河道擋土墻加固工程實例分析

穆小剛，付龍飛

(陜西華正生態建設設計監理有限公司，西安 710199)

1 概 述

擋土墻作為支承路基填土或山坡土體、防止邊坡或土體變形失穩的構造物，對維護邊坡穩定及水土保持具有重要意義。在路基工程中，通過在填土高度較大路堤或者陡坡路堤下設置擋土墻，能夠防止邊坡滑坡災害的發生，維護路基穩定，同時可減少工程填土量，保護沿線建筑物的地基穩定。在水利工程方面，在河道兩側設置擋土墻，可以起到減少水流沖擊侵蝕作用，也是增加河道容積的有效措施。在隧道工程中，通常將擋土墻設置在隧道洞口以及采用明挖法邊坡防護的明洞兩側，可縮短隧道或明洞長度。在邊坡工程中，抗滑擋土墻則可用于防止滑坡災害的發生。

河道在蓄水排水、防洪抗旱中發揮著重要作用，是維護河道正常運行的重要保障。近年來，由于自然氣候變化，河道水量也旱澇不定，遭遇暴雨天氣河道水量驟增，加速了擋土墻的損壞，從而引發擋土墻事故，危及河道沿岸居民的生命財產安全。因此，加固河道擋土墻具有重要的意義。

孫昌利[1]針對盾構隧道施工引發擋土墻漏水、漏沙現象，提出擋土墻加固措施以及地基處理方案。李星[2]針對防洪擋土墻存在防洪不達標、墻體變形、墻體裂縫以及排水不暢等問題，進行不同加固方案的比較，闡述了混凝土格構錨固、原擋墻培厚相結合的分段加固方案的合理性。劉豐兵[3]結合河道擋土墻加固工程，介紹河道擋土墻的工作現狀，提出了河道擋土墻的加固措施。楊接平[4]結合河道擋土墻的資料，進行現場監測以及安全分析，為類似工程的安全評價積累了工程經驗。

本文以某河道擋土墻加固工程項目為例，采用壁式擋土墻鋼筋混凝土方案，通過支護設計以及穩定性驗算，驗證加固措施的合理性，為類似工程提供經驗與借鑒。

2 工程概況

某河道位于水電站開挖棄渣場旁，設置有漿砌石擋護墻，在枯水期進行了擋墻基礎加固處理。洪水期后，對漿砌石擋護墻進行監測發現，部分區段受洪水淘刷后被深切，原加固的擋墻水下混凝土部分基本被掏空，該段需進行水下混凝土修復，區段表面未澆筑混凝土的鋼筋石籠防護段河流發生轉向，擋土墻內鋼筋發生嚴重銹蝕，擋土墻沿岸局部出現鼓包、變形以及裂縫等特征，見圖1。為保證下個汛期該段的安全，需要對該擋土墻進行加固處理。項目區域內地層比較簡單，工程地質條件場地在勘探深度內全為第四系沖擊層，屬沖湖積平原地貌，主要有以下幾個地層組成:①素填土：上部含大量植物根系，下部為褐黃色粉質黏土，該層較松散，土層均勻性差。②粉質黏土:灰黃色，局部偏灰，有光澤，無搖振反應，干強度，韌性高，該土層全場分布，層厚為1.4～5.1 m，平均為3.78 m。該土層屬中等壓縮性土層，工程特征較好。

3 加固處理方案

由于河道土體較高，沿岸建筑物距離較近，直接采用懸臂式擋土墻所需墻體厚度較大，占用河道面積。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，對本河道擋土墻加固工程采用扶壁式擋土墻進行加固。具體實施方案為：

1)對于產生整體較大的貫穿裂縫、發生鼓包變形以及傾斜角度較大的區段進行拆除重建。

2)對于墻厚、堆物的擋土墻進行推平，減小墻體荷載，采用扶壁式擋土墻進行加固。

3)地下水對于擋土墻的影響作用較大，河道擋土墻由于缺少排水孔，多處出現排水不暢等問題。在洪水期中，擋土墻前后水位高差大，容易造成擋土墻發生傾覆，因此在擋土墻上增設排水孔。

4)增設抗滑樁。由于在部分墻踵處應力較大，增設抗滑樁，可以減少基礎地面長度，減少土方量，且加固措施明顯。

4 荷載計算

取單位長度的墻體進行荷載計算，擋土墻采用庫侖土壓力理論進行計算，采用容許應力理論計算基底應力、穩定驗算及上墻截面驗算。

4.1 主動土壓力

E1=γH2tg(45°-φ/2)=0.5*18.5*172/3=891 kN

E2=qHtg2(45°-φ/2)=15.5*0.5*6.52tg230°*17/(3*6.5)=164.3 kN

qa=γqtg2(45°-φ/2)/γ=29/3=9.67 kN

qb=γ(q/γ+H)tg2(45°-φ/2)=18.5*(29/18.5+17)/3=114.5 kN

4.2 每延米擋土墻自重

見表1。

表1 擋土墻自重匯總表

5 穩定性驗算

5.1 抗傾覆驗算

根據規范要求，抗傾覆系數取1.5，則：

(G1a1+G2a2+G3a3+G4a4)/(E1H/3+E2H/2)=2.168 4>1.5

計算結果表明，滿足抗傾覆要求。

5.2 抗滑移驗算

基底摩擦系數取0.4，則：

υ(G1+G2+G3+G4)/(E1+E2)=0.94<1.3

計算結果表明，不滿足抗滑移要求。

5.3 基地承載力驗算

e0=b/2-[(G1a1+G2a2+G3a3+G4a4+

G5a5)-(E1H/3+E2H/2)]/

(G1+G2+G3+G4+G5)

=1.56

為基底全部受壓，最大壓應力以及最小壓應力根據公式為：

δmax=(G1+G2+G3+G4+G5)*(1+6e0/b)/b

=577.3 kN/m2

δmin=(G1+G2+G3+G4+G5)*(1-e0/b)/b

=17.29 kN/m2

5.4 擋土墻強度計算

簡化為變截面懸臂梁模型作為計算模型，凈懸挑長度15 m，計算長度為1.05*15=15.75 m，劃分為4段，精確計算B點應為板底處，即FB=1 500 mm，最大荷載取為3.5qb。

圖3 擋土墻強度計算簡圖

在距離A點x處，

彎矩計算為：M=3.74x3+17x2

剪力計算為：V=11.22x2+34x

梁高：h=0.9+0.416x

翼緣高：hf=0.9+11x/165=0.9+0.07x

翼緣寬：bf=3.5/3=1.17

扶壁的計算結果見表2。

表2 扶壁強度計算匯總表

5.5 樁基礎計算

墻踵處壓應力計算結果為577.3 kN/m2，不滿足抗滑移要求，因此在墻踵處采取抗滑樁措施。抗滑樁樁徑設計為1.5 m，樁間距設置為3.5 m，對應扶壁依次設置。通過規范進行地基承載力修正：

f=fk+ηbγ(b-3)+ηdγ0(d-0.5)

=256.7 kPa

式中：fk為墊層底面處軟弱土層的承載力標準值，kN/m2。

抗滑樁提供豎向承載力，根據地基承載力計算，單樁承載力須達到3 325.5 kN，抗滑移系數取為1.3，單樁水平力承載力達到1 520.3 kN。

單樁豎向承載力計算：

Quk=Qsk+Qpk

=u∑φsiqsikli+φpqpkAp

=9 293.45 kN

式中：Quk為單樁豎向承載力，kN；Qsk為土的極限側阻力，kN；Qpk為土的總極限端阻力，kN；φsi為群樁效應系數，取1；u為樁周長，m；qsik為第i層摩阻力強度，kN；li為第i層有效厚度，m；φp為群樁效應系數，取1；qpk為極限端阻力標準值，kN；Ap為樁端面積，m2。

單樁豎向極限承載力標準值Ra計算：

Ra=Quk/2=4 646.72 kN>3 325.5 kN,滿足要求。

單樁水平承載力驗算：

式中：Rh為單樁水平承載力設計值；α為樁的水平變形系數；vx為樁身水平位移系數；m為地基土水平抗力系數的比例系數，由“樁基規范”附錄B第B.0.2.1條取m=10.0 MN/m4。

樁身計算寬度：

圓形截面：d0=0.9(1.5d+0.5)=2.475 m

EI為樁身抗彎剛度：EI=0.85EcI0

Ec為C30混凝土彈性模量：3.00×107kN/m2

I0為樁身換算截面慣性矩：I0=W0×d/2

W0為樁身換算截面受拉邊緣的截面模量。

圓形截面W0為:

式中：αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量比值。

根據規范，當樁頂固接時得vm=1.018，vx=1.079；單樁容許水平位移χoa=6 mm。

單樁水平承載力為：

6 沉降變形監測

為了驗證加固方案的合理性，工程中對擋土墻加固工程施加監測點，對擋土墻豎直沉降與水平位移進行監測。通過監測數據分析得出，墻頂沉降量與墻底沉降量幾乎相等，監測前期沉降量較大，后期趨于穩定，根據監測結果最大沉降量僅為7 mm。通過分析認為：①施工期中，在重型機械作用下，導致土體壓縮，施工結束后，土體發生回彈，從而造成觀測點高度增加；②由于系統誤差等觀測問題的發生造成讀數錯誤。通過水平位移沉降監測結果分析得出，擋土墻水平位移較小，最大位移量為3 cm。

7 結 語

通過項目地質勘察資料以及工程地質水文條件，在原有擋土墻發生鼓包變形下進行擋土墻加固設計，并進行結構驗算，對加固后的扶壁式擋土墻進行抗滑穩定性驗算、抗傾覆穩定性計算。單樁承載力驗算以及變形監測結果表明，抗滑穩定、抗傾覆穩定都得到大幅度提高，表明采用扶壁式擋土墻與抗滑樁加固措施可以滿足工程要求。