浅析水工挡土墙的设计和应用

摘要：在水工建筑物中，挡土墙是用来支承土或散粒材料的侧压力，以防止土坡或不稳定岩体破裂和向下滑动而常采用的结构。合理设置的挡土墙能够确保边坡、岸坡的稳定，保障相关建筑物的安全运行。如若设计不合理，就会埋下安全隐患，极易造成相关事故，危及工程及人员的安全。本文主要围绕水工挡土墙的设计和应用进行了探讨分析。

关键词：水工建筑物；挡土墙；设计应用 0、引言

挡土墙在水利水电工程中应用范围极为广泛，例如水闸边墙与上下游河道顺接、水电站厂房尾水渠边墙、渠系水工建筑物进出口连接过渡结构、半挖半填明渠渠身、渡槽或交通桥边跨的岸墩、明渠边坡或河道岸坡滑坡及崩塌的防护工程等。因此，水工挡土墙的合理设计显得尤为重要。

1、水工挡土墙的运用特点

水工挡土墙不但具有一般挡土墙的挡土作用，它区别于其他工程挡土墙的显著特点是多在有水条件下运行，应用范围广和运行条件复杂是其突出的两个特点。水工挡土墙还具有岸边连接、挡水、导水及侧向防渗等多种功能，其在运行和构造上具有以下重要特点：

挡土墙通常需要在多种水位条件下运用，施工期、建成及运行期，墙身前后的各种特征水位不同，作用于墙身的静水压力、土压力、底板扬压力、地基应力等都不相同，故需分析其在各种工况运行下的整体稳定、应力分布及结构强度是否均能满足要求。

水工建筑物的翼墙挡土墙，还具有挡水和导水作用，对进出口水流条件也都有一定要求，因此其平面布置和结构型式的设计需要考虑进出口水流条件的顺畅和保证过流能力的满足。

水工挡土墙在浸水后，作用在墙体上的荷载会相应发生变化。一方面墙后填土料受水的浮力作用，土容重变为浮容重，相应土压力将减少；另一方面，对于粘性土浸水后内摩擦角减小，抗剪强度指标将会降低，从而又会增加主动土压力。挡墙浸水后底板受扬压力的作用，基底面的垂直压力会减小，抗滑力将相应减小。对于河道防护堤，河道涨水退水后由于水位骤降，墙后填土中由于渗流的影响，还会受到渗透动水压力作用。

2、水工挡土墙的常见型式

按照挡土墙断面设计的几何形状及其受力特点，挡土墙型式通常分为重力式、半重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、U形槽结构、空箱式及板桩式等。

重力式挡土墙利用墙体本身重量产生的基底抗滑力来抵抗外力等产生的滑动推力，从而满足被防护部位的安全稳定。取材上多采用混凝土和浆砌石建造，构造简单，施工方便，但由于体积和重量较大，故设计高度会受到地基承载力的限制，一般高度在6m以下较为经济，在小型水工建筑物诸如渠系工程中应用较多。半重力式挡土墙相比重力式挡土墙断面小40%~50%，因而可充分利用混凝土的强度，部分强度不满足要求处可配有少量受力钢筋，其地基应力相比同等高度的重力式挡墙小，且分布较为均匀，修筑高度可大于重力式挡墙。

衡重式挡土墙在水利工程中应用也较为常见，由上墙、衡重台与下墙三部分组成，多采用混凝土或浆砌石建造，其稳定主要靠墙身自重和衡重台上填土重来满足。衡重台以下为仰斜，土压力大为较小，且衡重台也有减少土压力作用，故其断面一般比重力式小，应用高度范围较重力式高。墙面多采用直立面，便于和主体建筑物的岸墙连接，方便布设止水。

悬臂式挡土墙则由断面较小的立墙和底板组成，属于轻型钢筋混凝土结构。其稳定性主要靠底板以上填土重来保证，可以在较高范围内应用，通常在8m以下高度范围内的水工建筑物中应用较广泛。扶壁式挡土墙相比悬臂式多了扶壁部分，相当于加肋，可以进一步提高倒T型结构的抗弯强度，故其可应用到高度大于10m的大型水利水电工程中。

U形槽结构在小型涵洞等水工建筑物进出口及闸室部位应用较多，结构分立墙和底板两部分，一般底板与边墙采用整体式结构较经济，而且整体性强，受力条件好。空箱式挡土墙由底板、顶板、立墙三部分构成，也属钢筋砼轻型结构，主要靠箱内填土或充水重量来维持其稳定，作用于地基应力小且均匀，适用于墙高且地基承载力较低情况。

板桩式挡土墙分无锚碇和有锚碇两种。无锚碇板桩由插入土中部分和悬臂两部分组成。锚碇板桩由板桩、锚杆和锚碇板组成。板桩一般采用木板、钢板或混凝土板。在水利工程施工中，有时为减小征地和施工影响范围，基坑开挖边坡较陡时，通常可以采用板桩临时挡土，施工完成后再进行基坑回填。

3、水工挡土墙设计的基本要求、内容和一般步骤

合理的挡土墙设计应满足两项基本要求。首先，选择合理的结构型式，应根据建筑物总体布置要求、墙高、地基承载能力、当地材料和施工条件等因素，结合前述各型式挡土墙的应用特点，通过技术经济比较确定。其次，做出合理的断面设计，具体应考虑以下各条件：墙后填土料的物理指标选取直接影响到土压力的正确计算，因此至关重要；填土指标选取后，还应根据挡土墙的结构型式、填土性质、施工开挖边坡等条件选用合理的土压力计算理论和公式，土压力的计算结果大小直接关系到挡土墙的轮廓尺寸设计；土压力等荷载计算合适后，还应根据施工、完建、正常运行、设计校核等工况进行荷载计算和组合，根据相关规范要求，并结合挡土墙的级别划分，确定合理的稳定和强度等安全系数，分别进行验算和复核。

挡土墙设计的基本内容如下：挡土墙的稳定验算，包括抗滑、抗倾覆稳定，以及地基应力验算和应力大小比要求；挡土墙的结构设计，对于混凝土、浆砌石挡土墙应进行截面压应力、拉应力及剪应力验算，对于钢筋混凝土挡墙各部分结构应进行强度验算和配筋验算；挡土墙的细部构造设计，主要包括合理分缝及止水和排水设计等。

基于上述设计要求和设计内容，挡土墙设计一般可按照以下步骤进行：

1）根据设计资料确定建筑物等级、设计标准、特征水位，选用合理的填土料物理力学指标、地基相关抗滑参数和承载力指标等；2）根据其对两岸连接、挡土、水流、防渗排水等要求进行平面和立面布置，结合各型式挡土墙的应用特点选择初拟采用的合理结构型式；3）在工程范围内选择几个有代表性的断面进行设计，可参考同类工程经验及相关构造要求，初拟断面轮廓尺寸及各部分结构尺寸；4）根据各设计工况，分别计算其作用在墙体上的荷载，将可能同时存在的荷载进行组合，分为基本组合和特殊组合；5）根据上述计算结果，对各种设计工况分别进行抗滑、抗倾稳定和基底应力验算，要求稳定安全系数、基底应力等满足设计要求，否则需要调整断面轮廓尺寸或增加抗滑措施，直至满足要求。其次选择最不利情况，对各部分截面强度进行验算或配筋计算，对于钢筋砼结构还需进行裂缝宽度验算，如不满足要求应改变结构尺寸，直至满足要求；6）最后还应进行细部构造设计，包括合理设置温度和沉陷缝、止水、排水和反滤等设计。

4、水工挡土墙设计的重点

水工挡土墙设计中需要关注的重点，主要在于作用在墙身的土压力计算。土压力可根据墙身受力位移情况分为主动、被动和静止土压力，一般情况建议可按主动土压力计算，更偏于安全和保守。

土压力计算主要有库伦和朗肯两种理论假定，库伦理论假定填土无粘性，有内摩擦力，墙身变形时墙后土体产生滑动楔形体，通过其刚体极限平衡状态来求取土压力，而对于不符合上述假定时需对公式作相应修正和调整。朗肯理论假定墙体和填土间无摩擦力，根据填土中任一点处于极限平衡状态求取土压力，求出的主动土压力偏大，而被动土压力偏小，设计挡土墙偏于安全，其公式简单易于计算也被广泛采用。

5、结语

综上所述，水工挡土墙的合理设计需考虑诸多因素，各运行工况下均满足设计要求，方能确保发挥其重要作用，保障工程和人员的安全。