重力式集水池抗滑抗倾稳定的探讨

史仁朋

（山东省枣庄市水利勘测设计院 山东枣庄 277800）

枣庄市胜利渠灌区是我市唯一的大型灌区，位于我市峄城区、台儿庄区和薛城境内。灌区设计灌溉面积3.53万hm2，其中提水灌区2.4万余hm2。大小泵站62 个，其中规模以上的中型泵站18 座，鉴于当地地下水位变化较大，前池和进水池的优化设计直接影响到工程的造价。

前池及进水池多采用重力式挡土墙结构。由于进水池内的水位并非一直保持在设计水位，同时墙后水位也存在较大的波动，如果我们采用较保守的荷载组合（池中无水，墙后水位较高），势必造成截面尺寸非常大，既不经济也不合理。鉴于此，我们采用在池中间设检测井（也叫排水井）来降低挡土墙墙后的水位，以顺应池内的水位，使挡土墙的抗滑、抗倾覆以及底板的抗浮处于安全工况。

1 集水池挡土墙的设计

挡土墙基础坐落在新鲜岩石之上，采用C20、F100 的素混凝土结构，顶宽1.0m，迎水侧边坡1：0.35，背水侧采用直立墙，底板采用0.9m 厚的钢筋混凝土。墙顶高程 39.50m，突出地面0.20m，底板顶高程33.50m。假定池内水位为H，墙后水位为h，集水池挡土墙稳定计算简图见图1。按照上述计算断面和挡墙前后水位的计算工况，列表计算该墙的垂直力和水平力，从而确定其对墙趾A 点的力矩，集水池挡土墙稳定计算表见表1。

图1 集水池挡土墙稳定计算简图

2 集水池挡土墙稳定性分析

根据表1 的计算结果，确定挡土墙的抗滑稳定安全系数、抗倾稳定安全系数和底板的抗浮稳定安全系数。

（1）抗滑稳定安全系数为：

利用求解公式解得Kc=1.0、1.1、1.2、1.3、1.4 时的H 与h 的对应关系。从中可知：在墙后水位一定的前提下，抗滑稳定安全系数随池内水位的增加而增大。当池内水位稳定时，安全系数随墙后水位的增加而降低。

表1 集水池挡土墙稳定计算

（2）抗倾稳定安全系数为：

利用牛顿迭代法解得Kf=1.0、1.1、1.2、1.3、1.4 时H 与h 的对应关系。从中可知：抗倾稳定安全系数与抗滑稳定安全系数随挡墙前后水位的变化趋势是一致的，但是相同工况下抗倾安全系数远大于抗滑安全系数。

3 集水池底板的抗浮稳定计算

抗浮稳定安全系数按下式计算：

图2 进水池挡土墙底板稳定曲线图

可解得Kp=1.0、1.1、1.2、1.3、1.4 时H与h 的对应关系。我们把不同安全系数下解得的数值绘在一张图中，见图2。由图2 可以看出，只要合理控制墙后水位在安全区范围内，集水池底板与挡土墙均为稳定安全。通过计算得到的Kc、Kf、Kp曲线可以看出：集水池底板的稳定取决于池内水位和墙后水位的差值，只要墙后水位与池内水位的差值小于2.16m，底板即可抗浮稳定。在实际运行中，即便是泵站不运行，仍然需要保证池内有一定的水深。欲保证集水池两侧挡土墙的抗滑稳定，必须按曲线图严格控制墙后水位。当池中水位较低时，可按 Kc≮1.1 的要求来控制墙后水位；当池中水位较高时，可按Kc≥1.2 来控制墙后水位。集水池挡土墙的抗倾覆对挡土墙的稳定不起控制作用，只要其抗滑稳定，则其抗倾和底板抗浮也就必然稳定。

因此，池中水位和墙后水位差是关系集水池安全的关键因素。实际运行中，应密切监测和控制墙后水位和池中水位，合理调度、科学运行，确保集水池的稳定安全。我们把各种安全系数下的墙后水位与池内水位的对应关系一一输入微机（程序），通过检测井及进水池中水位计（通过传感器传递给微机）的指示，计算机自动判断运行状况，当墙后水位位于曲线上方时，检测井内的潜水泵会自动合闸，向外排水，达到自动化远程控制的效果。