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贴坡式挡墙设计

2017-11-11  GXF360

江 波,邱 玲

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

摘 要:贴坡式挡墙是一种常见的挡墙结构型式,兼有坡面保护、防淘防冲等功能。通过分析明确贴坡式挡墙破坏机理、受力特点及抗滑、抗倾覆安全决定因素,提出贴坡式挡墙设计控制要点,指导贴坡式挡墙设计。

关键词:贴坡式挡土墙;破坏模式;荷载组合;抗滑稳定;抗倾覆稳定

0 前 言

贴坡式挡墙是一种常见的挡墙结构型式,兼有坡面保护、防淘防冲等功能,同重力式、衡重式挡墙不同,自身重力一般对边坡整体稳定性贡献较少。贴坡式挡墙作为护岸在河道防护中得到大量的使用,但近年也出现了不少贴坡式挡墙水毁事故。

藏木水电站混凝土拌合系统护岸上游接尾水渠挡墙,下游延伸至藏木大桥,全长约420 m。护岸按照20年一遇洪水标准设计(Q=8 870 m3/s),相应水位高程为3 257.78 m。护岸采用混凝土贴坡式挡墙同下部防冲墙相结合的结构型式,高程3 247.50~3 260.00 m采用混凝土贴坡式挡墙,高程3 247.50 m以下设置防冲墙,贴坡式挡墙同防冲墙之间采用锚筋连接。挡墙基础下层为河床冲积堆积层(alQ4),上层为人工回填土(mlQ4),如图1所示。

护岸施工先在高程3 247.50 m平台利用冲击钻完成防冲墙槽孔施工,整体下入钢筋笼后灌注防冲墙混凝土,最后完成高程3 247.50 m以上贴坡式挡墙施工。

图1所示混凝土贴坡式挡墙同下部防冲墙相结合的结构型式可以在不填筑纵向围堰、河道水位高不能大开挖及浇筑水下混凝土时采用,满足河道防护、防淘要求的同时,可以缩短并节约一定的工期和投资。

图1 贴坡式挡墙典型结构型式(单位:cm)

1 贴坡式挡墙破坏模式

(1)坡面失稳。贴坡式挡墙本身对坡面稳定贡献较小,坡面整体失稳由边坡本身引起,贴坡式挡墙同边坡一起发生滑移,这种破坏一般因坡体本身坡度过陡、坡体土体物理力学指标不满足要求、墙后地下水位过高、墙后排水不畅等引起。

通过设置合理的墙后土体坡度,控制墙后填土物理力学指标等可以防止此种破坏发生。

(2)面板倾覆破坏。因水力淘刷、渗透导致贴坡式挡墙墙背填土被逐渐带走,形成空腔,造成面板向被侧塌陷、倾覆(见图2),可见墙背填土被淘空,混凝土面板在水压力作用下发生剪切破坏。在贴坡式挡墙填土坡度过陡时也可能发生向临河侧的倾覆破坏,但这种情况出现的几率较小。

图2 贴坡式挡墙破坏案例1

通过设置合理的墙后土体坡度、可靠排水、设置反滤,可以防止此种破坏发生。

(3)面板滑移破坏。因面板抗滑稳定不满足要求发生的破坏(见图3),可见面板整体下滑造成的擦痕,破坏过程中面板整体完好,或者仅在面板中部出线水平裂缝。

通过提高墙后填土基底摩擦系数等可以防止此种破坏发生。

(4)面板强度破坏。面板强度、刚度不满足要求,在外荷载作用下发生破坏(如水力冲刷)。

总结近年贴坡式挡墙失事案例,因面板滑移破坏引起的事故较多,破坏发生可能毫无征兆,破坏发展迅速(可能向上下游传递),危害巨大,且抗滑稳定安全系数影响因素众多,本文重点分析贴坡式挡墙抗滑稳定安全及影响因素。

图3 贴坡式挡墙破坏案例2

2 贴坡式挡墙稳定及影响因素分析

2.1 贴坡式挡墙荷载组合

贴坡式挡墙在正常运行工况下荷载组合见图4,其主要承受荷载见表1。

图4 贴坡式挡墙荷载组合

表1 贴坡式挡墙荷载组合

荷载名称计算式荷载方向面板自重GG=γcV, γC为混凝土的重度;V为面板体积垂直向下墙前水压力F1F1=γwh21/sinθ/2, γw为水的重度;h1为墙前水位垂直坡面指向坡内墙后水压力F2F2=γwh22/sinθ/2, h2为墙后水位垂直坡面指向坡外基底扬压力UU=γw(h1+h1)×b, b为基底宽度垂直向上脉动水压力PfrPfr=±2.31βmAKpρwv2/2, βm为面积均化系数;A为作用面积;ρw为水的密度;Kp为脉动压强系数;v为断面平均流速垂直坡面指向坡外(不利工况)锚杆拉力F3F3=n×N, N为单根锚杆拉力;n为锚杆数量垂直坡面指向坡内防冲墙、锚筋提供的剪力及水平向摩擦力F4水平指向坡内土压力F5因贴坡式挡墙墙背一般较缓,土压力一般为被动土压力(反力)垂直坡面指向坡外坡面对面板的摩擦力F6F6=fF5, f为坡面同面板的摩擦系数沿坡面向上

2.2 贴坡式挡墙抗滑稳定安全系数推求

采用刚体极限平衡法推求贴坡式挡墙抗滑稳定安全系数。

(1)滑动力

ΣS=(G-U)×sinθ-F4×cosθ

(1)

其中θ为坡面仰角。

(2)抗滑力

ΣR= f×F5=f×((G-U)×cosθ+

F1-F2+F3+F4sinθ-Pfr)

(2)

其中f为坡面填土同贴坡混凝土面板间的摩擦系数。

(3)抗滑稳定安全系数

k= f×((G-U)×cosθ+F1-F2+F3+

F4sinθ-Pfr)/((G-U)×sinθ-F4×cosθ)

(3)

2.3 贴坡式挡墙抗滑稳定安全系数影响因素及提高措施

由式(3)可知抗滑稳定安全系数k相关影响因素,对这些影响因素进一步分解可以得到提高贴坡式挡墙抗滑稳定安全系数的措施,见表2。

表2 抗滑稳定安全系数影响因素分析

影响因素对k影响影响因素分解提高抗滑稳定安全系数k的措施基底摩擦系数f正相关墙后基础(填土)类型、物理力学参数墙后为填土时控制填土质量、设置齿槽坡面倾角θ负相关减小坡面倾角θ面板自重G负相关面板厚度减小面板厚度墙前水压力F1正相关墙前水位h1墙后水压力F2负相关墙后水位h2基底扬压力U负相关墙前水位h1、墙后水位h2降低墙后水位,可靠排水脉动水压力Pfr负相关河道断面平均流速v(1)可靠止水,切断脉动压力传播路径;(2)控制河道断面平均流速锚杆拉力F3正相关单根锚杆抗拔力、布置密度设置锚杆及其他锚固措施防冲墙、锚筋提供的剪力及水平向摩擦力F4正相关基础(填土)类型及质量、防冲墙和贴坡混凝土层面抗剪摩擦系数、锚筋等防冲墙和贴坡混凝土层面设置键槽、插筋、施工凿毛等

2.4 贴坡式挡墙抗倾覆影响因素及提高措施

因贴坡式挡墙设计中一般会选择较小(合适)的坡面坡度,贴坡式挡墙一般不会发生向临河侧的倾倒破坏。贴坡式挡墙抗倾覆(临河侧)影响因素及提高措施见表3。

表3 抗倾覆影响因素分析

影响因素抗倾力矩倾覆力矩提高抗倾覆安全系数k的措施面板自重G√增加面板厚度墙前水压力F1√墙后水压力F2√基底扬压力U√降低墙后水位,可靠排水脉动水压力Pfr√(1)可靠止水,切断脉动压力传播路径;(2)控制河道断面平均流速锚杆拉力F3√设置锚杆及其他锚固措施防冲墙、锚筋提供的剪力及水平向摩擦力F4无影响土压力F5√(1)减小坡面倾角θ;(2)提高墙后填土内摩擦角φ、粘聚力c

3 贴坡式挡墙设计

3.1 轴线选择

贴坡式挡墙轴线应做到顺、直,满足河道防护及岸坡目标保护的同时,不侵占原始河道断面、不影响河道过流及行洪,防止河道流态紊乱、流速增大及引起回流。

3.2 坡度选择

在贴坡式挡墙设计过程中应选择合适的坡面仰角,确保坡面稳定,防止因θ太大带来坡面稳定及贴坡式挡墙抗滑、抗倾覆问题,一般θ不应大于地质推荐稳定开挖坡比。θ在贴坡式挡墙设计过程中一般结合边坡稳定分析确定。

3.3 墙后土体墙背土体填土的物理力学参数内摩擦角、粘聚力、土体(填土)同贴坡式挡墙面板之间的摩擦系数关乎贴坡式挡墙抗滑稳定、抗倾覆稳定安全系数。墙背为原状土时,应选择合适的开挖坡比,必要时可采取必要的地基处理手段;墙背为填土时,宜采用强度较高砂卵石、开挖石渣料等,不宜采用沙壤土、崩坡积土等,并确保碾压回填质量。

3.4 面板设计

贴坡式挡墙抗滑稳定并非依托面板自重,贴坡式挡墙设计中面板并非越厚越好。面板只要满足强度、刚度要求即可,甚至混凝土面板可以利用其它轻质、超薄、高强度材料代替,盲目增加面板厚度对贴坡式挡墙抗滑稳定是不利的。

3.5 排水设计

降低墙背地下水位可以提高贴坡式挡墙抗滑稳定、抗倾覆稳定安全系数,在贴坡式挡墙设计中需要注意以下事项:

(1)设置可靠的排水措施并确保排水通畅;

(2)设置可靠的反滤措施,防止地下水及河道水流淘蚀带走墙后填土细颗粒,进而引起后续反应。

3.6 锚固设计

在贴坡式挡墙墙背设置一定数量的锚杆,对提高贴坡式挡墙抗滑稳定、抗倾覆稳定安全系数是非常有用的,在锚杆施工造孔困难时可以采用自进式锚杆。

3.7 面板同下部基础连接设计

贴坡式挡墙面板同基础(或下部防渗墙)之间的可靠连接对提高贴坡式挡墙抗滑稳定、抗倾覆稳定安全系数是非常有利的。

3.8 伸缩缝设计

面板之间伸缩缝应采用填缝材料可靠填缝,防止水流脉动压力传递到墙背,建议在伸缩缝设置止水。

4 结 语

本文分析了贴坡式挡墙典型的破坏模式、影响贴坡式挡墙抗滑稳定及抗倾覆稳定的因素,并梳理了贴坡式挡墙设计中的注意事项。采用合理的设计方法和设计手段,辅以严格的施工质量过程控制,贴坡式挡墙水毁事故是可以得到控制的。

收稿日期:2016-08-23

作者简介:江波(1981-),男,湖北十堰人,高级工程师,从事水电站厂房设计及项目管理工作。

中图分类号:TU476.4

文献标志码:B

文章编号:1003-9805(2017)01-0023-03

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