水工重力式挡土墙构造设计及应用

【摘 要】本文对选择中小型水利工程中经常使用的重力式挡土墙的断面类型提出了自己的建议，阐述了重力式挡土墙的分缝、止水、排水、抗冻等细部构造措施以及设计的参数。

【关键词】重力式挡土墙；细部构造措施；设计参数

重力式挡土墙利用的是墙体自身的重量来平衡外力，达到稳定的效果，墙体采用的多为混凝土和浆砌石结构。因为重力式挡土墙其本身成本低且经济实用，所以其在中小型水利工程中的应用十分广泛。常见的水利工程重力式挡土墙一般的高度都不超过6m，且重力式挡土墙结构比较简单，还具有很好的稳定性，所以常常作为溢洪道、水闸、大型渠道和堤防工程的边墙。科学的设计、使用重力式挡土墙是水工设计工作的重要部分。

1重力式挡土墙的断面结构形态

重力式挡土墙有俯斜式、仰斜式与垂直式三种形式。挡土墙所受的土压力难以计算，目前以朗肯理论和库伦理论为主要计算依据，且两种理论都适用于无黏性土。一般俯斜式重力式挡土墙的墙背摩擦角δ≤0.67φ，满足不了朗肯理论，所以重力式挡土墙一般采用的是库伦理论来计算土压力。对重力式挡土墙的形式进行选择时，应该结合其使用部位、四周的地质条件等因素来综合考虑。仰斜式墙的后坡比主要在1：0.2～1：0.4范围内，墙背的土压力可适当降低，墙后填土却不易压实。当仰斜式墙当过渡段的扭曲翼墙时，是为了获得较好的水流条件，而当墙后可以开挖边坡比较陡时，它也可以作滑坡防护工程或大型渠道的侧墙。垂直式和俯斜式的墙背可回填土料，可增加防渗的效果，且墙体的承压力也跟着增加，填土也容易夯实。实际在工程中使用得最多的是俯斜式，主要的原因是外墙面垂直的挡土墙和四周的建筑物衔接更容易，而且还能使水流条件更好，所以常当溢洪道、水闸闸室等水利工程的岸墙使用。俯斜式墙后坡比通常在1：0.4～1：0.7，如果俯斜式墙的墙体高度大时，要增加其稳定性，就可将外墙面做成1：0.1～1：0.2的坡面。

重力式挡土墙的下部在工程建设中一般做成底板的形式，底板一般都深埋在冻层之下。要增加挡土墙的抗滑能力，一般都采取增加底板宽度、基底面做成向内倾斜和增加凸榫基础几种措施。增加底板的宽度之后，前后趾的宽度最好不大于0.5m，前趾埋深要大于水流冲刷深度0.5m；基底向内倾斜时，土质地基斜坡不陡于0.2：1，岩石地基不陡于0.3：1；凸榫基础深度宜为0.5～1m。

2重力式挡土墙的构造措施

挡土墙的细部构造影响着工程质量和工程安全。工程在设计时大部分挡土墙的构造都满足了规范的要求，而在工程竣工后，特别是在汛期和冬春交替的时候，常常出现墙体裂缝或倾覆的情况，通过分析，其主要的原因是挡土墙结构不够完善。

2.1墙体分缝和止水

要避免温度应力和地基沉降而引起的墙体裂缝，挡土墙在沿长度的方向上要设计伸缩缝或沉降缝。对建在软基上的混凝土挡土墙分段长度为15～20m，对于浆砌石挡土墙分段长度不宜大于10m。挡土墙在沿长度方向的分缝还要考虑下面两种情况：挡土墙在平面和立面布置的突变折点处应设置沉降缝；挡土墙的地基岩性变化处也要设计沉降缝，墙体分缝的宽度大约是2.0～2.5cm，为了防止墙后填料发生流失，所以在内部填充闭孔泡沫板或嵌入沥青衫板等材料。根据以往的施工经验，因为闭孔泡沫板易发生变形，所以施工的时候尽量使用沥青衫板进行填充。那些要求有侧向防渗的分缝中要设计垂直方向的止水，平常的水利工程可以只在墙前的分缝之中设置一道止水，如果是较为重要的工程的挡土墙，就要在墙内部的分缝中设置一前一后两道止水。挡土墙分缝的垂直止水应和墙前迎水面的底面缝间的水平止水构成封闭系统。缝中止水可使用橡胶止水带或铜片止水（多在混凝土墙中可使用），也可用遇水膨胀止水条（多在浆砌石墙中可使用），特殊部位有时也可用双组份聚硫密封膏进行止水处理。

2.2墙体排水措施

没有防渗要求的挡土墙，为了使挡土墙后面的地下水位降低，减小墙体后部的静水压力，一般在墙体布置一定数目的排水孔，让墙四周的积水得以排出。挡土墙排出水不光降低了水压力，黏性土的挡土墙还提高了填土的强度，间接的还减小了土压力，尤其是在寒冷的地区，减少了墙四周的积水，且对减少作用在挡土墙上的水平冻胀力也有明显的效果。

可根据墙高在墙体布置1～2排排水孔，孔的横向和纵向距离一般是2～3m，孔的直径是5～8cm，最下一排与地基约30cm的距离。要求排水孔墙的后进口处要设置反滤，是为了避免排水过程带走填土。在工程施工时为了减小难度，在排水孔中可以提前埋下PVC管，在快完工时再在管口裹上几层针刺无纺土工布充当反滤。如果墙后地下水水位过高，可将排水孔后面的滤料连成纵向排水带，方便排水。如果墙后面积水量大，为增强排水效果，就可在排水带之中埋设滤水管，有效的降低水位。渗流量是决定纵向排水带大小的重要条件。

2.3墙体抗冻胀措施

在寒冷地区，挡土墙发生损坏的主要因素是冻土层的冻胀破坏，且这种破坏主要在冬春交替时期发生。挡土墙在设计之初没考虑到冻胀破坏，如果墙后水平冻胀力比非冻胀土的压力要大很多时，挡土墙就会失去稳定。挡土墙的基础设置在冻土层之下，水平冻胀力过大直接导致地基所受的压力过大，超过地基应力的允许值，致使墙体产生不均匀沉陷或发生移位，而且这种破坏在浅基挡土墙上表现得更为明显。当岩基上的水平冻胀力的倾覆力矩大于抗倾力矩，也会导致墙体产生变形。

到现在为止，还没有找到计算水平冻胀力的完整理论，为保障工程中挡土墙的稳定与安全，工程在设计之初就要采取一定的方式来降低挡土墙的抗冻胀能力。

在满足侧向防渗要求的前提下，要尽可能设置墙后排水设施布置，其中设置纵向排水带和滤水管可以明显的降低墙体四周的积水，从而间接的减少了冻胀危害，另一种消除冻害的方法则是填充非冻胀性材料。根据现场实验资料，在相同的条件下，亚黏土、亚砂土、砾石土及粗砂水平冻胀力之比为1：0.75：0.67：0.2，材料的中粗沙砾、卵石，当其中的细颗粒不到14%时都可当做非冻胀土材料，但应注意换6m的重力式挡土墙，换填厚度顶部可为0.5m，中部填料中小于0.05mm的细颗粒含量不要超过总质量的4%。对于小于1.2Zd-0.5dZ的计算（Zd为基础埋深，dZ为中部墙宽），墙后趾部厚度为0。除此之外，重力式挡土墙在挖边坡时要考虑在回填料的外面铺上防渗土工膜，形成一个防渗的封闭空间。还要注意土工膜两侧要用螺栓锚和铁板压条固定在挡土墙的顶处和后趾板。

部分的工程中为了消除冻胀问题还采用了在墙背铺聚苯乙烯泡沫保温板的方式，但是其所需的成本比较高，所以在实际操作当中使用较少。冻胀力产生的因素十分复杂，单靠一种或几种措施是无法完全避免的。所以在设计之初，就要结合墙体四周的实际情况，提前做出一个完善的设计，合理的运用几种措施，使冻胀力的影响减小到最小。

3重力式挡土墙的施工实例

某水库的除险加固工程中，溢洪道泄槽段的侧墙运用的就是浆砌石重力式挡土墙，断面形式采用俯斜式，墙高为2～3m。左侧边墙墙后土质边坡较高，设计在墙体分缝为10m，墙体下部布置1排φ50排水孔。在施工的过程中，当挖开左侧边墙基槽之后，发现在墙后有大量的地下水渗出，地下水因为整体的水量比较大，排水孔无法完全将积水，所以在排水孔后回填滤料外裹针刺无纺土工布，形成纵向排水暗沟（宽100cm厚40cm），将墙后积水排至下游河道，降低地下水位，同时在冻深范围内回填非冻胀性土料，做法见图1。在抗冻胀力的措施运用中，要结合墙体的实际环境，将各种措施运用到不同的地方，可以有效的降低冻胀力的影响。