兩級擋土墻在金沙江庫區碼頭工程中應用探討

摘要 兩級擋土墻結構在金沙江庫區碼頭工程應用較多，文章結合兩級擋土墻結構受力的特點，分析了二級擋土墻對一級擋土墻的荷載作用，特別是水平荷載作用所占的比重，并將精確計算結果與簡化計算結果進行比較，提出了計算建議;同時結合現場施工特點，對兩級擋土墻的建設和管理提出了建議措施，可供類似設計借鑒參考。

關鍵詞 庫區碼頭;兩級擋土墻;平臺寬度;簡化計算

中圖分類號 TV223文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2022）11-0082-03

引言

金沙江水庫由于地勢險峻、陸地面積有限，一般采取分層式施工，采用二級或多級式圍護，兩層擋土層的土壓力必須由二級擋土工程按第一層的加載形式進行，然后再按標準的方法進行。該文從二級擋土體對第一擋土墻的影響入手，對其在各種不同載荷中尤其是橫向載荷所占的比例進行了分析。將其與簡支護結構的計算進行對比，提出合理的設計意見，并針對兩層圍護結構的施工與治理問題，給出相應的對策。

1 兩級擋土墻結構形式

如圖1所示，兩級擋土墻結構由下部的一級擋墻（簡稱下墻）和上部的二級擋墻（簡稱上墻）組成，上墻為仰斜式非坦墻重力式擋土墻。為了方便分析上墻結構作用在下墻上的土壓力，減少下墻土壓力的影響因子個數，下墻采用直立墻面，不考慮墻面與回填料間的外摩擦角，不考慮地下水的影響。

2 上墻傳遞荷載分析

根據《碼頭結構設計規范》（JTS 167—2018），計算圖示如圖2。

主動土壓力系數：

（1）

水平主動土壓力系數：

（2）

豎向主動土壓力系數：

（3）

土壓力強度：

（4）

（5）

式中，α——墻背與鉛垂線的夾角，仰斜為正，俯斜為負;φ——填料內摩擦角標準值;δ——填料與墻背的摩擦角標準值，即外摩擦角;β——地面與水平面的夾角。

根據庫侖土壓力原理分析，上墻結構在下墻頂面產生的應力可分為四個部分，如圖3所示。

將上墻看成一個剛體，它與墻后破裂棱體以及破裂面后的土體相互作用，并均處于受力平衡狀態。破裂棱體對上墻作用的土壓力可分解為水平分力和豎向分力，對非坦墻擋土墻，土壓力豎向分力小于土棱體（BEF）的自重，根據受力平衡，破裂棱體作用在BD面上的土壓力豎向分力大于土棱體（BED）的自重。所以假設破裂棱體作用在破裂面后土體的豎向分力集中在破裂棱體投影范圍（BC）內，則BC段土壓力大于γH。破裂棱體投影范圍之外的土壓力取上部土重γH，將土壓力荷載簡化為均布荷載考慮。上墻底部產生的荷載分兩部分，豎向非均布荷載（σmax，σmin）和水平向均布荷載τ。由于上墻為剛體，故豎向荷載可簡化為梯形或三角形荷載[1]。上墻底部水平荷載的反力由下墻墻后土體提供，由于方向朝后，對下墻不產生主動土壓力。

上墻結構作用在下墻頂面的荷載包括以下四部分，上墻墻底豎向荷載（荷載一）、上墻墻底水平荷載（荷載二）、破裂棱體投影范圍內土壓力（荷載三）和破裂棱體投影范圍外土壓力（荷載四）。

3 兩級擋土墻結構計算

3.1 簡化計算方法

3.1.1 簡化模型

常規簡化方法根據平臺寬度D的不同，可分以下三種情況[2]：

（1）D≤（H1+H2）/20。由于臺寬較小，上墻對下墻的作用明顯，此時可將兩級擋土結構簡化為一整體結構，下墻墻后填料破裂面可直接延伸至上墻墻頂。上墻荷載在下墻頂面完全傳遞給下墻，下墻土壓力可按上下墻一體的單級擋土墻計算。

（2）（H1+H2）/20

（3）D>H2tan（45°?φ/2）。此時，二級擋土結構處于下墻墻后填料破裂面之外，二級擋土結構的作用對下墻影響較小。故下墻計算時，可以忽略上墻的作用，單獨進行擋土墻設計。

3.1.2 計算結果

在以上三種情況中，情況（1）計算方法明顯偏于保守，按該方法計算兩級擋土墻安全可靠。在情況（3）中，上下墻土壓力可單獨計算。故只需針對情況（2）對兩級擋土墻進行計算。

針對情況（2）D∈（0.85 m，4.97 m）如圖4所示，對兩級擋土墻計算模型賦予固定的數值。上墻采用5 m高重力式擋土墻（非坦墻）。下墻墻高12 m。回填料為塊石，重度γ=17 kN/m3，黏聚力c=0，內摩擦角φ=45°，回填料與上墻的外摩擦角取0.5φ，回填料與下墻外摩擦角取0，擋土墻重度取23 kN/m3。取臺寬D=0.9 m、D=1.9 m、D=2.9 m三種臺寬工況分別進行計算。

3.2 精確計算方法

3.2.1 荷載對下墻的作用

（1）均布荷載對單級擋土墻的作用，可參照《碼頭結構設計規范》（JTS 167—2018）附錄N計算。

（2）豎向非均布荷載對單級擋土墻的作用。按照庫侖土壓力原理，豎向非均布荷載合力、主動土壓力反力、破裂面處反力，三個荷載受力平衡。三個荷載合力作用點位置如圖5所示，將非均布荷載簡化為均布荷載，同時保證二者合力大小相同，合力作用點位置不變，則二者對擋土墻產生的主動土壓力大小以及主動土壓力合力作用點位置也相同。

（3）上墻墻底水平荷載對下墻的作用。根據《水運工程地基設計規范》（JTS 147—2017）附錄L，水平均布荷載對下墻的作用可參照水平均布荷載附加應力的計算方法[3]，水平均布荷載附加應力圖如圖6，并通過積分求得水平力和傾覆力矩[4-5]。393DC7A6-73D0-4407-B136-863B4F457AFF

附加應力系數：

（6）

附加應力：

（7）

水平均布荷載對下墻產生的水平力：

（8）

水平均布荷載對下墻產生的傾覆力矩：

（9）

式中，τ——水平均布荷載;Z——深度;m——系數，m=x/B;n——系數，n=Z/B;σz——水平附加應力;z0——下墻深度。

3.2.2 計算結果

采用與簡化方法相同的計算模型和工況，按實際受力情況計算上墻傳遞的四部分荷載以及上墻傳遞荷載和下墻墻后填料對下墻產生的水平力和傾覆力矩。比較計算結果可知，對下墻滑移穩定，下墻墻后填料的影響約占60%～70%，上墻荷載的影響占30%～40%左右。臺寬越大，下墻墻后填料土壓力的影響也越大。上墻荷載對滑移穩定的作用影響最大的是上墻傳遞下來的豎向荷載（荷載一），所占比值超過其他三個荷載作用的總和。上墻墻后填料傳遞下來的土壓力（荷載三+荷載四）和上墻傳遞的水平荷載（荷載二）對滑移穩定的影響相對較小，且臺寬越大，二者對滑移穩定的影響也越小。

對下墻傾覆穩定，下墻墻后填料的影響約占50%～70%，上墻荷載的影響占30%～50%左右。臺寬越大，下墻墻后填料的影響也越大。上墻荷載對傾覆穩定的作用，影響最大的是上墻傳遞下來的豎向荷載（荷載一），所占比值超過其他三個荷載作用的總和。上墻墻后填料傳遞下來的土壓力（荷載三+荷載四）和上墻傳遞的水平荷載（荷載二）對傾覆穩定的影響相對較小，且臺寬越大，二者對傾覆穩定的影響也越小。

另外，下墻的整體穩定（滑移穩定和傾覆穩定）亦受上下墻墻高比H1/H2的影響，上下墻墻高比的比值越小，下墻墻后填料的影響就越大，上墻結構對下墻的影響就越小。

3.3 簡化計算方法與精確計算方法比較

按精確計算方法計算下墻所受荷載與按簡化計算方法計算下墻所受荷載進行比較，如表1所示。

表1的計算結果中，上墻是仰斜式非坦墻重力式擋土墻。簡化方法計算的水平力大小與精確方法計算結果相差不大，整體上簡化方法計算結果略有偏小，局部工況有略微偏大現象。

4 結語與建議

（1）兩級擋土墻下墻土壓力計算中，對下墻整體穩定影響較大的是下墻墻后填料的作用以及上墻墻底傳遞的豎向荷載。

（2）適當增加臺寬，可以有效減小兩級擋土墻中下墻的土壓力。

（3）對兩級擋土墻下墻土壓力計算宜按精確方法計算，考慮上墻傳遞水平荷載的作用，并以上墻后趾為界，將豎向荷載簡化為兩個均布荷載。

（4）擋土墻的建設和管理中采取切實可行措施，可提高使用安全及耐久性。

參考文獻

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[2]黃觀幸. 水利工程中擋土墻的設計應用[J]. 河南水利與南水北調， 2017（12）： 80-82.

[3]田進. 論水利工程擋土墻的設計與施工[J]. 江西建材， 2015（21）： 133+135.

[4]孫敬雅. 水利工程中擋土墻的設計應用[J]. 中外企業家， 2014（27）： 244.

[5]馬彥君. 試探水利工程擋土墻的設計[J]. 農業科技與信息， 2009（6）： 48.

收稿日期：2022-04-16

作者簡介：段家紅（1976—），男，專科，工程師，從事水運工程港口與航道專業建設和管理工作。393DC7A6-73D0-4407-B136-863B4F457AFF