水工挡土墙设计重点分析

刘丽娜

(齐齐哈尔市水利勘测设计研究院，黑龙江齐齐哈尔161006)

1 挡土墙设计一般按以下步骤进行

1.1 设计资料的收集

工程等级及设计标准、建成、正常运用、设计、校核及施工期墙前墙后各种水位，地形资料提供1:500～1:1000的地形图和纵横剖面图，地质及水文地质资料，回填土物理力学指标等。

1.2 根据总体建筑物要求进行平面和立面布置

1.3 选择合适挡土墙的结构型式

根据挡土墙的运用、布置、墙高、就地取材料及施工等条件，通过经济技术比较选择挡土墙的结构型式[1]。

1.4 选择典型部位设计断面

根据水工挡土墙不同部位其墙高、水位等条件的不同，而挡土墙设计通常在翼墙全长范围内选择几个有代表性断面进行设计。

1.5 初拟断面尺寸

为进行挡土墙设计首先应根据建筑物总体要求、水位、填土及地基强度指标等条件参考已有工程经验初拟断面轮廓尺寸及各部分结构尺寸。

1.6 建后计算

根据建完后，分别进行各种外荷载计算，计算各种荷载组合情况下的水平力、垂直力及各力对前趾产生的力矩。

1.7 挡土墙的稳定验算

根据对各种设计情况分别进行抗滑、抗倾稳定和地基应力验算，确定稳定安全系数，地基应力等满足设计要求。如不满足要求，重新进行稳定验算，到满足要求为止。

1.8 截面强度验算

选择最不利的设计和荷载组合情况对各部分截面强度进行验算。对混凝土，砌体圬工结构挡土墙选择一、二截面进行强度验算，当不满足要求时应改变初拟尺寸重新进行稳定和强度验算。对钢筋混凝土挡土墙对各部结构内力计算。并选择控制截面进行应力验算和配筋计算同时还进行裂缝宽度验算，如初拟尺寸不满足要求，应改变局部结构尺寸，直到满足要求为止[2]。

1.9 细部构造设计

细部构造设计包括合理设置温度和沉陷缝、止水、排水和反滤等设计。

2 水工挡土墙在浸水作用条件下运用的影响情况分析

考虑到水工挡土墙必须有浸水情况，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[3]。根据建模分析及水工试验表明，水工挡土墙在浸水后，将会受到以下几种因素的影响:

1)主动土压力减少。

2)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;但是黏性土在浸水后，其黏性指标值将会降低，造成主动土压力增加。

3)水工挡土墙在浸水部分，墙的背面和墙的迎水面将受到静水压力作用，当挡土墙前后水位一致的情况下两者互相平衡，静水压力的作用相互抵消;如果两者之间出现水位落差时，挡土墙自身将会受到静水压力的作用，而挡土墙的基础底面将受到扬压力的作用。

4)如果挡土墙的外面水位发生骤降，或因降雨，雨水直接下渗到墙背后回填料内出现渗透水流时，回填料还会受到渗透水流动水压力作用。

以上4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4种情况同时出现或者部分出现时，对挡土墙安全系数确认，取得最优值参数。

3 水工挡土墙设计演算

3.1 在浸水条件作用下的挡土墙荷载及组合情况分析

作用水工挡土墙上的荷载可分为2种:基本荷载和特殊荷载。基本组合由基本荷载组成;而特殊组合由基本荷载和1种或几种特殊荷载组成。在正常蓄水位情况下组合计算，有墙自重、静水压力、扬压力、土压力、浪压力。按设计洪水位情况下组合计算:自重、静水压力、扬压力、浪压力、泥砂压力。

特殊荷载主要包括校核洪水位时的静水压力和扬压力，和校核水位时的动水压力。如果发生地震，还要包括地震荷载。每种荷载组合对应一种计算工程情况。需要具体情况具体分析。

3.2 水工挡土墙在浸水条件下的计算工程情况

对于进水渠道和水位控制段的挡土墙，考虑计算工程情况相应的荷载为基本荷载组合，包含:①完建工况;②正常蓄水位情况;③设计洪水位情况。特殊荷载组合包含:①施工情况;②检修情况;③排水失效情况;④地震情况。如果水库水位或者下游水位发生骤降时，可以根据具体情况考虑是否需要核算进水导流渠、挡土墙和消力池挡土墙的稳定性。

4 水工挡土墙的结构设计

4.1 水工挡土墙的墙身结构

水工挡土墙在浸水条件下的重力式挡土墙一般多采用混凝土和浆砌石建造，在石料可就地取材的情况下采用浆砌石挡土墙比混凝土挡土墙要经济，但是没有混凝土墙耐久。重力式挡土墙从其墙背倾斜方向可分俯斜、直立和仰斜3种情况。俯斜式墙背坡为1∶0.4 ～ 1∶0.7，直立式墙背斜坡为1∶0.4 ～1∶0.7，仰斜墙背斜坡为1∶0.2 ～ 1∶0.4。墙顶宽度一般≥0.4～0.6 cm。

根据总体设计技术要求，设计者灵活运用即可以将3种形式重新组合转变1种新的连接形式而已。在结构设计中还要设置伸缩缝。沿着挡土墙纵轴线每15m左右设置一道。伸缩缝可采用沥青模板填缝。

4.2 水工挡土墙的排水设置

水工挡土墙排水设置比较简单，通常情况下有两种型式组成。

1)在地面挖一个梯形断面排水沟，断面尺寸据排量大小而定，拦截地表水和雨水下渗的措施，根据具体情况也可做顶面的护面和护坡使地表径流水从背坡流下。

2)墙体自身排水，一般在设计时根据水文地质资料提供地下水位的变化，在墙身的适当高度处布置一排或数排泄水孔，但墙背后一定要设置一定宽度、厚度、级配良好的返滤料。泄水孔的尺寸根据泄水量确定，直径可分为Φ 5 cm，Φ 10 cm，Φ 15 cm等水流从挡土墙背面流向挡土墙迎水面排出。孔眼间距一般为1～1.5 m，在不同的水平层排水孔呈梅花形布置。

5 结语

在水利水电工程的水工挡土墙设计过程中，特别需要重视浸水对挡土墙结构设计的影响，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，保证项目安全可靠运行。

[1]郑宽新.浅析挡土墙设计要点[J].中国水运，2010，10(04):129－130.

[2]王海旭，付子刚，金旭晔.浅谈水工挡土墙设计应注意的问题[J].企业导报，2011(09):275－276.

[3]管枫年，等.水工挡土墙设计[M].北京:中国水利水电出版社，1996:27－34.