水工挡土墙结构设计初探

　　摘 要 结合具体的工程项目建设实际情况，对水工挡土墙类型选择及具体设计进行了分析计算，得到了水工挡土墙结构的基本布置形式，形成了水工挡土墙结构设计的基本方法。 　　关键词 水工挡土墙；结构 　　中图分类号G210 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）94-0171-05 　　1论文的研究背景 　　1.1工程概况 　　本文设计以苍南县江南围垦水库工程为背景，工程所在区域内断裂构造不发育，仅发现三条小断裂，深大断裂构造离水库坝址区较远，坝址区内没有强震分布，弱震也较少，场地地震基本烈度小于Ⅵ度；坝址区岩性单一，岩体较完整，节理裂隙不很发育，不存在永久性渗漏问题，建库后不存在库岸稳定问题。受亚热带季风过渡区山地气候影响，坝址区域多年平均气温17℃，多年平均日照1996.6小时，极端最高气温40.1℃，极端最低气温-14.1℃，相对湿度81.6%，全年主导风向以北、北东为主，多年平均风速为2.5m/s，最大风速为21m/s； 　　1.2天然建筑材料及相关参数 　　1）场地附近无砂料场，砂料须从外地运进； 　　2）石料及碎石料场可选用坝上游500m或下游400m处的采石场，岩性为硬质英安质含角砾晶玻屑熔凝灰岩，岩石饱和极限抗压强度65.7MPa，软化系数0.85，天然容重平均值2.638g/cm3，料场面积均>20000m2，体积均>200000m3，完全能够满足建坝需要。 　　砼/微风化岩石的抗剪断参数f’=1.0～1.2，c’=1.1～1.2MPa； 　　微风化岩石/微风化岩石抗剪断参数f’=1.2～1.3，c’=1.3～1.5MPa； 　　裂隙摩擦系数f=0.5～0.55； 　　微风化岩石弹性模量E0=18000～20000 MPa； 　　1.3工程任务和工程规模 　　本工程任务为：在该区域的上坝址进水口处建设翼墙，引导水流平稳地流入库区。 　　校核洪水位153.2m （P=0.5%）； 　　设计洪水位151.2m （P=3.3%）； 　　正常蓄水位150m； 　　该工程属于二等工程小（2）型水库，总库容为97.83万m3。工程等级为Ⅴ等防洪标准采用30年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。 　　2 挡土墙设计的基本要求及设计内容 　　2.1 挡土墙设计的基本要求 　　1）选择合理的结构型式 　　2）合理的设计断面 　　2.2 挡土墙设计的基本内容 　　挡土墙设计的基本内容如下： 　　1）挡土墙的稳定验算内容 　　（1）抗滑稳定验算。 　　（2）抗倾稳定验算。 　　（3）地基应力验算和应力大小比或偏心矩控制。 　　2）挡土墙的结构设计 　　3）挡土墙的细部构造设计 　　3挡土墙型式比选断面设计及相关荷载计算 　　3.1 挡土墙的类型选择 　　3.1.1河底水位平均高程 　　3.1.2取设计洪水位计算波浪爬高 　　利用官厅水库公式： 　　H=151.2-128.02+0.5=23.68m 　　针对水工挡土墙各种类型结构的特点，对于墙高大于10m的高墙，采用扶臂式挡土墙并进行设计。 　　3.2挡土墙的断面设计 　　水工挡土墙基本尺寸的拟定（建成无水情况） 　　3.2.1节跨布置 　　挡土墙高度较大，考虑钢筋布置及施工条件，取l=6m。 　　3.2.2初拟挡土墙断面尺寸 　　1）底板长度 　　地基为岩基、承载力高，墙后填块石土压力较小，无浸水条件，取B=16m，前趾板B1=3.4米，踵板B2=12m。 　　2）墙面板厚度 　　墙面板厚度考虑施工条件，参考已有工程实例初拟B3=60cm。 　　3）底板厚度 　　趾板靠面板部分和踵板取同一厚度，初拟厚度H2=1.8m。 　　4）扶壁的厚度 　　按经验并考虑施工条件，初拟扶壁厚度m。 　　3.3 常用设计参数的选择 　　计算数据的采用： 　　由于本文设计的工程地质为微风化岩基，属于硬质岩石，故取：内磨擦角，填土标准容重，基底磨擦系数，地基的容许承载力。 　　本工程等级为二级，弯曲强度安全系数 ； 　　剪切强度安全系数 ； 　　混凝土采用150号，其各项强度指标如下： 　　弯曲抗压 ； 　　抗拉 ； 　　轴心受压 ； 　　抗裂 ； 　　弹性模量 。 　　钢筋采用Ⅰ级钢筋（3号钢） 　　抗拉强度 ； 　　弹性模量 。 　　3.4 挡土墙土压力计算 　　3.4.1土压力计算 　　在挡土挡稳定计算中，按朗肯公式计算作用在墙踵垂直面上的土压力，填土面无斜坡的朗肯土压力系数按下式计算。 　　3.4.2墙身自重、前趾和踵板上土重计算 　　1）墙身自重 　　2）作用在踵板上的土重 　　3）作用在前趾上的土重 　　列表计算作用在挡土墙上的总垂直力∑G，总水平力∑H及总弯矩∑M。 　　4 挡土墙的稳定性和强度分析 　　4.1扶臂式挡土墙的构造布置 　　4.1.1挡土墙的排水设施布置 　　挡土墙的排水设施一般由地面排水和墙身排水两部分组成。地面排水主要是防止地表水渗入墙后土体和地基。墙身排水主要是为了排除墙后积水，通常在墙身的适当高度布置一排或数排泄水孔。泄水孔的尺寸采用cm的方孔，孔眼间距一般为2m～3m，不同水平层的排水孔眼应相互交错设置。墙后泄水孔的进口部分应设置粗粒料反滤层，以防孔道淤塞。 　　4.1.2挡土墙基础埋置深度 　　水工挡土墙的基础埋置深度应按地基的性质、承载力的要求、有无冻胀的影响、地形和水文地质等条件，特别是水对地基的冲刷深度确定，对于本文已给特定工程背景，取挡土墙的基础埋深为2m。 　　4.2 扶臂式挡土墙的稳定性分析 　　4.2.1 扶臂式挡土墙稳定验算 　　1）抗滑稳定性验算 　　2）抗倾稳定性验算 　　3）偏心矩计算及基底应力验算 　　4.2.2 扶臂式挡土墙结构设计 　　1）墙面板结构设计 　　作用在墙面板上的土压力可换算成梯形“替代”荷载。 　　2）作用在墙面板上的内力计算 　　（1）纵向（水平）弯矩的计算 　　取第三段单宽截条A进行支座和跨中弯矩计算。 　　支座负弯矩： 　　跨中正矩： 　　纵向正负弯矩沿墙高分布见图4.3（a） 　　（2）纵向（水平）支座剪力的计算 　　（3）竖向内力计算 　　竖向负弯矩发生在靠填土一侧底部范围内，底部最大负弯矩： 　　竖向正弯矩发生在非填土一侧，最大值发生在第三段内，顶部的段为零。 　　4.3 墙面板的强度验算与配筋计算 　　1）纵向（水平）配筋计算 　　，a=4cm，h0=60-4=56cm 　　经查表得： 　　③ 5φ16， As=10.05cm2 　　④ 5φ18， As=12.72cm2 　　计算出的配筋量为第三段墙面板背面横向所需的配筋量，实际配筋时墙中段范围内均可按此配筋量配置。墙顶部段和底部段可取计算划开的半值，即cm2。以上两部分配筋③ 5φ16，沿水平向连续布置。④ 5φ18自扶壁向两侧延长m另加锚固长度，边跨直伸到末端。 　　经查表得： 　　⑤ 3φ16，As=6.03；⑥ 4φ16，As=8.04 　　实际配置钢筋量As=14.07。算出的配筋量为非填面中段所需的配筋量。实际配置时在中部段范围内均可按此计算量配置：⑤ 3φ16可沿横向连续布置，⑥ 4φ16自跨中向两侧各伸长m加锚固长度。 　　在上下各段内钢筋量可取计算值的半值，即：As=6.42，配置：⑦ 3φ18，As=7.63，延横向连续布置。 　　2）竖向配筋计算 　　面板底部竖向最大负弯矩： 　　经查表得： 　　按束筋布置，每束3根： 　　⑧ 210φ16，As=40.2 　　⑨ 110φ18，As=25.45 　　总配筋量As=65.65，⑧、⑨配筋置在面板填土侧，跨中范围，底部段内，沿纵向布置。在两端靠近扶臂各段、纵向底部段内取用半值即：As=32.83，配置：⑩ 10φ22，As=38.01。⑧、⑨、⑩号筋下部埋入踵板内，⑧上部在距踵板板顶加锚固长度截断。⑩号筋在距踵板顶加锚固长度截断5根，另5根直通墙顶。 　　经查表得： 　　配置：（11）5φ19，As=14.18 　　在纵向范围内按此钢筋量沿竖向布置。两端靠近扶臂用半值，即：As=6.93，配置：（12）3φ18，As=7.63cm2。（11）和（12）号钢筋在纵向延全高度布置。 　　4.4 墙踵板的结构设计 　　4.4.1作用在踵板上的荷载 　　作用在踵板上的荷载用三角形“替代”荷载计算，假定在踵板与面板连结处为零。作用在踵板末端单宽截条B上的荷载按下式计算。 　　1）土重 　　2）踵板自重 　　3）前趾弯矩产生的竖向荷载 　　4.4.2作用在踵板上的内力计算 　　1）纵向（水平）弯矩的计算 　　取踵板末端纵向（水平）单宽截条B进行内力计算。 　　支座负弯矩： 　　跨中正弯矩： 　　2）支座剪力的计算 　　4.4.3踵板的强度验算与配筋计算 　　1）踵板纵向（水平）配筋计算 　　，a=4cm，h0=196cm 　　经查表得： 　　配置： 　　（13）5φ16，As=10.05 　　（14）2φ24，As=9.05 　　（13）、（14）在踵板顶面外段内沿纵向布置，号筋自扶臂向中加锚固长度截断。边跨通到末端。 　　中段用计算配筋量的，即：As=12.69。选配：（15） 5φ18，As=12.72，在中段内墙踵板顶面沿横向布置。其中5根自扶臂加固长度截断。边跨通到未端。 　　内段用计算钢筋量的，即：As=6.35。选配：（16） 6φ12，As=6.79，在内段内墙踵板顶面沿横向连续布置。 　　经查表得： 　　选配： 　　（17） 4φ19，As=11.34 　　在外段踵板底面沿纵向布置，其中5根自跨中向两侧各伸长米加锚固长度截断。 　　在中段取计算钢筋量的，即：As=7.49。选配： 　　（18）4φ12，As=4.52 　　（19）2φ14，As=3.08 　　在中段踵板底面沿横向布置，其中（19） 2φ14自跨中向两侧各伸长米加锚固长度截断。 　　在段取计算的配筋量的，即：As=3.74cm2，选配：（20） 2φ16，As=4.02cm2。 　　2）踵板横向配筋计算 　　踵板横向需承受面板底部传过来的负弯矩作用。 　　经查表得： 　　跨中范围内，选配：（21） 5φ20，As=15.71cm2 　　在两端靠近扶臂各段取计算钢筋量的半值，即：As=7.8cm2，此范围内选配：（22） 4φ16，As=10.18cm2。 　　4.5 前趾板的结构设计 　　4.5.1作用在前趾板上的荷载计算 　　作用在前趾板上的荷载有前趾板自重、土重及地基反力。 　　1）趾板自重 　　2）趾板上土重 　　3）地基反力 　　4.5.2前趾板的内力计算 　　4.5.3前趾的强度验算与配筋计算 　　，a=4cm，h0=196cm 　　经查表得： 　　采用束筋，2根1束： 　　① 10φ28，As=61.58 　　② 10φ19，As=28.35 　　配筋钢筋面积：As=89.93 　　过立墙后截断① 10φ28，② 5φ19，剩下② 5φ19通过踵板，作为纵向构造筋。 　　4.6 扶臂的结构设计 　　4.6.1作用在扶臂上的荷载计算 　　作用在一个扶臂上某一截面上的土压力[3]，是该截面高度对应的单宽土压力乘以跨中到跨中长度。 　　选取3个截面，墙高分别为7.23m、14.46m和21.68m。 　　4.6.2作用在扶臂上和内力计算 　　1）作用在扶臂上各截面弯矩计算 　　2）作用在扶臂上各截面剪力计算 　　米， 　　米， 　　米， 　　3）扶臂水平和垂直向拉力计算 　　扶臂水平向受板面给予的拉力作用，垂直向受踵板给予的拉力作用，其拉力值分别等于板与扶臂结合处剪力和踵板与扶臂结合处剪力。 　　4.6.3扶臂强度验算与配筋计算 　　1）扶臂背弯曲拉筋的计算 　　扶臂高m截面 　　b'=700cm，b=100cm，a=10cm，h=1260cm， 　　h'=60cm，h0=1260-10=1250cm， 　　b'h'RW（h0-h'/2）=[1**********]（1250-60/2）=5.38 　　KM=1.568054.86 　　b'h'RW（h0-h'/2）>KM 　　受压区位于翼缘内： 　　经查表得： 　　实际配筋率： 　　配置3排束筋： 　　第一排（21），83φ25， As=117.84 　　第二排（22），83φ25， As=117.84 　　第三排（23），53φ25， As=73.65 　　扶臂高m。 　　b=100cm，a=7cm，h=902cm， h'=60cm，h0=902-7=895cm 　　b'h'RW（h0-h'/2）=500601050（895-60/2）=2.727 　　KM=1.520192.32 　　b'h'RW（h0-h'/2）>KM 　　受压区位于翼缘内： 　　经查表得： 　　实际配筋率： 　　配置2排束筋： 　　第一排（24），102φ20，As=62.80 　　第二排（25），102φ20，As=62.80 　　扶臂高m。 　　b=100cm，a=4cm，h=541cm， h'=60cm，h0=541-4=537cm 　　b'h'RW（h0-h'/2）=300601050（537-60/2）=9.59 　　KM=1.52524.04 　　b'h'RW（h0-h'/2）>KM 　　受压区位于翼缘内： 　　经查表得： 　　实际配筋率： 　　配置： 　　（26）9φ19， As=25.52 　　2）扶臂水平及垂直拉筋的计算 　　① 水平拉筋的计算 　　水平拉筋承受的剪力按下式计算： 　　需配置的钢筋面积： 　　在沿墙高方向顶部段及底部段用半值，，其余部分用全值。在沿墙高方向顶部及底部段配置：（27）3φ16，As=6.03，在其余部分配置：（28）4φ19，As=11.34。水平拉筋呈型，在墙胸侧套固在垂直向钢筋上，贯穿全部墙身。 　　②垂直拉筋的计算 　　垂直拉筋承受的最大剪力按下式计算： 　　需配置的钢筋面积： 　　在踵板末端段用全值，在中段用半值，即18.44，在靠近立墙段用全值的，即。 　　在末端段配置束筋：（29）25φ22，As=38，中段配束筋：（30）5φ22，As=19，靠近立墙段配（31）5φ19，As=14.18。 　　垂直拉筋也呈型，底部套固在踵板底层横向钢筋上，上部伸入扶臂内不小于搭接长度。 　　4.7 扶臂式挡土墙设计中水作用的处理 　　在本文的水工挡土墙设计中，不考虑挡土墙的墙前、墙后动力水压力，仅仅考虑挡土墙的静水压力和扬压力作用。 　　5结论 　　本文的设计工作针对已知工程背景资料进行详细分析后，利用官厅水利公式计算波浪爬高确定挡土墙高为23.68m，选择扶臂式挡土墙；其次，依据工程设计经验对挡土墙断面尺寸进行设计，取底板长度B=16m，前趾板B1=3.4m，踵板B2=12m，墙面板厚度B3=0.6m，底板厚度H2=1.8m，扶臂间净矩l=6.0m，扶臂厚度b=1.0m；然后，在此基础上计算挡土墙所受荷载并对其进行构造布置和稳定性分析；最后，确定该挡土墙的稳定性和强度，从而满足工程应用的要求。 　　参考文献 　　[1]李家兴，赵振兴.水力学[M].南京：河海大学出版社，2001：40-80.