周 健，侯 麗，張 峰

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 210098)

水工擋土墻在泵站、水閘、船閘及溢洪道等水工建筑物中有著非常廣泛的應(yīng)用，基本所有水工建筑物設(shè)計中都會有擋土墻的設(shè)計內(nèi)容，擋土墻作為水工建筑物中擋土或擋水的結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性直接影響工程的安全。

水工擋土墻多在有水條件下運行，擋土的同時也擔(dān)負(fù)著擋水的功能，這就造成了水工擋土墻復(fù)雜的運用條件[1-4]，因而，水工擋土墻對水位的變化更加敏感，降雨是水工擋土墻失事的一個重要因素。SL 379—2007《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》雖已明確了擋土墻穩(wěn)定性計算方法，但對降雨情況下，尤其是暴雨工況下水工擋土墻的穩(wěn)定分析并無明確規(guī)定。

目前降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響理論基本成熟，研究表明降雨在邊坡表層形成暫態(tài)飽和區(qū)是影響邊坡失穩(wěn)的重要因素[5-10]，但缺乏降雨工況下水工擋土墻的穩(wěn)定分析。本文針對降雨工況下水工擋土墻穩(wěn)定性問題，基于降雨邊坡暫態(tài)飽和區(qū)的概念，分析了降雨對擋土墻穩(wěn)定影響的機理，推導(dǎo)了降雨工況下墻后暫態(tài)水壓力、土壓力及擋土墻抗滑抗傾計算公式，選取安徽某泵站前池兩側(cè)擋土墻為研究對象，探討了降雨工況下水工擋土墻的穩(wěn)定變化規(guī)律，對評價降雨工況下水工擋土墻穩(wěn)定提供依據(jù)。

1 降雨對擋土墻穩(wěn)定影響機理分析

降雨入滲是一個非常復(fù)雜的過程[10-17]，包括坡頂入滲、坡面入滲、順裂隙入滲等多種形態(tài)，圖1為邊坡降雨入滲示意圖，圖2為擋土墻墻后降雨入滲示意圖，當(dāng)降雨強度大于土的入滲能力，一部分降雨形成地表徑流，另外一部分形成地下徑流，即降雨入滲部分。

圖1 邊坡降雨入滲示意圖

圖2 墻后降雨入滲示意圖

當(dāng)墻后回填土為砂性土，由于砂性土滲透系數(shù)較大，降雨可迅速通過土體間隙滲入到地下水位面，直接補給地下水，使地下水位上升，如圖3所示；當(dāng)墻后回填土為黏性土，由于黏性土滲透系數(shù)較小，降雨很難入滲到地下水位面，降雨不能直接補給地下水，穩(wěn)定地下水位上升有限，而填土面淺層很容易達(dá)到飽和狀態(tài)，形成暫態(tài)飽和區(qū)[9]，如圖4所示。

圖3 墻后回填砂性土降雨入滲示意圖

圖4 墻后回填黏性土降雨入滲示意圖

根據(jù)上述墻后降雨入滲模式，對于墻后回填砂性土，降雨對擋土墻穩(wěn)定影響主要體現(xiàn)在墻后地下水位上升，導(dǎo)致墻后水壓力增大，土的有效重度減小，引起擋土墻滑移或傾覆，這點與降雨對砂性土邊坡影響基本類似[8]；對于墻后回填黏性土，降雨對擋土墻穩(wěn)定影響主要體現(xiàn)在墻后暫態(tài)飽和區(qū)形成暫態(tài)水壓力，增加了滑動力或滑動力矩，引起擋土墻滑移或傾覆，這點與降雨對黏性土邊坡影響存在不同，降雨對黏性土邊坡穩(wěn)定的影響大多發(fā)生在邊坡淺部，引起邊坡淺層滑動[8]，而對于擋土墻來說，雖然暫態(tài)飽和區(qū)也在填土淺層，但由于擋土墻本身可視為剛體，暫態(tài)飽和區(qū)形成的暫態(tài)水壓力的影響也體現(xiàn)在擋土墻的整體穩(wěn)定上。

2 降雨工況下?lián)跬翂Ψ€(wěn)定性分析

2.1 暫態(tài)水壓力及相關(guān)荷載計算

對墻后回填砂性土，墻后水壓力可直接按降雨之后形成的暫態(tài)水位線計算，但考慮到砂性土滲透系數(shù)較大，入滲部分也更容易從擋土墻排水管排出，故這里假定墻后暫態(tài)水位線不超過墻前水位以上的第一根排水管，如圖5所示。下面重點討論墻后回填黏性土擋土墻穩(wěn)定性分析。

圖5 考慮排水孔暫態(tài)飽和區(qū)示意圖

關(guān)于邊坡降雨形成的暫態(tài)水壓力計算在SL 386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》和相關(guān)文獻(xiàn)中[9]已作出說明，SL 386—2007中D.2.9條規(guī)定，對降雨和泄水雨霧造成邊坡坡體表層一定深度形成暫態(tài)飽和的情況，在計算孔隙壓力時，宜進(jìn)行折減；文獻(xiàn)[9]認(rèn)為鉛直剖面上懸掛暫態(tài)飽和區(qū)內(nèi)的暫態(tài)水壓力則從上至下呈現(xiàn)上下小、中間大的非線性分布特點，通過假定系數(shù)(λ)來確定暫態(tài)水壓力的最大值位置。圖6表示不同方法采用的邊坡暫態(tài)孔壓分布。

圖6 不同方法采用的邊坡暫態(tài)孔壓分布圖

相對于邊坡降雨形成的暫態(tài)飽和區(qū)[9，13]，墻后降雨形成的暫態(tài)飽和區(qū)歷時更長，這主要是因為墻后排水路徑單一，僅能通過排水管排出，同時黏性土滲透系數(shù)較小，在降雨期間下滲水更不易排出，因此暫態(tài)水壓力可以采用靜水壓力分布，這與SL 386—2007中所述美國一些工程的假定是一致的[20]，此外對于暫態(tài)飽和區(qū)與飽和區(qū)之間的非飽和區(qū)可視作相對隔水層，該隔水層主要起到阻斷其與下部穩(wěn)定地下水的水力聯(lián)系，由此可以得出擋土墻墻后暫態(tài)水壓力具有以下特性或作出以下假設(shè)：暫態(tài)飽和區(qū)形成的暫態(tài)水壓力與下部穩(wěn)定地下水位形成的靜水壓力互相獨立，不考慮二者的水力聯(lián)系，但當(dāng)暫態(tài)飽和區(qū)厚度增加至與下部飽和區(qū)相連時，應(yīng)考慮二者的水力聯(lián)系。

鑒于目前懸臂式(扶壁式)擋土墻在水利工程中使用廣泛，本次以懸臂式擋土墻為例說明降雨工況下?lián)跬翂簯B(tài)水壓力及相關(guān)荷載計算。圖7顯示了水工擋土墻在降雨工況下作用在擋土墻上的荷載，主要包括墻體自重、墻后填土重量、水重、水壓力、土壓力、揚壓力等。

圖7 擋土墻荷載計算示意圖

暫態(tài)水壓力按靜水壓力分布，最大暫態(tài)水壓力為：

uz=γwhz

(1)

式中，hz—降雨入滲深度。

暫態(tài)水壓力合力為：

(2)

對于懸臂式擋土墻，土壓力按第二破裂面法進(jìn)行計算[21]，采用水土分算，在計算非飽和區(qū)及飽和區(qū)時應(yīng)考慮上部暫態(tài)水壓力的作用，各分層處土壓力強度分別為：

(3)

e1下=γsath1Ka

(4)

e2=(γsath1+γh2)Ka

(5)

(6)

式中，e1上、e1下、e2、e3—暫態(tài)飽和區(qū)與非飽和區(qū)分界面上下、非飽和區(qū)與飽和區(qū)分界面和底部主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值；h1、h2、h3—暫態(tài)飽和區(qū)、非飽和區(qū)和飽和區(qū)土層厚度。

2.2 穩(wěn)定計算

2.2.1抗滑計算

擋土墻沿基底的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算式為：

(7)

式中，f—基底摩擦系數(shù)；∑G—作用在擋土墻的豎向荷載；∑H—作用在擋土墻的水平荷載，由圖7可知，∑G=Gs+Gq+Gt-U；∑H=Ea+V2+V3-V1。

2.2.2抗傾計算

擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)計算式為：

(8)

式中，∑MV—對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩；∑MH—對擋土墻基底前趾的傾覆力矩。

3 實例研究

3.1 工程概況

某排澇站，位于安徽省馬鞍山市，設(shè)計流量30m3/s，設(shè)計水位5.5m，總功率2130kW，泵站前池兩側(cè)采用鋼筋砼懸臂式擋土墻，最大墻高5.7m，開挖坡比1∶2，基底坐落于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，承載力特征值70kPa，地基處理采用D600水泥土攪拌樁，樁間距1.0m，處理后地基承載力特征值118kPa，根據(jù)類似工程經(jīng)驗，取基底摩擦系數(shù)f=0.30，墻后回填土綜合內(nèi)摩擦角取35°。擋土墻采用排水，縱向間距2m，擋土墻計算簡圖如圖8所示。

圖8 泵站前池兩側(cè)擋土墻計算簡圖(單位:mm)

3.2 擋土墻穩(wěn)定分析

墻后降雨因下部土層性質(zhì)不同對擋土墻穩(wěn)定影響的機理存在著區(qū)別，因此，分別對墻后回填砂性土和黏性土在降雨工況下進(jìn)行穩(wěn)定分析，計算時考慮3種工況，工況1為正常運行期(降雨入滲深度視為0)；工況2為正常運行期遭遇降雨；工況3為排水體失效狀況(墻后回填砂土)。根據(jù)降雨強度的不同，降雨入滲深度為0.5～2.5m，計算間隔為0.5m。

圖9 擋土墻(砂)穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨入滲深度關(guān)系圖

圖9表示墻后回填砂性土?xí)r，擋土墻穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨入滲深度的關(guān)系。由圖9可看出，降雨入滲深度對擋土墻抗滑和抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)的影響基本一致，相對于擋土墻抗傾穩(wěn)定，降雨對擋土墻抗滑穩(wěn)定影響更大；在降雨形成的暫態(tài)水位低于擋土墻頂部排水孔時，擋土墻抗滑和抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨入滲深度幾乎成線性關(guān)系，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)最大分別降低36.2%和19.8%。在降雨形成的暫態(tài)水位超過擋土墻頂部排水孔時，擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)不變，這里主要是考慮了排水孔的排水。

圖10 擋土墻(黏)安全系數(shù)與降雨入滲深度關(guān)系圖

圖10表示墻后回填黏性土?xí)r，擋土墻穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨入滲深度的關(guān)系。由圖10可看出，降雨入滲深度對擋土墻抗滑和抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)的影響基本一致，相對于擋土墻抗傾穩(wěn)定，降雨對擋土墻抗滑穩(wěn)定影響更大；在降雨形成的暫態(tài)水位高于墻后穩(wěn)定水位時，擋土墻抗滑和抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨入滲深度幾乎成線性關(guān)系，降雨入滲深度每增加0.5m，擋土墻抗滑和抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)分別降低0.105和0.093；在降雨形成的暫態(tài)水位低于墻后穩(wěn)定水位時，擋土墻抗滑和抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)出現(xiàn)急劇降低，降幅分別達(dá)到41%和16.7%。

圖11 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨入滲深度關(guān)系圖

圖11表示擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨入滲深度的關(guān)系。由圖11可看出，墻后回填不同性質(zhì)土，降雨對擋土墻穩(wěn)定的影響不同，墻后回填砂土?xí)r，在降雨前期，由于砂土滲透系數(shù)大，降雨很容易入滲到墻后穩(wěn)定地下水位處，對地下水進(jìn)行補給，導(dǎo)致地下水位升高，擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低較快，隨著降雨入滲的增加，位于排水管上方的雨水開始排出，擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)趨于穩(wěn)定。但是當(dāng)考慮排水體失效時，由于墻后雨水不能順利排出，擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)繼續(xù)降低，最大降幅達(dá)50.4%。墻后回填黏土?xí)r，由于黏土滲透系數(shù)小，降雨僅在填土表層形成暫態(tài)飽和區(qū)，暫態(tài)飽和區(qū)形成的暫態(tài)水壓力與墻后穩(wěn)定水位形成的靜水壓力相互獨立，擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低較慢，隨著降雨入滲的增加，暫態(tài)飽和區(qū)厚度也在增加，當(dāng)暫態(tài)飽和區(qū)與飽和區(qū)連為一體時，擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)急劇降低。

圖12 抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨入滲深度關(guān)系圖

圖12表示擋土墻抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)與降雨入滲深度的關(guān)系。由圖12可看出，在降雨前期，墻后回填砂土?xí)r降雨對擋土墻抗傾穩(wěn)定的影響較墻后回填黏土?xí)r大，隨著降雨入滲深度增加，墻后回填砂土?xí)r降雨對擋土墻抗傾穩(wěn)定的影響較墻后回填黏土?xí)r小，與降雨對擋土墻抗滑穩(wěn)定影響一致。

4 結(jié)論

本文探討了降雨對擋土墻穩(wěn)定影響機理分析，闡述了降雨工況下墻后暫態(tài)水壓力、土壓力及擋土墻抗滑抗傾計算。通過實例研究，得到以下結(jié)論。

(1)無論墻后回填砂土還是黏土，降雨對擋土墻抗滑穩(wěn)定和抗傾穩(wěn)定的影響是一致的，但在影響程度上，降雨對擋土墻抗滑穩(wěn)定的影響要大于對擋土墻抗傾穩(wěn)定的影響。

(2)墻后回填砂土?xí)r，降雨對擋土墻穩(wěn)定的影響程度先大后小，擋土墻穩(wěn)定安全系數(shù)最終趨于穩(wěn)定值，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)最大分別降低36.2%和19.8%。但是若考慮排水體失效，擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最大降低50.4%。

(3)墻后回填黏土?xí)r，降雨對擋土墻穩(wěn)定的影響程度先小后大，當(dāng)降雨入滲深度達(dá)到墻后穩(wěn)定水位時，擋土墻抗滑和抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)出現(xiàn)急劇降低，降幅分別達(dá)到41%和16.7%。