某水电站软基上的尾水挡土墙设计

摘要：水电站工程的厂房尾水挡土墙座落在软基上，在分析不同土压力的作用效果及其对各种型式挡土墙的分析计算，最终选择半重力式挡土墙。本文着重介绍半重力式挡土墙设计过程，包括设计、校核、检修、地震等各种情况下整体稳定计算及其强度计算，以便以后同类工程具有可借鉴之意义。

关键词：水电站；软基挡土墙；设计；借鉴

中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：

引言

水利枢纽工程发电厂房尾水出口外接尾水挡土墙，以便形成厂区地面，挡墙后面为回填土。由地质勘查得知地质条件较差，尾水挡土墙座落砂砾石基础之上，软基上的挡土墙设计和岩基上挡土墙设计不同，既要复核其的抗倾覆稳定性、抗滑稳定性，还要保证基础应力的不均匀系数不大于允许值。土压力是挡土墙设计的主要基本荷载，土压力的大小直接影响挡土墙需用材料数量、结构断面尺寸及其工程总造价。所以合理的挡土墙设计其关键问题之一是关于土压力计算方法的研究，已经成为设计的研究热点。

对软基上挡土墙后倾问题作一试探性研究，因软基上的挡土墙后倾结果，使挡土墙及地基变形情况与理论公式假定的边界变形不相同，这时无论用主动土压力、被动土压力或静止土压力显然均不合理，因此产生了各种不同论点。软基上挡土墙后倾主要由地基不均匀沉降所引起，其与拱桥侧推力等而造成的挡土墙后倾性质是完全不同的，应当用主动土压力进行挡土墙的设计，且填土相对于墙的下沉结果，在一些情况下对墙的稳定变得有利，这一因素设计时应予考虑。

目前挡土墙的压力计算方法，工程中较普遍应用的就是库、朗二氏公式，但两公式的应用条件和理论土压力与实际发生的土压力差距等，在工程的设计中没有达成一致。库伦公式与朗肯公式都是目前通用的公式均是可行的，这已经被国内外大量的工程实践所证实，是无可非议的。与此同时也应对存在的问题作进一步的研究，使土压力计算方法能向前推进一步，达到所设计的挡土墙更加经济合理，并在技术上保证其可靠性。本文着重介绍半重力式挡土墙设计过程，包括设计、校核、检修、地震等各种情况下整体稳定计算及其强度计算，以便以后同类工程具有可借鉴之意义。

挡土墙型式的选择

挡土墙有很多种型式:重力式、衡重式、扶壁式、悬臂式、半重力式等。衡重式挡土墙主要适合于能开挖成较陡边坡的地基条件，一般以不宜超过6m高。扶臂式挡土墙是轻型钢筋混凝土挡墙的一种型式，该类型式挡墙虽然施工较复杂，但在墙高大于9-10m时经济效果比较好。悬壁式挡土墙是轻型钢筋混凝土挡墙的主要型式之一，墙高在6m以下时较为经济合理。重力式挡土墙，一般设计时首先考虑的，其主要优点是施工方便，但由于在软基上往往受地基承载力及其不均匀系数的要求，其建筑高度受到限制。从经济的角度讲，墙高不宜超过6m。

半重力式挡土墙，是将重力式挡土墙的底脚放大，而截面减小，这样可以减小地基应力以适应软弱地基的要求。这种型式的主要优点是:施工流程及其工艺简单，体积约比重力式挡土墙减小40%～50%，能充分利用混凝土的抗拉强度。地基应力小并且均匀，适用于软弱地基，可不用或仅用少量钢筋，可采用较低标号的混凝土。

某水利枢纽工程尾水挡墙的特点：最大墙高12.80m，最小墙高6m，地基承载力390kN/m，混凝土和砂砾石间的摩擦系数为0.52，回填土的内摩擦角为31.9°，基础按中等密实考虑。

半重力式挡土墙、扶壁式挡土墙及其悬壁式挡土墙均可行，但由于底板出口有1∶4.2的反坡，其墙体底高程是渐变的，因此墙高也随之变化从11.78-5.96m，如果选用混合式，会给施工带来麻烦；若选择扶壁式挡土墙，墙高大于9-10m的较为经济；如选悬臂式挡土墙，有一半以上挡土墙高大于8m，经济效益不佳。最后根据本工程的特点及各种型式挡墙的优缺点，选择半重力式挡土墙较为合适。

挡土墙断面的选择

半重力式挡土墙主要由底板和立板组成，其稳定性是依靠底板上的填土重量来平衡的。为使地基应力均匀、墙体稳定，在立板和底板间应该设置两个折点，将墙做成折线形截面，并加大底板尺寸。具体的尺寸确定主要是验证以下内容是否满足要求:（1）关于地基承载力，一般包括的内容：一是地基应力不应该超过容许的承载力，保证地基不出现过大的沉陷；二是地基应力大小比不应大于允许值，保证挡土墙不因过大不均匀沉陷而产生前倾或者变位。（2）抗滑稳定，保证挡土墙不产生滑动破坏。

以满足基底应力分布不均匀系数的容许值，在计算的过程中最麻烦的是调整各部位尺寸。控制底板较小时最有效方法是加宽前趾板，当加宽至2.42m时，最大断面处=226.7kN/m，=93.71kN/m，不均匀系数=2.42< [] 。这时虽然地基承载力及不均匀系数均满足其容许值，但在配筋计算和强度验算时，强度不满足，配筋量需要加大。把前趾板减小至1.52m，后趾板也相应加宽后效果很好，前趾板配筋也减少了一半。由于后趾板加宽需增加部分开挖量。

挡土墙的稳定计算

半重力式挡土墙主要由底板和立板组成，其稳定性是依靠底板上的填土重量来平衡的。为使地基应力均匀、墙体稳定，在立板和底板间应该设置两个折点，将墙做成折线形截面，并加大底板尺寸。具体的尺寸确定主要是验证以下内容是否满足要求:（1）关于地基承载力，一般包括的内容：一是地基应力不应该超过容许的承载力，保证地基不出现过大的沉陷；二是地基应力大小比不应大于允许值，保证挡土墙不因过大不均匀沉陷而产生前倾或者变位。（2）抗滑稳定，保证挡土墙不产生滑动破坏。

在断面选择的中软基上的挡土墙稳定计算已经考虑，现在仅需计算抗滑稳定，其抗倾覆稳定已不是控制条件，因为软基上的挡土墙易于产生前倾破坏时，在前趾基底会产生很大的土压应力，以使前趾应力和后趾应力比值过大，而其应力大小比在软基上挡土墙的设计中受到严格控制。当应力大小比满足要求时，同时抗倾稳定也必然要满足要求，其安全系数远远大于容许值。抗滑稳定计算按局部抗剪公式计算，计算工况下抗滑稳定如下：（1）设计洪水工况：墙体自重+设计洪水静水压力+扬压力+地面活荷载+土压力。（2）施工工况：墙体自重+施工时静水压力+扬压力+地面活荷载+土压力。（3）校核洪水工况：墙体自重+校核洪水静水压力+扬压力+土压力。（4）地震工况：墙体自重+设计洪水静水压力+扬压力+地震力+土压力。其中地震工况中，用拟静力法计算了作用在墙体上的土压力，此方法是计算土压力时考虑一地震角，八度地震时的地震角为水上三度，水下五度。也就是将库仑理论土压力公式中的：

改变为：

其中：是土的内摩察角；是填土的容重；是挡土墙的高度；是墙背的倾斜角；墙后填土表面的倾斜角；墙背与填土间的摩察角；是地震角。

各种工况条件下的应力计算按常规方法计算，计算结果如表1所示。

表1应力计算结果表

挡土墙的排水设计

挡土墙后面的填土内常有地下水，这不仅增加了挡土墙水平方向的外荷载，而且使回填土的强度大大降低，侧向土压力也增大。为使墙后填土中积水及时排出，使其土体处于非饱和状态，在墙身每隔2.52m设一排水孔，在高挡墙处需要设两排，低挡墙处设一排。排水圆孔直径设置为100mm。另外为了防止土体发生管涌，在排水孔进口处设置反滤层，反滤料主要根据粒径大小分为三层，第一层是迎水层宜为粗砂，第二层是20-50mm的碎石层，第三层是50～80mm的碎石层。为避免排水孔的堵塞，宜在排水孔进口处需设置一层孔眼为30mm的钢筋网。

结论

本文主要介绍了挡土墙的土压力及其挡土墙设计过程，主要介绍挡土墙形式的选择，截面的选择、稳定计算及其排水计算，同时也考虑了地震等各种情况下整体稳定计算和各部位的强度计算，以便以后同类工程具有可借鉴之意义。

参考文献：

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