°；理想狀態下，擋土墻所擋溜砂坡的坡角為45°，β 取45°。

背部平整前，當土的內摩擦角φ=35°時，若δ 取15°，Kα=0.422

背部平整后，當土的內摩擦角φ=35°時，若δ 取0°，Kα=0.412

經過多次數據驗算我們可得：隨著填土與地面的摩擦角δ 的增大，主動土壓力系數Kα逐漸減小。

故采用覆水泥處理使之變得更為平整后，摩擦力減小，平整受力，能減少不均受力對擋墻背部石塊的破壞，增強擋土墻在抵抗水、砂沖刷擠壓時的整體性能。

2.2.2 主動土壓力對比

Eα主動土壓力的計算公式為：

Kα的常見計算公式為：

經過對擋土墻的優化，進行覆水泥漿平整背部墻面，加扶壁，并且增加特質鋼制閘門后，對比了擋土墻所受的主動土壓力。

優化前的擋墻經過計算可得，Kα=0.645，Eα=93.23（KN）。

優化后的擋墻經過計算可得，Kα=0.553，Eα=85.42（KN）。

當擋土墻增加扶壁后擋墻更加整體化，從而外摩擦角δ 大，主動土壓力系數也減小，所承受的主動土壓力也便減小。增加擋土墻的鋼制閘門來排砂，墻后的砂重度γ 減小，作用在墻背上的總土壓力Eα減小，擋墻承受的土壓力減少，擋墻更為穩定。

2.2.3 擋土墻抗傾覆穩定性

擋土墻抗傾覆穩定安全系數為

傾覆力矩

[Ky]=1.6

經計算可得優化前Ky=3.45，優化后Ky=2.94。

Ky——擋土墻的抗傾覆穩定安全系數；My- 作用在擋土墻上的抗傾覆力矩，kN·m；Mc——作用在擋土墻上的傾覆力矩，kN·m；[Ky]- 滿足擋土墻抗傾覆穩定性安全要求的最小安全系數;H- 擋土墻的高度，m；P0——擋土墻處在靜止狀態時作用在擋土墻上的土壓力；Pa——擋土墻處在主動極限平衡狀態時作用在擋土墻上的土壓力,kN；Ga- 當擋土墻處在極限平衡狀態時。擋土墻墻體及其上填土的重量，kN；W0- 擋土墻剖面的墻體自重，kN。根據擋土墻形狀和鋼閘門的面積取單位厚度進行其自重W 的計算，作用點在墻體重心上，方向豎直向下，鋼的重量為7.85g/cm3，漿砌石的重量為23kN/m3，則優化前漿砌石的重量為 Wa=285.9kN， 優化后Wb=W1+W2+W3=312.95kN。

由擋土墻抗傾覆穩定性計算[10]可得，平整背部、加扶壁和開閘門的優化能使擋墻的整體性增強，從而增強擋墻的穩定性。

2.3 優化后擋土墻的優勢

從材料上來分析，擋土墻所需的材料基本不變。只是增加了少量片石水泥的使用量，局部使用鋼制閘門，所用的材料都因地制宜，制作擋墻的為石塊為高原當地豐富的塊石，所需的成本并不大。材料基礎為擋墻的修筑提供了保障，除鋼制閘門外，擋墻的重量基本保持不變，為墻體的安全性提供了基礎；從結構上來分析，墻體的結構基本保持原有不變，只是增加閘門和扶壁，而扶壁的肋板進行基礎現澆[11]，外形美觀、體積小、自重輕，施工難度幾乎沒有增大，對原有改進破壞程度低，現實可操作性大；從重力式擋墻的缺點來分析，重力式擋墻需利用擋墻自重來抵抗溜砂的沖擊，故擋墻體積較大，占地面積大，而近些年災害頻發，為了防治災害的發生我們需對已有的擋墻進行升級，而采用本文提出的方法可以方便快捷的對擋墻進行完善；從整體性能上來分析，擋墻的整體結構更為穩固[12]，抵抗破壞能力變強，對于溜砂坡的防治效果變得更為顯著，可以較為輕松的排除砂粒，使得工人們的操作工作量減輕，人工負擔減輕，維護費用以及維修時間降低。

2.4 結論

發現在選擇合適砂坡對象，選擇的材料，施工工藝等方面存在諸多問題，在對進行安裝排水管以及背部平整處理和在墻壁加扶手、閘門等措施對擋墻進行優化并根據力學分析將擋砂墻進行升級優化。

將優化部分系統整理并根據CAD 繪制出來；對其背部采用覆水泥漿處理，使背部平整受力面減小，整體性加強；抵抗水、砂沖刷擠壓能力增強。加排水管排水，減輕了擋墻受到的壓力；加扶壁用混凝土或磚混結構使擋墻整體性大大加強，擋墻從上制下受土壓力能力增大，中上部抵抗破壞能力加強；在扶壁間加閘門，閘門更加穩固。加閘門同樣排水拍砂，減輕擋墻壓力，能夠有效的解決擋墻之前出現的問題。

2.5 總結與不足

2.5.1 通過把G318 國道拉薩段沿線的溜砂坡災害擋砂排砂墻的防治措施類型調查整理分類，發現拉薩段沿線最為常見的是簡易式重力式擋土墻，該種擋土墻是以擋土墻自身重力來維持擋土墻在壓力作用下的穩定，經過三次調研發現該種簡易式重力式擋土墻其中的缺陷，將這幾種缺陷系統整理后，對該種擋土墻進行升級優化并將優化后的模型帶入物理模型中，分析其中的修改前和修改后的優劣性。所以根據此類擋墻所提出理論改進，為今后西藏地區乃至全國高原地區有關溜砂坡的治理和防治措施的改進提供了參考。

2.5.2 在調研G318 國道拉薩段擋土墻的時候，由于是租車前往，所觀察的擋土墻局限于G318 國道周邊的相關擋土墻，有一定的局限性；在完成論文設計的時候因為時間問題沒有將改進后的重力式擋土墻用更專業的軟件所展現出來；同時也沒有更為深入的研究該種擋土墻更多深入的問題，可能分析的問題較為淺顯。