仰斜式水工挡土墙结构优化设计

【摘要】　在水利水电设施建设中，采用挡土墙来进行坡地支撑和填土支护非常普遍。本文结合多个水利水电项目设计施工经验，探讨仰斜式水工挡土墙的构造布置及稳定性分析，对仰斜式挡土墙的结构设计提出优化方案。
【关键词】　仰斜式；水工挡土墙；优化设计
挡土墙是用来支撑填土或坡地土体，防止填土或土体变形失稳的一种构造物，在水利水电工程建设、道路及交通建设中应用广泛。但是在一般的水电站水工设计中，由于考虑作为浸水挡土墙的土压力分析必须考虑水对填土的影响，其模型构造及计算较为复杂，较难进行设计优化。本文在分析了挡土墙在水工建筑物中的应用基础上，尝试对仰斜式水工挡土墙的构造布置进行稳定性分析，希望可以对优化仰斜式水工挡土墙设计起到一定指导作用。

一、挡土墙的分类及优选存在问题

挡土墙作为一般的拦土结构物，在水工结构设计中，常用在闸坝的翼墙和渡槽、倒虹吸的进出口边墙及其他路堤挡土部位等。根据挡土墙的结构形式，一般分为减压式挡土墙、重力式挡土墙、悬臂式挡土墙和扶壁式挡土墙等四种结构，而仰斜式挡土墙则是重力式挡土墙的其中一种。大量的工程实践表明，各类挡土墙的技术经济效益存在着很大差别。在水工设计中，如何在众多形式的挡土墙中选择一种适合现场条件的挡土墙结构是必须研究确定以及优化的问题。

二、仰斜式挡土墙的优势及问题

在水利水电工程建设中，诸如引水渠及河道边坡的治理等，大

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量使用了仰斜式挡土墙。相对于其他几种挡土墙结构而言，仰斜式挡土墙有着较为突出的应用优势：①从工程应用角度来说，仰斜式挡土墙墙背尽可能为原始土，因此可以最大程度的减少填土，可以适用于引水渠及河岸开挖边坡一般较陡的区域。②相对于其他几种挡土墙结构类型，仰斜式挡土墙少占用土地面积，整体构型美观简洁实用，更适用于一些城市内的河段水利建设。③仰斜式挡土墙的设计断面一般比俯斜式或直立式挡土墙断面要小，在大规模的河道护砌工程中其经济优势非常明显。
但是在河道护岸及引水渠工程中，常常遇到软土地基，其基底摩擦系数较小、地耐力不够。但是仰斜式挡土墙基础对地基的偏心矩较大，地基偏心应力较大。这两者形成一对矛盾，成为制约软基上的仰斜式挡土墙建设的关键难题。如何在结构模式上优化和解决这一难题，则成为仰斜式水工挡土墙设计优化的重点。

三、仰斜式水工挡土墙的构造特点及应用

仰斜式挡土墙在水库枢纽、引水枢纽、水电站及各种水利建筑物工程中有着极为广泛的应用。作为水工挡土墙，应用广泛和应用条件复杂是其两个最为显著的特点。水工挡土墙不但具有一般挡土墙的挡土作用，还具有与边坡连接、挡水、导水和侧向防渗等多种功能。因此仰斜式水工挡土墙在运用和构造上有以下特点：
1、仰斜式水工挡土墙必须适应在多种水位条件下工作。仰斜式水工挡土墙在建成及运用期的墙前、墙后特征水位条件下工作时，其作用于墙身的静水压力、土压力、作用于基底扬压力、地基应力等都不相同，这就要求仰斜式水工挡土墙在设计、校核、建设与建成后正常运用等各种情况下都能够满足整体稳定和各部结构的强度要求。
2、仰斜式水工挡土墙要求其具备导水和挡水要求，其平面布置必须满足对进出口水流条件的要求。
3、要充分考虑浸水挡土墙及水对挡土墙的作用，以及水位升降的情况下，挡土墙收到的静水压力、填土摩擦力、水浮力、主动土压力等各种作用力的结合效果。
4、在仰斜式挡土墙的侧向有防渗要求。水闸等水工建筑物在上下游水头差作用下，水将沿建筑物基础底部和侧向向下游渗透。为了满足底板和侧向抗渗稳定要求，要求挡土墙的底部和侧向有足够的防渗长度。

四、仰斜式水工挡土墙的构造稳定性分析

仰斜式水工挡土墙是挡土墙设计中的一项重要内容，通常在河道纵断面和横断面上进行。在其结构设计及布置之前，应在现场对收集到的纵横断面数据进行再次核对，对于不满足要求时应立即进行补测，并收集预设点位处的地质和水文资料。挡土墙的构造设计必须满足工程建设需要的强度和稳定性的要求，同时应结合材料的就地取用、经济指标的合理性以及施工的便利性的因素进行综合考虑，最终对仰斜式水工挡土墙的结构设计参数进行优化设置，作出最优化方案配置。

1、挡土墙的位置设定

在所有的基础资料收集完毕之后，可以对挡土墙的设计及布置进行建模计算，并确认其设计参数，得出初步的位置设定方案，其参数一般包括平面布置设计和横向断面布置设计两部分内容。在一般设计中，这一方案设定是由设计师通过检测设初拟、建模计算确定以后，进而进行稳定分析，最后找出一个设计师自认为相对较为合理的设计方案的工作过程。由于其设计优化存在着细部参数调整和验核，一般需要重复进行多次稳定性分析才能得出结论。
特别是对于与挡土墙有干扰的其他建筑物的平面连接情况等，必须进行特别标识，而对于需要进行特殊设计的个别连接段，需要设计额外的想吐，进行个别具体设计。平面布置是对挡土墙进行断面拟定和稳定验算的前提。
在平面布置确认及断面拟定后，根据挡土墙的墙型、墙高、地基及填土的物理力学指标等设计资料，进行挡土墙墙身断面、基础形式和埋置深度、排水设施等进行初拟和确定，进而根据演算结果对设计参数进行相应的调整，为设计的稳定分析提供数据。

2、仰斜式水工挡土墙的构造设计

仰斜式水工挡土墙一般采用浆砌石砌筑，墙顶加盖混凝土沿石，以求对墙顶的保护和保证形态的美观。为了使工程经济更趋于合理，在确定挡土墙的断面构造指标时，应当与施工位置的地面坡度一起综合考虑，最终确定仰斜式挡土墙的墙背和墙面坡度。仰斜式挡土墙的墙背坡度一般采用1：0.05～1：0.25，仰斜墙背坡度不宜低于1：0.3。水工挡土墙的墙面设计一般为直线形，其坡度应与墙背面相互协调，采用平行于墙背或略缓于墙背的坡度设计。
为了避免由于地基的不均匀沉降而引起的挡土墙墙身开裂，在进行挡土墙结构设计时，应当根据当地的地基地质条件变化以及墙高、墙身断面的变化设置相应的沉陷缝。为防止砌体因收缩硬化和温度变化而且产生裂缝，还应设置伸缩缝。在结构设计中一般将沉陷缝和伸缩缝合并设置，沿挡土墙轴线方向每隔15m～25m设置一道，最长不超过30m。伸缩缝可采用沥青麻丝或沥青木板做填缝，有时候也可以不设置填缝而采用砂浆直接填塞的方式。

3、仰斜式水工挡土墙的排水设施布置

水工挡土墙排水设施作用在于快速疏干墙后土体的水分，防止地表水下渗后或墙前水位快速下降后墙后土体积水。挡土墙的排水设施一般由地面排水和墙身排水两部分组成，地面的排水结构设计一般有设置地面排水沟、截引地表水、夯实回填土顶面和地表松土、防止雨水和地面水下渗等措施。而墙身排水则是为了排除墙后积水，通常在墙身的适当高度布置一排或数排泄水孔。泄水孔的尺寸可视泄水量的大小分别采用5cm×10cm、10cm×10cm、15cm×20cm的方孔或直径5cm～10cm的圆孔。孔眼间距一般为2m～3m，在不同水平层的排水孔眼应相互交错设置。墙后泄水孔的进口部分应设置粗粒料反滤层，以防止孔道淤塞。

4、挡土墙基础埋置深度

水工挡土墙的基础埋置深度必须按地基的性质、承载力的要求、冻胀影响、地形和水文地质等条件来进行演算确认。特别是水文资料中水对地基的冲刷深度确定，其冲刷深度既可以根据水力学公式进行计算，也可按经验取定。一般的小型水利渠道，小河道粘、壤土地基水流对地基的冲刷深度为1.5m～2.0m，一般河道护岸挡土墙的基础埋深应不少于这一数值。而对于硬质岩石地基上的挡土墙，墙身基础应置于风化层以下。当仰斜式水工挡土墙的基础置于软质岩石上时，其埋置深度不应小于0.8m。而在大型的水电站引水渠等挡土墙施工中，由于其整个施工阶段中水位变化明显，水流及水文数据无法进行建模计算，因此必须加大稳定系数，其埋置深度应以超出安全系数的1.2～1.5倍进行优化加固。

五、结束语

仰斜式挡土墙是工程界应用最为广泛的结构型式，被广泛应用于交通、建筑、水利等各行各业。随着目前施工技术的进一步发展和优化，出现了一些较为新颖的挡土墙形式，其用途和作用也在不断的发生变化。但是作为应用最为广泛的仰斜式挡土墙，其在水工构筑物中的应用短期内仍无法被取代，因此针对项目的特性及特征对这种挡土墙形式进行参数优化，使之不仅具有适用的普遍性，也更具有工程经济性，进而节省大量的投资。
参考文献
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[3] 母利.浅析水工仰斜式挡土墙的稳定性[J]. 陕西水利, 2010年第04期
作者简介：
陆荣长（197

2.9—），男，本科，工程师，从事水利水电工程工作

（作者单位：广西华禹水电勘测设计有限公司）