水工擋土墻設計、計算及在工程應用中需注意的幾個問題

韓超　李輝

摘 要：簡要介紹擋土墻在工程實際中設計、計算過程，并總結了在擋土墻計算及應用過程中需注意的幾個問題。

關鍵詞：水工；擋土墻；設計；計算；問題

1 研究背景

改革開放以來，水利投資不斷加大。隨著投資不斷加大，近年來修建了大量水工建筑物，這些水工建筑物為社會經濟發展及保護人民群眾生命財產安全發揮了巨大作用。在興建的各種水工構筑物中，擋土墻在各種水利水電工程及各種渠系建筑物中有著廣泛的應用，在其中大部分的水工構筑物設計中，都會遇到有關擋土墻的設計內容。下面將水工擋土墻計算及在各種水工建筑物中實際應用經驗總結如下。

水工擋土墻有多種形式。其中主要和常用的結構形式有重力式、衡重式、半重力式、懸臂式、扶臂式、板樁式和空箱式等。其中，在水工建筑物中應用最為廣泛的為重力式、懸臂式和扶臂式。

重力式擋土墻以墻體本身重量平衡外力以滿足穩定的要求，大多采用混凝土和漿砌石建造。重力式擋土墻由于體積、重量較大，在地基上往往由于受地基承載力限制，不宜太高，一般高度以6m以下較為經濟。由于重力式擋土墻多就地取材、施工方便、構造簡單、造價相對較低，故在中、小型水工建筑物或一些不宜修建混凝土部位廣泛應用。懸臂式擋土墻由斷面較小的立墻身和底板（前趾板和踵板）組成，屬于輕型鋼筋混凝土結構。其穩定性主要靠踵板上填土重來保證。懸臂式擋土墻可以在較高范圍內應用。一般8米以下高度范圍內應用較多。扶臂式擋土墻由墻面板、底板（前趾板和踵板）和扶臂三部分組成，屬輕型鋼筋混凝土結構。其穩定性主要靠踵板以上填土重來保證。高度大于10m的擋土墻多采用這種形式。扶臂式擋土墻一般在大型水利水電工程中有較廣泛的應用。

2 擋土墻設計的基本內容

2.1 擋土墻的穩定性驗算

擋土墻的穩定性驗算包括以下內容：（1）抗滑穩定性驗算。（2）抗傾穩定性驗算。（3）地基應力驗算和應力大小比、偏心距控制。

2.2 擋土墻的結構設計

對混凝土、漿砌石擋土墻進行截面的壓應力、拉應力及剪應力驗算，對鋼筋混凝土擋土墻各部分結構進行強度和配筋的計算。

2.3 擋土墻的細部構造

擋土墻細部構造主要包括擋墻合理分縫及止水、排水設計等。

3 擋土墻設計基本步驟

以前擋土墻穩定計算均采用手工計算，其基本步驟為：首先初步擬定斷面尺寸，根據擋土墻斷面尺寸及水位、填土和地基強度指標等相關條件，參考已有工程建設經驗，初擬出斷面輪廓尺寸及各部分的結構尺寸；根據正常運用、設計、校核、施工及建成等各種情況分別進行相應外荷載計算，然后列表求出各種荷載組合情況下的水平力、垂直力及對前趾端點產生的力矩；擋土墻穩定性驗算，根據上述計算結果，對各種設計情況分別進行抗滑、抗傾穩定和地基應力的驗算，要求穩定安全系數、地基應力滿足相關規范要求；如不滿足上述要求，應改變斷面輪廓尺寸或采用增加穩定措施，重新進行穩定驗算，直到滿足要求為止；選擇出最不利設計和荷載組合情況對各截面強度進行驗算或配筋計算；最后進行相應的細部構造設計。

4 計算實例

由于篇幅所限，文章僅以懸臂式鋼筋混凝土擋土墻在工程實際中穩定計算及應用舉例說明。某堤防工程，防洪標準為50年一遇，工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級。沿河兩側修建鋼筋混凝土懸臂式擋土墻，墻身結構尺寸見表1。

擋土墻計算已知條件：墻后填土水平，中等密實粘土地基，回填砂礫土，地基容許承載力[R]=180KN/m2，容許應力大小比[η]=2.5，基地摩擦系數f=0.4，抗滑穩定系數KC≥[KC]=1.3，抗傾穩定系數K0 ≥[K0]=1.5，其他計算參數見擋土墻計算參數表（表2）。

擋土墻穩定計算公式與整體穩定計算公式相同，采用理正計算機軟件計算。采用軟件計算具有修改簡便、計算效率高、可采用多種工程措施、多種情況設計等多項優點，并且可針對多種擋土墻形式進行計算，可涵蓋大多數現階段在工程中應用的擋土墻計算。荷載組合見表3。

其中

（1）土壓力采用庫倫土壓力公式計算。

計算公式：

（2）抗傾覆穩定計算公式：

式中：K0-擋土墻抗傾覆穩定安全系數；∑My-對擋土墻基地前趾的抗傾覆力矩（KN/m）；∑Mh-對擋土墻基底前趾的傾覆力矩（KN/m）。

（3）抗滑穩定計算公式：

KC-擋土墻沿基底面的抗滑穩定安全系數；f-擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數，取0.4。

（4）擋土墻基地應力計算：

Pmax/min-擋墻基底應力最大值或最小值；∑G-作用在擋土墻上的全部垂直于基底面的荷載（KN）；∑M-作用在擋土墻上全部荷載對于基底面平行前墻墻面方向形心軸的力矩之和（KN/m）；A-擋墻基底面的面積（m2）；W-擋墻基底面對于基底面平行前墻墻面方向形心軸的截面積矩（m3）。

（5）地基應力不均勻系數。

Pmax-擋土墻基底應力的最大值；Pmin-擋土墻基底應力的最小值。

以上（2）-（5）公式中的計算參數如下：

[η]-基底應力最大值與最小值之比的允許值，[η]=2.5；[σ]-地基允許承載力；[KC]-允許的抗滑穩定系數，[KC]=1.3；[K0]-允許的抗傾覆滑穩定系數，[K0]=1.5。

經計算各項系數均滿足穩定要求。

5 計算及實際應用中需注意問題

5.1 基礎資料收集

由于擋土墻應用廣泛，受力復雜，所以在計算之前，應做好基礎資料收集工作，包括地基參數選擇、填土參數選擇、合理確定強度安全系數等。應注意在計算前期收集齊需要用的計算資料，并且保證資料的正確，這樣才能做到事半功倍，為接下來的計算打好基礎。

5.2 擋土墻運用情況選擇

作用在擋土墻上的荷載主要有擋墻自重及填土重、在填土面上恒載及汽車、人群等臨時的活荷載、土壓力、靜水壓力、揚壓力（包括基地浮托力和滲透壓力）、浪壓力等，擋土墻在施工、建成、檢修和運用時期，上述各種荷載會產生不同組合情況，在設計中需要將同時作用的各種荷載進行組合，并將水位作為組合的主要條件來考慮。一般在整體穩定驗算中，選擇以下三種情況：（1）完建期，作用于擋土墻的荷載，主要有擋土墻自重和土壓力，擋墻后地下水位高時，墻后受靜水壓力，底部受揚壓力作用；此種情況最危險，相當于擋墻前無水墻后填土為水平填土，易形成傾覆破壞，在計算時一定要注意；（2）正常運用期，上游為正常擋水位，下游為相應的低水位，此種情況為正常運用時的一般情況，此時作用擋土墻上荷載有自重、土壓力、水重、靜水壓力、揚壓力、浪壓力等；（3）非常擋水期，上游為校核擋水位，下游為相應低水位，作用荷載類型與正常運用期荷載類型相同，只是具體荷載大小不同；一般在擋墻計算中取前兩種情況作為計算工況來考慮。還有一個重要的問題就是墻前墻后水位的確定。要根據作用不同荷載不同組合，來確定墻前墻后水位。墻前一般為正常擋水位，需注意的是正常運用期墻后水位確定，一定要慎重。經過大量計算發現，墻后水位大于墻前水位則擋墻極易發生傾覆破壞，地基應力也不滿足要求，這在計算中需要格外注意。

5.3 墻后填土內摩擦角確定

大多數擋土墻其穩定性主要靠踵板上填土重來保證，其中墻后填土內摩擦角是一項很重要的參數，一般由土工試驗確定。在這一過程中應保證實驗數據準確，因為這一數據直接影響到擋土墻穩定性計算。

5.4 細部構造設計

擋土墻的細部構造設計同樣重要，如合理確定擋墻的分縫位置、止水、排水設計等內容。一般在混凝土結構擋土墻15m-20m設一道伸縮縫，漿砌石結構擋土墻10m左右設一道伸縮縫，伸縮縫用瀝青木板或者橡塑閉孔發泡板處理，縫寬2cm；為防止墻后水位過高，在適當位置應設置一排或者幾排排水孔，以排泄墻后水位，以利穩定；一般排水管使用PVC管，內填砂礫石，在排水管后部用無紡布包裹，以防止帶走墻后填土。

6 結束語

擋土墻應用范圍較廣、受力復雜、結構形式多種多樣，文章僅是在計算及實際應用中總結出幾點經驗。擋土墻計算及運用是一個非常復雜的過程，在工程實踐中還有許多不同情況沒有發現，需日后不斷完善。

參考文獻

[1]水工擋土墻設計[M].中國水利水電出版社，1996.

[2]SL379-2007.水工擋土墻設計規范[S].

作者簡介：韓超，男，中級工程師，在職研究生學歷，現就職于赤峰市水利規劃設計研究院，從事水利規劃、設計工作。

李輝（1985，10-），男，本科，2007年畢業于內蒙古農業大學，學士學位，現就職于赤峰市水利規劃設計研究院，中級工程師。