1、刍议水工挡土墙结构设计摘要：在水工建筑不同的情况下，其对于防水墙也存在有不同程度的要求，所以在进行水工混凝土挡土墙施工建设时，应以建筑级别作为依据，进而对挡土墙的级别进行确定。本文作者结合多年来的工作经验，对水工挡土墙结构设计进行了研究，具有重要的参考意义。 关键词：水工；挡土墙；设计要点 中图分类号： TU318 文献标识码： A 一、水工挡土墙设计考虑因素 在工程实际应用中，水工挡土墙作为一种浸水挡土墙，其与一般的挡土墙的应力分析有所不同。水工挡土墙的断面布置不仅需选择合适的工况、几何学、物理学参数，计算出较切合实际的土压力，还要考虑挡土墙在浸水条件下，浸水对墙后土压力的影响，而这一影响要
2、依照特征水位和水文条件进行综合考虑。 二、水工挡土墙的浸水作用原理 由于考虑水工挡土墙必须有浸水效果，因此水对挡土墙的作用力以及水工挡土墙在有水条件下运用的影响情况分析，必须作为水工挡土墙结构设计考虑的重点。根据建模分析及水工试验表明，水工挡土墙在浸水之后，将会收到以下各种因素的影响：主动土压力减少。砂性土的内摩擦角在浸水情况下保持不变，受水的影响不大；但是粘性土在浸水后，其粘性指标值将会降低，造成主动土压力的增加。浸水部分的水工挡土墙墙背和墙面都受到静水压力作用，当挡土墙前后水位一致时两者相互平衡，静水压力作用相互抵消；但是如果两者之间出现水位落差时，墙身会受到静水压力差的作用，水工挡土墙的
3、基底将受扬压力的作用。如果墙外水位发生骤降，或者雨后雨水下渗在墙后填料内出现渗流时，土层填料还会受到渗流动水压力的作用。综合以上这四种情况，除了按照非水工环境条件下的挡土墙进行土力学分析计算以外，还要考虑这四种情况同时出现或者部分出现时，对于挡土墙安全系数的确认，取得最优值参数。 三、水工挡土墙的设计演算 水工挡土墙的设计布置计算一般分为荷载组合选取及计算、工况条件分析等等，必须经过多种环境因素的建模分析，才能最终得出最优化的参数值。 1水工挡土墙在浸水条件下的荷载及组合情况分析 作用在水工挡土墙边墙上的荷载可分为基本荷载和特殊荷载，基本组合由基本荷载组成，特殊组合由基本荷载和一种或几种特殊荷
4、载组成。对水工挡土墙而言，基本荷载主要包括土压力、墙顶有效荷载、墙身自重、填土自重、正常蓄水或设计洪水位时的静水压力及扬压力、设计洪水位情况下泄流时的动水压力。而特殊荷载则主要包括校核洪水位时的静水压力及扬压力、相应于校核洪水时的动水压力。如果是在地震影响范围内，还需要包括地震荷载。每一种荷载组合对应一种计算工况。特别是在水电站溢洪道挡土墙而言，其控制段上下游部位的水工挡土墙的计算工况不完全相同，需要根据具体情况进行具体分析。 2水工挡土墙在浸水条件下的计算工况 对于进水渠和水位控制段的挡土墙，考虑的计算工况主要有：完建情况、正常蓄水位情况、设计洪水位情况、施工情况、检修情况、校核洪水情况、地
5、震情况。前面的 3 种工况相应的荷载为基本荷载组合，后面的 4 种工况相应的荷载为特殊荷载组合。对于正常蓄水位情况，若考虑排水失效，也要按照特殊荷载组合进行计算。 3水工挡土墙在浸水条件下的荷载计算 对于自重荷载和水压力荷载，可以按照常规方法进行计算。如果是采用重力式挡土墙的设计结构，除凸形折线和衡重式情况外，土压力可以直接按库伦土压力理论计算。如果重力挡墙是采用凸形折线或衡重式结构时，由于土压力计算较为复杂，则需要分别计算上墙土压力和下墙土压力。计算上墙土压力时，先判别是否会出现第二破裂面，如有第二破裂面，则按第二破裂面法计算上墙土压力；下墙土压力计算较为复杂，目前普遍采用延长墙背法和力多边
6、形法的简便方法进行计算。 四、水工挡土墙的构造设计要点 1墙身构造 采用重力式挡土墙结构的墙背坡度一般采用 1：0.25 仰斜，且不宜缓于 1：0.3；衡重式挡墙下墙墙背坡度多采用 1：0.251：0.3 仰斜，上墙墙背采用 1：0.251：0.45。仰斜式挡墙的墙面一般与墙背坡度一致或缓于墙背坡度。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。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。水工挡土墙在浸水条件下，一般会采用浆砌石或混凝土挡土墙的设计模式，墙顶宽度一般0.5。 为了避
7、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 15m25m 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。 2水工挡土墙的排水措施 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
8、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，必要时可设铺砌层。墙身排水则是为了排除墙后积水，通常在墙身的适当高度处布置一排或数排泄水孔，墙后设透水性材料。泄水孔的尺寸可视泄水量的大小分别采用5cm10cm、1Ocm10cm、15cm20cm 的方孔或直径 5cm10cm 的圆孔。孔眼间距一般为 2m3m，浸水部分的水工挡土墙为 1m1.5m，在不同水平层的排水孔眼应相互交错设置，孔眼呈梅花形布置。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。对于衡重式挡土墙则可以采用下墙后设排水层，上墙后设砂砾填料并夯实到设计要求压实度的方式进行设计。 五、水工挡土
9、墙结构设计优化要注意的问题 1由于水工挡土墙所处的工况环境较为复杂，由于水位经常变化，浸水部分的水工挡土墙计算工况较多。对于溢洪道进口水工挡土墙，其特征水位包括枯水位、正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位，对泄槽段、消力池的水工挡土墙，特征水位与进口水工挡土墙相同，只是正常蓄水位情况下，墙外水深一般为零。相应地，可以分出 6 种计算工况。对于洪水骤降，因大坝出现险情时才会有此种工况，因此，对一般的水工挡土墙则无需考虑这种工况，而对于重要设施保护部分的水工挡土墙，则需要根据实际情况来确定结构设计方案。 2采用土压力计算浸水挡土墙的土压力应考虑水对填土的影响。即水工挡土墙及背后的填土浸水后，一方面浮
10、力使土压力减小，另一方面抗剪强度降低。一般浸水挡土墙，尤其是溢洪道水工挡土墙，一般不使用粘土回填，而采用砂砾料按一定压实度回填。此时，可认为墙后填土 值不变，影响不大。如果墙后为原土层而且是粘土时，土压力计算将变得更加复杂，要使用等效内摩擦角法和力多边形法来确认。根据大量的工程实践和计算研究表明，使用等效内摩擦角法来计算高墙或低墙土压力并不适用，而且墙背倾斜度对库伦公式计算值影响很大。在其他条件相同时，土压力仰斜墙背较俯斜墙背小，后仰愈大，压力愈小。但是如果后仰过大将使计算出土压力误差偏大，从而使设计出的挡土墙稳定性不足，后仰过大还将使墙身重心后移，使基底负偏心过大和墙踵压应力过大，造成施工困难，因此，在规范中规定下墙墙背一般不缓于1：0.3 的指标。 六、结束语 由于水电站工程等施工条件的限制，在浸水条件下的水工挡土墙结构设计，必须重视墙身构造和墙后排水设计措施，采用多种建模方式进行校核验算，才能避免事故发生，达到水电站可靠运行、安全经济的最优化效果。 参考文献 1郑宽新.浅析挡土墙设计要点J.中国水运，2010 年第 04 期 2王海旭.浅谈水工挡土墙设计应注意的问题J.企业导报，2011 年第 9 期
