降雨工况下水工挡土墙稳定分析

周 健，侯 丽，张 峰

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210000；2.河海大学力学与材料学院，江苏 南京 210098)

水工挡土墙在泵站、水闸、船闸及溢洪道等水工建筑物中有着非常广泛的应用，基本所有水工建筑物设计中都会有挡土墙的设计内容，挡土墙作为水工建筑物中挡土或挡水的结构，其稳定性直接影响工程的安全。

水工挡土墙多在有水条件下运行，挡土的同时也担负着挡水的功能，这就造成了水工挡土墙复杂的运用条件[1-4]，因而，水工挡土墙对水位的变化更加敏感，降雨是水工挡土墙失事的一个重要因素。SL 379—2007《水工挡土墙设计规范》虽已明确了挡土墙稳定性计算方法，但对降雨情况下，尤其是暴雨工况下水工挡土墙的稳定分析并无明确规定。

目前降雨对边坡稳定性的影响理论基本成熟，研究表明降雨在边坡表层形成暂态饱和区是影响边坡失稳的重要因素[5-10]，但缺乏降雨工况下水工挡土墙的稳定分析。本文针对降雨工况下水工挡土墙稳定性问题，基于降雨边坡暂态饱和区的概念，分析了降雨对挡土墙稳定影响的机理，推导了降雨工况下墙后暂态水压力、土压力及挡土墙抗滑抗倾计算公式，选取安徽某泵站前池两侧挡土墙为研究对象，探讨了降雨工况下水工挡土墙的稳定变化规律，对评价降雨工况下水工挡土墙稳定提供依据。

1 降雨对挡土墙稳定影响机理分析

降雨入渗是一个非常复杂的过程[10-17]，包括坡顶入渗、坡面入渗、顺裂隙入渗等多种形态，图1为边坡降雨入渗示意图，图2为挡土墙墙后降雨入渗示意图，当降雨强度大于土的入渗能力，一部分降雨形成地表径流，另外一部分形成地下径流，即降雨入渗部分。

图1 边坡降雨入渗示意图

图2 墙后降雨入渗示意图

当墙后回填土为砂性土，由于砂性土渗透系数较大，降雨可迅速通过土体间隙渗入到地下水位面，直接补给地下水，使地下水位上升，如图3所示；当墙后回填土为黏性土，由于黏性土渗透系数较小，降雨很难入渗到地下水位面，降雨不能直接补给地下水，稳定地下水位上升有限，而填土面浅层很容易达到饱和状态，形成暂态饱和区[9]，如图4所示。

图3 墙后回填砂性土降雨入渗示意图

图4 墙后回填黏性土降雨入渗示意图

根据上述墙后降雨入渗模式，对于墙后回填砂性土，降雨对挡土墙稳定影响主要体现在墙后地下水位上升，导致墙后水压力增大，土的有效重度减小，引起挡土墙滑移或倾覆，这点与降雨对砂性土边坡影响基本类似[8]；对于墙后回填黏性土，降雨对挡土墙稳定影响主要体现在墙后暂态饱和区形成暂态水压力，增加了滑动力或滑动力矩，引起挡土墙滑移或倾覆，这点与降雨对黏性土边坡影响存在不同，降雨对黏性土边坡稳定的影响大多发生在边坡浅部，引起边坡浅层滑动[8]，而对于挡土墙来说，虽然暂态饱和区也在填土浅层，但由于挡土墙本身可视为刚体，暂态饱和区形成的暂态水压力的影响也体现在挡土墙的整体稳定上。

2 降雨工况下挡土墙稳定性分析

2.1 暂态水压力及相关荷载计算

对墙后回填砂性土，墙后水压力可直接按降雨之后形成的暂态水位线计算，但考虑到砂性土渗透系数较大，入渗部分也更容易从挡土墙排水管排出，故这里假定墙后暂态水位线不超过墙前水位以上的第一根排水管，如图5所示。下面重点讨论墙后回填黏性土挡土墙稳定性分析。

图5 考虑排水孔暂态饱和区示意图

关于边坡降雨形成的暂态水压力计算在SL 386—2007《水利水电工程边坡设计规范》和相关文献中[9]已作出说明，SL 386—2007中D.2.9条规定，对降雨和泄水雨雾造成边坡坡体表层一定深度形成暂态饱和的情况，在计算孔隙压力时，宜进行折减；文献[9]认为铅直剖面上悬挂暂态饱和区内的暂态水压力则从上至下呈现上下小、中间大的非线性分布特点，通过假定系数(λ)来确定暂态水压力的最大值位置。图6表示不同方法采用的边坡暂态孔压分布。

图6 不同方法采用的边坡暂态孔压分布图

相对于边坡降雨形成的暂态饱和区[9，13]，墙后降雨形成的暂态饱和区历时更长，这主要是因为墙后排水路径单一，仅能通过排水管排出，同时黏性土渗透系数较小，在降雨期间下渗水更不易排出，因此暂态水压力可以采用静水压力分布，这与SL 386—2007中所述美国一些工程的假定是一致的[20]，此外对于暂态饱和区与饱和区之间的非饱和区可视作相对隔水层，该隔水层主要起到阻断其与下部稳定地下水的水力联系，由此可以得出挡土墙墙后暂态水压力具有以下特性或作出以下假设：暂态饱和区形成的暂态水压力与下部稳定地下水位形成的静水压力互相独立，不考虑二者的水力联系，但当暂态饱和区厚度增加至与下部饱和区相连时，应考虑二者的水力联系。

鉴于目前悬臂式(扶壁式)挡土墙在水利工程中使用广泛，本次以悬臂式挡土墙为例说明降雨工况下挡土墙暂态水压力及相关荷载计算。图7显示了水工挡土墙在降雨工况下作用在挡土墙上的荷载，主要包括墙体自重、墙后填土重量、水重、水压力、土压力、扬压力等。

图7 挡土墙荷载计算示意图

暂态水压力按静水压力分布，最大暂态水压力为：

uz=γwhz

(1)

式中，hz—降雨入渗深度。

暂态水压力合力为：

(2)

对于悬臂式挡土墙，土压力按第二破裂面法进行计算[21]，采用水土分算，在计算非饱和区及饱和区时应考虑上部暂态水压力的作用，各分层处土压力强度分别为：

(3)

e1下=γsath1Ka

(4)

e2=(γsath1+γh2)Ka

(5)

(6)

式中，e1上、e1下、e2、e3—暂态饱和区与非饱和区分界面上下、非饱和区与饱和区分界面和底部主动土压力标准值；h1、h2、h3—暂态饱和区、非饱和区和饱和区土层厚度。

2.2 稳定计算

2.2.1抗滑计算

挡土墙沿基底的抗滑稳定安全系数计算式为：

(7)

式中，f—基底摩擦系数；∑G—作用在挡土墙的竖向荷载；∑H—作用在挡土墙的水平荷载，由图7可知，∑G=Gs+Gq+Gt-U；∑H=Ea+V2+V3-V1。

2.2.2抗倾计算

挡土墙的抗倾覆稳定安全系数计算式为：

(8)

式中，∑MV—对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩；∑MH—对挡土墙基底前趾的倾覆力矩。

3 实例研究

3.1 工程概况

某排涝站，位于安徽省马鞍山市，设计流量30m3/s，设计水位5.5m，总功率2130kW，泵站前池两侧采用钢筋砼悬臂式挡土墙，最大墙高5.7m，开挖坡比1∶2，基底坐落于淤泥质粉质黏土，承载力特征值70kPa，地基处理采用D600水泥土搅拌桩，桩间距1.0m，处理后地基承载力特征值118kPa，根据类似工程经验，取基底摩擦系数f=0.30，墙后回填土综合内摩擦角取35°。挡土墙采用排水，纵向间距2m，挡土墙计算简图如图8所示。

图8 泵站前池两侧挡土墙计算简图(单位:mm)

3.2 挡土墙稳定分析

墙后降雨因下部土层性质不同对挡土墙稳定影响的机理存在着区别，因此，分别对墙后回填砂性土和黏性土在降雨工况下进行稳定分析，计算时考虑3种工况，工况1为正常运行期(降雨入渗深度视为0)；工况2为正常运行期遭遇降雨；工况3为排水体失效状况(墙后回填砂土)。根据降雨强度的不同，降雨入渗深度为0.5～2.5m，计算间隔为0.5m。

图9 挡土墙(砂)稳定安全系数与降雨入渗深度关系图

图9表示墙后回填砂性土时，挡土墙稳定安全系数与降雨入渗深度的关系。由图9可看出，降雨入渗深度对挡土墙抗滑和抗倾稳定安全系数的影响基本一致，相对于挡土墙抗倾稳定，降雨对挡土墙抗滑稳定影响更大；在降雨形成的暂态水位低于挡土墙顶部排水孔时，挡土墙抗滑和抗倾稳定安全系数与降雨入渗深度几乎成线性关系，抗滑稳定安全系数与抗倾稳定安全系数最大分别降低36.2%和19.8%。在降雨形成的暂态水位超过挡土墙顶部排水孔时，挡土墙抗滑稳定安全系数与抗倾稳定安全系数不变，这里主要是考虑了排水孔的排水。

图10 挡土墙(黏)安全系数与降雨入渗深度关系图

图10表示墙后回填黏性土时，挡土墙稳定安全系数与降雨入渗深度的关系。由图10可看出，降雨入渗深度对挡土墙抗滑和抗倾稳定安全系数的影响基本一致，相对于挡土墙抗倾稳定，降雨对挡土墙抗滑稳定影响更大；在降雨形成的暂态水位高于墙后稳定水位时，挡土墙抗滑和抗倾稳定安全系数与降雨入渗深度几乎成线性关系，降雨入渗深度每增加0.5m，挡土墙抗滑和抗倾稳定安全系数分别降低0.105和0.093；在降雨形成的暂态水位低于墙后稳定水位时，挡土墙抗滑和抗倾稳定安全系数出现急剧降低，降幅分别达到41%和16.7%。

图11 抗滑稳定安全系数与降雨入渗深度关系图

图11表示挡土墙抗滑稳定安全系数与降雨入渗深度的关系。由图11可看出，墙后回填不同性质土，降雨对挡土墙稳定的影响不同，墙后回填砂土时，在降雨前期，由于砂土渗透系数大，降雨很容易入渗到墙后稳定地下水位处，对地下水进行补给，导致地下水位升高，挡土墙抗滑稳定安全系数降低较快，随着降雨入渗的增加，位于排水管上方的雨水开始排出，挡土墙抗滑稳定安全系数趋于稳定。但是当考虑排水体失效时，由于墙后雨水不能顺利排出，挡土墙抗滑稳定安全系数继续降低，最大降幅达50.4%。墙后回填黏土时，由于黏土渗透系数小，降雨仅在填土表层形成暂态饱和区，暂态饱和区形成的暂态水压力与墙后稳定水位形成的静水压力相互独立，挡土墙抗滑稳定安全系数降低较慢，随着降雨入渗的增加，暂态饱和区厚度也在增加，当暂态饱和区与饱和区连为一体时，挡土墙抗滑稳定安全系数急剧降低。

图12 抗倾稳定安全系数与降雨入渗深度关系图

图12表示挡土墙抗倾稳定安全系数与降雨入渗深度的关系。由图12可看出，在降雨前期，墙后回填砂土时降雨对挡土墙抗倾稳定的影响较墙后回填黏土时大，随着降雨入渗深度增加，墙后回填砂土时降雨对挡土墙抗倾稳定的影响较墙后回填黏土时小，与降雨对挡土墙抗滑稳定影响一致。

4 结论

本文探讨了降雨对挡土墙稳定影响机理分析，阐述了降雨工况下墙后暂态水压力、土压力及挡土墙抗滑抗倾计算。通过实例研究，得到以下结论。

(1)无论墙后回填砂土还是黏土，降雨对挡土墙抗滑稳定和抗倾稳定的影响是一致的，但在影响程度上，降雨对挡土墙抗滑稳定的影响要大于对挡土墙抗倾稳定的影响。

(2)墙后回填砂土时，降雨对挡土墙稳定的影响程度先大后小，挡土墙稳定安全系数最终趋于稳定值，抗滑稳定安全系数与抗倾稳定安全系数最大分别降低36.2%和19.8%。但是若考虑排水体失效，挡土墙抗滑稳定安全系数最大降低50.4%。

(3)墙后回填黏土时，降雨对挡土墙稳定的影响程度先小后大，当降雨入渗深度达到墙后稳定水位时，挡土墙抗滑和抗倾稳定安全系数出现急剧降低，降幅分别达到41%和16.7%。