馬 猛
(遼寧省本溪水文局,遼寧 本溪 117000)
水閘在工程設(shè)計時需要對加筋擋墻的穩(wěn)定性進行分析。常用的方法主要采用物理模型試驗以及原位觀測試驗進行分析,從而水閘加筋擋墻的穩(wěn)定性分析[1]。早期對于水閘加筋擋墻穩(wěn)定性分析由于缺少定量分析方法,大都采用原位觀測試驗進行分析[2-6],這種方式適合于小型閘壩的工程建設(shè),而對于大中型閘壩建設(shè)由于試驗成本較大,適用性不高。后期在國內(nèi)一些大中型閘壩工程建設(shè)中,通過設(shè)計區(qū)域水流、土質(zhì)分析,采用土壓力系數(shù)進行閘壩穩(wěn)定性的分析[7-15],但該方法對于水閘加筋擋墻穩(wěn)定性的研究還較少,眾所周知,加筋擋墻是保持大中型閘壩穩(wěn)定的關(guān)鍵所在,因此亟需對其加筋擋墻的穩(wěn)定性進行分析,從而保障閘壩工程的權(quán)。為此文章結(jié)合土壓力系數(shù),以某中型閘壩為工程實例,對其加筋擋墻的穩(wěn)定性進行分析,從而為其他大中型閘壩工程加筋擋墻的穩(wěn)定設(shè)計方案提供重要參考價值。
土壓力系數(shù)主要分析閘壩加筋擋墻受孔隙水的影響程度,計算公式為:
(1)
式中:Ka為土壓力系數(shù)計算值;θ和φ分別為為加筋擋墻水平方向以及內(nèi)摩擦角,°。當(dāng)加筋擋墻縱向深度<6m,其土壓力系數(shù)計算公式為:
(2)
式中:Ki為不同深度下的土壓力系數(shù)計算值;Kj’為在靜水壓力作用下的土壓力系數(shù);Zi為不同加筋之間的水平距離,m,當(dāng)加筋擋墻縱向深度>6m,其土壓力系數(shù)計算公式為:
(3)
加筋擋墻在縱向和橫向深度的壓力計算公式分別為:
σzi=KiγZi
(4)
(5)
式中:q為靜載壓力負荷,kPa;Lc為擋墻靜載受力面壓力負荷寬度,m;Lci為縱向深度下的荷載擴散壓力,kPa。在縱向和橫向壓力負荷計算的基礎(chǔ)上,對其壓力總負荷進行計算:
∑σEi=σzi+σai
(6)
式中:σEi為擋墻總負荷,kPa。在縱向距離不同方向下的拉力計算公式為:
Ti=∑σEi·Sy
(7)
式中:Ti為水平總的壓力負荷,kPa。則其縱向深度的抗拔壓力的計算公式為:
(8)
式中:Tpi為縱向抗拔壓力荷載,kPa;f’為摩擦系數(shù);bi為加筋擋墻計算單元寬度,m;Lai為加固深度,m。對加筋擋墻穩(wěn)定性進行孔隙水下抗壓強度的驗證:
Tpi>γ0γR1γQ1Ti
(9)
式中:γ0為壓力系數(shù);γR1為調(diào)節(jié)系數(shù);γQ1為強度折減系數(shù)。
結(jié)合遼寧地區(qū)某中型閘壩建設(shè)為具有工程實例,分別采用充水試驗方式對其穩(wěn)定性系數(shù)進行分析和計算,孔隙水井水強度試驗主要通過充水破壞試驗進行分析和測定,透水度主要通過透水試驗方式進行分析。
對水閘加筋擋墻不同錨固深度下的穩(wěn)定性系數(shù)進行計算,閘壩加筋擋墻不同錨固深度下的穩(wěn)定系數(shù)計算值,見表1。
表1 閘壩加筋擋墻不同錨固深度下的穩(wěn)定系數(shù)計算值
從水閘加筋擋墻不同錨固深度下的穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果可看出,其穩(wěn)定系數(shù)隨著錨固深度的增加而總體在0.369-0.531之間變化,變化總體穩(wěn)定性較高。當(dāng)錨固深度<1.4m后,其加筋擋墻穩(wěn)定系數(shù)受靜水壓力影響有所增加。靜水壓力對加筋擋墻的影響也逐步降低,從而水閘穩(wěn)定性得到一定程度的提升。當(dāng)錨固深度>1.4m后,穩(wěn)定系數(shù)達到最高值。
為分析靜水壓力對加筋擋墻穩(wěn)定性的破壞程度,采用放水試驗進行穩(wěn)定性的破壞試驗,不同放水方式下的加筋擋墻穩(wěn)定性破壞試驗結(jié)果,見表2。
表2 不同放水方式下的加筋擋墻穩(wěn)定性破壞試驗結(jié)果
從不同放水方式下的加筋擋墻穩(wěn)定性破壞試驗結(jié)果可看出,在相同條件下下不同靜水壓力方式對水閘加筋擋墻的穩(wěn)定性影響程度不同,全靜水壓力方式下加筋擋墻兩個方向壓力峰值變化較大,在半靜水方式下的壓力峰值變化幅度有所降低,而在無靜水方式下的壓力峰值影響程度達到最低。
對水閘加筋擋墻不同靜水壓力水頭下的透水度進行分析,不同壓力水頭下的加筋擋墻透水度試驗結(jié)果,見表3。
表3 不同壓力水頭下的加筋擋墻透水度試驗結(jié)果
從不同壓力水頭下的加筋擋墻透水度試驗結(jié)果可看出,各水頭下水閘加筋擋墻的透水度變化較為明顯,隨著壓力水頭的增加其透水度遞增,且縱向和橫向兩個方向的井水壓力呈現(xiàn)顯著遞增變化,這主要是因為不同壓力水頭下加筋擋墻的透水度有所增加,使得在相同壓力水頭下隨著鋼筋直徑的增加透水度增加。
在兩種靜水壓力方式下的加筋擋墻的壓力峰值進行分析,非靜水壓力下加筋擋墻的壓力峰值分析,見表4;靜水壓力下加筋擋墻的壓力峰值分析,見表5。
表4 非靜水壓力下加筋擋墻的壓力峰值分析
表5 靜水壓力下加筋擋墻的壓力峰值分析
從不同靜水壓力方式下的水閘加筋擋墻的壓力峰值分析結(jié)果可看出,隨著靜水壓力的變化,水閘加筋擋墻的壓力峰值變化總體呈現(xiàn)先遞增后趨于穩(wěn)定變化,靜水壓力相比于非靜水壓力其壓力峰值變化度更高。
1)當(dāng)水閘加筋擋墻錨固深度<1.4m后,其加筋擋墻穩(wěn)定系數(shù)受靜水壓力影響有所增加。靜水壓力對加筋擋墻的影響也逐步降低,從而水閘穩(wěn)定性得到一定程度的提升。當(dāng)錨固深度>1.4m后,穩(wěn)定系數(shù)達到最高值。
2)在相同條件下下不同靜水壓力方式對水閘加筋擋墻的穩(wěn)定性影響程度不同,全靜水壓力方式下加筋擋墻兩個方向壓力峰值變化較大,在半靜水方式下的壓力峰值變化幅度有所降低。
3)各水頭下水閘加筋擋墻的透水度變化較為明顯,隨著壓力水頭的增加其透水度遞增,且縱向和橫向兩個方向的井水壓力呈現(xiàn)顯著遞增變化。