1、1调压室通风洞洞口重力式混凝土挡墙设计摘 要：根据现场工程实际需要，为保证调压室通风洞开挖过程中洞口边坡安全、稳定；同时，也为使通风洞在调压室竖井施工中具备良好的通风、通行条件，特别对调压室通风洞洞口重力式混凝土挡墙结构进行了设计、验算，以满足现场实际施工及安全稳定需要。 关键词：调压室通风洞重力式混凝土挡墙设计 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 1 工程概况及设计原始条件 锦屏二级水电站 4 条引水隧洞末端各设有一座上游调压室。调压室由原来招标文件的阻抗式加扩大上室型式改变为了差动式结构，闸门井兼作升管，为“一洞一室两机”布置型式。每座调压室主要由阻抗孔、调压室竖井、事故闸门
2、布置有关的闸墩、闸门检修和启闭平台、闸门后通气孔、调压室底部分岔段等组成。 工程区岩性为微风化 T2y5-2 花斑状大理岩，断层不发育，裂隙较发育。 上游调压室通风洞与交通洞相交于 K2+695.974，全长约 133.38m；其断面形式为城门洞型，开挖尺寸为 8.5m7.0m，锁口段开挖尺寸为9.2m7.35m，根据揭露的围岩情况通风洞洞口段 ST0+49ST0+00 段属2角砾岩，围岩稳定性较差且临近边坡出口，属类围岩，为保证调压室通风洞开挖过程中洞口边坡安全、稳定；同时，也为使通风洞在调压室竖井施工中具备良好的通风、通行条件，拟在通风洞洞口布置重力式混凝土挡墙，现对调压室通风洞洞口重力式
3、混凝土挡墙结构进行了优化设计、计算，以满足现场实际施工及安全需要。洞口重力式挡墙布置示意图见图 1。 图 1 洞口重力式挡墙布置示意图 通风洞洞口重力式混凝土挡墙设计条件及参数如下： 混凝土挡墙容重为 23.0kN/m3，地基土摩擦系数为 =0.5（角砾石地基，软质岩石取值为 0.40.6，这里为保证安全取 0.5） ；挡墙后填土内摩擦角: =35.0 度，墙后填土粘聚力: 0（因为墙后填方为洞内石渣,为非粘性土)，墙后回填碎石容重: =18.0kN/m3，墙背与墙后回填碎石摩擦角: =17.5 度，地基角砾石容重: 23.0kN/m3，修正后地基土容许承载力: 350.0kPa，回填宽度为
4、7.0m， 挡墙总长为 30.0m，分段长度为15.0m。 挡土墙类型为重力式混凝土挡土墙，根据现场实际情况，拟定挡墙墙面高度(m)：h1=6m，挡墙墙背垂直即 =0 及坡度为 N=0；墙面坡度：M=1：0.25，墙顶宽度(m)：b1=1；墙趾宽度(m)：db=0.5m，墙趾高度(m)：dh=1.0m；回填坡度 =0，回填宽度为 b0=7.0m,且此平台为均布荷载作用；挡墙顶部回填填高度(m)：a=0，回填宽度(m)：d=0；挡墙破裂角为,挡墙底部为水平底板即 0=0。重力式挡墙结构示意图见图 2。 3图 2 通风洞重力式挡墙结构示意图 调压室通风洞洞口重力式挡墙采用 C25 混凝土浇筑而成，
5、为避免基础不均匀沉降而造成挡墙结构的破坏及稳定，在挡墙适当位置布置沉降缝等结构缝；同时，为便于排水，在挡墙浇筑中布置下倾 5%，=80mm的 PVC 排水管；挡墙墙后回填洞内开挖石渣，且回填高度与挡墙顶高程平齐。 2 重力式混凝土挡墙结构设计、验算 2.1 求挡墙破裂角 假设破裂面交与荷载内，采用相应的公式计算： 挡墙的总高度：H=7.0m；挡墙的基地水平总宽度：B=3.0m 则 =arcot=30.26 其中： 为挡墙后填土内摩擦角，=35.0； 挡墙墙背的倾斜度，=0； 为墙背与墙后回填碎石摩擦角，=17.5； 为挡墙的破裂角。 验算破裂面是否交于荷载内：（分析计算如下） 荷载内缘至墙踵为
6、 0；荷载外缘至墙踵为 b0=7.0m；堤顶破裂面至墙4踵：0 Htan=4.08m7.0m。 故破裂面交于荷载内，与原假设相符，所选用公式正确。 2.2 求主动土压力系数 K 和 K1 重力式挡墙中的主动土压力系数为： 因为：； 所以：。 根据计算公式求得 K1 的值为： 其中： 为挡墙后填土内摩擦角，=35.0； 挡墙墙背的倾斜度，=0； 为挡墙的破裂角； 为墙背与墙后回填碎石摩擦角，=17.5； a 为挡墙顶部回填填高度，d 为回填宽度； h1 为挡墙墙面高度，h1=6m；h4 为计算高度，H 为挡墙总高度； K、K1 为主动土压力系数。 2.3 求主动土压力及作用点位置 根据库伦理论，
7、此混凝土挡墙背后主动土压力为： 代入相关数据，可求得主动土压力为： 将此计算出的主动土压力沿水平、垂直方向以墙址点为坐标原点进行力的分解为： 5主动土压力作用点的位置为： 其中：E 为主动土压力； 墙后回填碎石容重； EX、EY 为主动土压力的水平、竖向分量； ZX、ZY 为主动土压力作用点的位置。 2.4 抗滑稳定性检算 根据此重力式混凝土挡墙的具体尺寸及结构经计算：挡墙体积为V=13.5m3；且挡墙自重为 G=310.5 kN。则根据挡墙抗滑稳定性计算公式，重力式挡墙的抗滑稳定性安全系数 KC 为： 其中：Kc 抗滑稳定性安全系数； 挡墙基底摩擦系数； G 为挡墙自重； 根据规范要求，因为
8、 Kc =1.657 1.3，所以，重力式混凝土挡墙抗滑稳定性经验收满足要求。 2.5 抗倾覆稳定性检算 根据库伦理论，其重力式挡墙抗倾覆系数 K0 的计算公式为： 其中：K0 挡墙抗倾覆系数； ZG 挡墙重心相对于墙趾点的垂直高度； 6其中对混凝土挡墙的结构进行相关分解计算得重心相对于墙趾点的垂直高度为 ZG=1.944m，将相关数据代入上式可得挡墙抗倾覆系数 K0 为：根据规范要求，因为 K0 =2.905 1.6，所以，重力式混凝土挡墙抗倾覆稳定性经验算满足要求。 2.6 基础基底应力验算 根据现场实际情况，挡墙底板设计宽度 B=3m，那么，由此重力式混凝土挡墙的基本结构，可得主动土压力
9、和挡墙自重的合力作用点的位置为： 则有偏心距为： 因为偏心距 e=0.16B/6=0.5m，则根据计算公式可求基地所受最大、最小压应力为： (此压应力发生在墙趾处) (此压应力发生在墙踵处) 地基平均压应力: 其中：e 为挡墙的偏心距； B 为挡墙底板宽度； ZN 主动土压力和挡墙自重的合力作用点的位置； 为挡墙基础平均压力。 7因为，所以，经验算，重力式挡墙地基承载满足要求。 2.7 挡墙台顶截面强度验算 为保证此重力式挡墙各结构面的合理与安全，取挡墙距底板 h=6.0m处的截面进行截面验算。计算高度为 6.0m 处的库仑主动土压力按实际墙背计算得到破裂角为 =arcot=30.26，根据上
10、述中的计算公式计算可得： 主动土压力 Ea=79.74 kN；且 Ex=76.05 kN，Ey=23.98 kN；土压力作用点距底板高度为 Zy=2.0m；墙身截体积 V= 10.5 m3；重量为 241.5 kN。其中扩展台阶以上的土压力（只有第一破裂角=30.26）情况下，各截面的土压力分布图如图 3 所示。 图 3 扩展台阶以上的土压力（只有第 1 破裂角）示意图 2.7.1 强度验算 验算截面以上，V= 10.5 m3；重量为 g=241.5 kN；相对于验算截面外边缘（墙趾） ，墙身重力的力臂经计算为 Zw =1.57m；相对于验算截面外边缘（墙趾） ，Ey的力臂 Zx =2.5 m
11、；相对于验算截面外边缘（墙趾） ，Ex的力臂 Zy = 2.0m。则采用容许应力法对此截面的强度验收如下： 2.7.2 法向应力验算 作用于验算截面的总竖向力为 N=23.98 kN + 241.5kN=265.48kN；作用于墙趾下点的总弯矩为：W= EyZx+g Zw-ExZy= 287.34kNm 8则有，相对于验算截面外边缘（墙趾） ，合力作用力臂 Zn= W/N = 1.082m； 又因为截面宽度 B= 2.5m，则有偏心距：e1 = 0.168 mB/6=0.5 m，即截面上偏心距满足要求。截面上压应力: 地基平均压应力: 同时，因为 C25 混凝土抗压强度为 2500.0kPa，
12、因此，此截面上的的压应力验算也满足: 。 综上所述，经设计验算的调压室通风洞洞口重力式混凝土挡墙满足要求。 3 结语 有时在设计重力式挡墙的计算过程中，因基础岩石受到风化等原因，地基较软弱，由于采取了提高基底的摩擦系数的措施，如采用一定外露长度的钢筋对挡墙顶板进行锚固，或可在墙背一定范围内布置反向拉筋后，挡墙的截面毋需增大，也能满足抗滑、抗倾覆稳定性的要求，而在此基础上再进行相关验算时，一般都能超出设计值很多；倘若加大截面等相关尺寸，情况可能更为不利。在此调压室通风洞洞口重力式混凝土挡墙的实际施工中，为进一步提高此挡墙的安全与稳定，根据现场实际情况，挡墙底板布置了两排（28，L=4.5m）入岩 3.3m2.0m*1.0m，外9露 120cm，端部弯折 25cm 的锚杆，以达到对混凝土挡墙的锚固效果，进一步提高挡墙的安全稳定性。 参考文献： 1 东南大学等合编. 土力学（第二版）.北京：中国建筑工业出版社，2005 2 李均民.重力式挡土墙设计经验谈.岩体工程技术，1998 年第 2期，3-8 页 3 朱江.锦州地区砾岩承载力的研究.岩土工程界，2006 年第 9 卷第 11 期，35-36 页 4建筑地基基础设计规范 （500072002） 作者简介： 李福林(1962.08)，男，甘肃天水市，高级工程师，施工局局长，从事施工技术、管理工作。
