劉春梅，李 軍

(1.黑河市水務(wù)局，黑龍江 黑河 164300；2.黑河市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，黑龍江 黑河 164300)

宋集屯水庫(kù)溢洪道尾水渠衡重式擋土墻設(shè)計(jì)

劉春梅1，李 軍2

(1.黑河市水務(wù)局，黑龍江 黑河 164300；2.黑河市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，黑龍江 黑河 164300)

宋集屯水庫(kù)尾水渠常年受水流沖刷，現(xiàn)擋土墻已不能正常使用，急需重新修建。本文根據(jù)宋集屯水庫(kù)溢洪道的尾水渠兩側(cè)擋土墻設(shè)計(jì)方案，給出了衡重式擋土墻的設(shè)計(jì)、計(jì)算過(guò)程，為衡重式擋土墻設(shè)計(jì)提供參考。

衡重式擋土墻；設(shè)計(jì)；土壓力；計(jì)算

1 概 況

宋集屯水庫(kù)位于黑龍江省黑河市愛(ài)輝區(qū)西崗子鎮(zhèn)境內(nèi)，公別拉河支流阿陵河下游，距黑河市50 km，地理坐標(biāo)為東經(jīng)127°17′、北緯49°56′。壩址以上流域面積295 km2，是一座以灌溉、防洪為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚(yú)等綜合利用的中型水庫(kù)。宋集屯水庫(kù)樞紐工程由攔河壩、溢洪道、引水建筑物、發(fā)電廠(chǎng)及尾水渠等組成。

2 溢洪道尾水渠工程現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

宋集屯水庫(kù)溢洪道建于1963年，溢洪道尾水渠總長(zhǎng)224.00 m，底寬為25.43～33.59 m，坡比1∶0.5～1∶0.9，底坡i=0.002。溢洪道尾水渠已運(yùn)行多年，常年受水流沖刷，因資金限制，尾水渠一直沒(méi)有進(jìn)行過(guò)維修加固，尾水渠右側(cè)邊坡沖刷得立陡，左側(cè)邊坡不成形，現(xiàn)已不能正常運(yùn)用，不但影響溢洪道正常泄流，而且對(duì)兩岸及下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，重新修建尾水渠刻不容緩[1]。

3 尾水渠兩側(cè)擋土墻設(shè)計(jì)

3.1 尾水渠兩側(cè)擋土墻型式選擇比較方案

分別對(duì)溢洪道尾水渠兩側(cè)邊墻采用衡重式擋土墻和懸臂式擋土墻兩方案進(jìn)行比較，方案一：溢洪道尾水渠兩側(cè)邊墻為衡重式擋土墻，墻頂寬0.5 m，底寬2.0 m，墻高5.2 m；方案二：溢洪道尾水渠兩側(cè)邊墻為懸臂式擋土墻，墻頂寬0.4 m，底寬4.6 m，墻高5.5 m；投資見(jiàn)表1。

表1 溢洪道尾水渠兩側(cè)不同型式擋土墻投資比較表

經(jīng)兩方案分析比較，方案一造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)上合理，所以本次設(shè)計(jì)采用方案一衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)型式方案，墻頂寬0.5 m，底寬2.0 m，墻高5.2 m。

3.2 衡重式擋土墻設(shè)計(jì)資料

衡重式擋土墻為4級(jí)建筑物，基本荷載組合，擋土墻墻高5.2 m，基礎(chǔ)埋深1.0 m，墻后填土水平，地基為碎石土，墻后回填風(fēng)化巖。地基容許承載力[R]=300 kPa，地基與基礎(chǔ)內(nèi)摩擦系數(shù)f=0.45，填土濕容重γ=26.1 kN/m3，γ飽=26.1 kN/m3，γ浮=15.1 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=28°，墻背摩擦角δ=φ，滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)[Kc]=1.2，抗傾安全系數(shù)[K0]=1.4，基底壓力分布不均勻系數(shù)[η]=2.5，結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。衡重式擋土墻為增加安全性配置構(gòu)造筋，直徑為12 mm，間距為200 mm。

圖1 衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)圖

3.3 衡重式擋土墻受力分析

3.3.1 土壓力計(jì)算方法選用

目前通用的土壓力計(jì)算方法是庫(kù)侖理論(1773)和朗肯理論(1857)[2]。庫(kù)侖理論可用于墻背是垂直的或傾斜的、墻背是光滑的或粗糙的、墻后填土表面是水平的或是傾斜的、墻后填土表面無(wú)附加荷載或有附加荷載。庫(kù)侖理論計(jì)算土壓力所適用擋土墻墻背與鉛直線(xiàn)形成夾角的范圍是+20°～-20°之間。

3.3.2 庫(kù)侖理論的基本假定

(1)假定土中破裂面為一平面。

(2)墻后填土為均質(zhì)無(wú)粘性土。

(3)當(dāng)墻體發(fā)生一定位移(移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng))時(shí)，墻后土體中形成破裂棱體，并沿墻背和土中出現(xiàn)的破裂面滑動(dòng)。

(4)擋土墻和破裂棱體均視為剛體，破裂棱體處于極限平衡狀態(tài)，Ea與墻背法線(xiàn)方向成δ角，R與破裂面成φ度角，Ea和R均偏向阻止棱體滑動(dòng)的一側(cè)。

3.3.3 應(yīng)用庫(kù)侖理論的注意事項(xiàng)

(1)由于將墻后填土的曲面破裂面假定為平面破裂面，當(dāng)墻背為仰斜，且傾角(墻背與水平面的夾角)等于土壤內(nèi)摩擦角φ時(shí)，土壓力為零，但此情況下墻仍受壓力，原因則是墻背仰斜較大時(shí)，破裂面形狀更為彎曲，不是平面所能代表的，故引起較大偏差，設(shè)計(jì)者應(yīng)充分考慮到這一點(diǎn)。當(dāng)墻背為俯斜且傾角很大時(shí)，墻后填土可能產(chǎn)生第二破裂面，此時(shí)土壓力應(yīng)按第二破裂面計(jì)算，避免不必要的浪費(fèi)。因第二破裂面在第一破裂面內(nèi)側(cè)，所包圍的楔形土體比較小，故所產(chǎn)生的土壓力較第一破裂面情況時(shí)要小，設(shè)計(jì)擋土墻時(shí)，斷面尺寸應(yīng)酌情減小。

(2)由于庫(kù)侖理論假定滑動(dòng)面為平面，其計(jì)算方法更適合于砂性土，當(dāng)用于黏性土?xí)r，其土壓力計(jì)算公式有所不同，可用等效內(nèi)摩擦角計(jì)算，不可用錯(cuò)。

(3)假如墻后填土不是無(wú)限遠(yuǎn)的，即坡面陡于破裂面，如巖石、開(kāi)挖的坡面等，則與庫(kù)侖理論計(jì)算土壓力所假設(shè)的條件不符，存在有限范圍內(nèi)的填土問(wèn)題。此時(shí)，如果巖石或土壤的陡坡是穩(wěn)定的，則陡坡面就是破裂面，按力的平衡所求得主動(dòng)土壓力值比按庫(kù)侖理論計(jì)算的主動(dòng)土壓力要小一些，故擋土墻斷面尺寸可適當(dāng)減小。

(4)庫(kù)侖理論假定墻后填土是無(wú)限遠(yuǎn)的，即在足夠長(zhǎng)的距離內(nèi)是均勻的，并且是不變形但可以破裂，而且破裂面能夠在填土內(nèi)發(fā)生，填土顆粒沿破裂面下滑時(shí)對(duì)擋土墻產(chǎn)生側(cè)向壓力。墻后填土破裂面是一曲面，為計(jì)算方便，土壓力計(jì)算時(shí)假定為一平面，從這一平面(破裂面)與墻背之間形成的楔狀土體各力平衡中，求出最大土壓力。

本次土壓力計(jì)算選用庫(kù)侖理論計(jì)算。

3.3.4 衡重式擋土墻計(jì)算

衡重式擋土墻分別按上墻和下墻把兩力疊加起來(lái)進(jìn)行計(jì)算，上墻需計(jì)算第二破裂面，下墻可按虛擬墻背法計(jì)算[2-3]。

3.3.4.1 土壓力計(jì)算

(1)上墻土壓力計(jì)算(墻前后均無(wú)水)

第二破裂角

(1)

土壓力公式如下：

(2)

P1=γH1ka=28.32 kN/m

(3)

(4)

(2)下墻土壓力計(jì)算

土壓力公式如下：

ΔG1=γΔC1BC2=41.4 kN

(5)

ka′=

=0.13

(6)

(7)

(8)

Δα2=α2-α2′=2.43°

(9)

δ2′=δ2-Δα2=16.32°

(10)

(11)

E2=P2×H2=22.5 kN

(12)

(13)

E3=P3×H2=18 kN

(14)

式中：α為墻背傾角，°；δ為墻背摩擦角，°；ΔG為延長(zhǎng)墻背與實(shí)際墻背之間土楔重量，kN；Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)；E為作用于擋土墻的主動(dòng)土壓力，kN；P為土壓力強(qiáng)度，kN·m-1；EX，EY為土壓力的水平和垂直分力，kN；γ為填土的重度，kN·m-3；α1，α2為上墻和下墻墻背傾角，°；φ為土內(nèi)摩擦角，°；δ1，δ2為上墻和下墻的墻背摩擦角，°；H1，H2為上墻和下墻的墻高，m。

3.3.4.2 墻身自重、土重及各力對(duì)前趾力矩計(jì)算

墻身自重、土重計(jì)算及各力對(duì)前趾力矩計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 各力力矩計(jì)算表

∑G=311.74 kN

∑H=54.50 kN

∑M=355.94 kN·m

3.3.4.3 穩(wěn)定驗(yàn)算

(1)抗滑驗(yàn)算

(15)

滿(mǎn)足要求。

式中：KC為計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用于擋土墻基底全部豎向荷載之和，kN；∑H為作用于擋土墻全部水平向荷載之和，kN；f為擋土墻底面與地基土之間的摩擦系數(shù)；KC為容許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

(2)抗傾驗(yàn)算

(16)

滿(mǎn)足要求。

式中：∑MY為作用于墻身各力對(duì)墻前趾的穩(wěn)定力矩，kN；∑Mo為作用于墻身各力對(duì)墻前趾的傾覆力矩，kN；K0為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)。

(3)偏心矩及地基應(yīng)力驗(yàn)算

(17)

(18)

(19)

式中：B為擋土墻基底寬度，m；∑G為作用于擋土墻的全部豎向荷載之和，kN；∑M為各力對(duì)前趾端點(diǎn)力矩，kN；δmax為最大應(yīng)力，kPa；δmin為最小應(yīng)力，kPa；η為基底壓力分布不均勻系數(shù)。

所以地基應(yīng)力滿(mǎn)足要求，設(shè)計(jì)衡重式擋土墻尺寸合理。

4 結(jié) 論

宋集屯水庫(kù)溢洪道尾水渠建成后，保證了溢洪道正常泄流。通過(guò)對(duì)溢洪道尾水渠兩側(cè)邊墻的衡重式擋土墻的壓力計(jì)算，給出了計(jì)算土壓力的適用條件及土壓力的計(jì)算方法，為水工擋土墻的設(shè)計(jì)提供了算例，積累了經(jīng)驗(yàn)。

[1] 黑河市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院.黑河市宋集屯水庫(kù)水毀修復(fù)實(shí)施方案[R].黑河：黑河市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2013.

[2] 管楓年，薛廣瑞，王殿印.水工擋土墻設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1996.

[3] 中華人民共和國(guó)水利部.SL 379-2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

劉春梅(1979-)，女，工程師，主要從事防汛抗旱工作。E-mail：liuchunmei452@163.com

U417.1+1

A

2096-0506(2015)05-0044-03