某水库扶壁式挡土墙破坏原因分析及加固措施研究

王荣鲁，孟丽娟，洪岗辉，孙其臣

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.中国水电基础局有限公司，天津 301700；3.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

某水库扶壁式挡土墙破坏原因分析及加固措施研究

王荣鲁1，孟丽娟1，洪岗辉2，孙其臣3

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.中国水电基础局有限公司，天津 301700；3.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

对某水库挡土墙破坏原因进行了详细的调查与检测，对挡土墙混凝土进行了多项检测评估与监测资料分析，同时对挡土墙结构进行了复核计算，分析破坏的主要原因。分析表明挡土墙背水面水荷载超载是造成墙体较大变形的主要原因，上部超载也对挡土墙的稳定和基底面的应力分布有不利影响，在施工中未按要求设置排水设施是破坏的直接原因。针对挡土墙破坏的现状，提出了可行的处理方案与加固措施，实践表明，修复效果良好。

挡土墙；破坏；原因分析；加固措施

1 研究背景

挡土墙是水利水电工程中常用的建筑物，几乎在所有的防洪、治涝、灌溉、供水和发电等水利水电工程中都是不可缺少的。它不但具有挡土作用，而且还兼有挡水、导水和侧向防渗等多种功能，应用广泛和运用复杂是挡土墙的两个显著特点［1］。挡土墙的主要和常用的结构型式有重力式、衡重式、半重力式、悬臂式、U型结构、板桩式和空箱式等。扶壁式挡土墙属轻型钢筋混凝土结构，其稳定性主要靠底板以上填土重量来保证，高度大于10 m的高挡土墙多采用这种型式。因此，挡土墙发生事故导致不能发挥作用，不仅影响整个枢纽工程的正常运用，而且还将增加整个工程中各建筑物的施工难度和工程造价。尤其是岸墙和翼墙的布置，不仅影响水流和侧向防渗条件，而且事关整个工程的安全，一些水工建筑物的失事，往往是由于翼墙或岸墙的破坏，造成的所属水工建筑物随之破坏的严重后果［2-4］。

本文通过对发生位移变形的挡土墙进行检测、监测资料分析及复核计算，找出挡土墙基础变位、墙体变形及开裂等问题的原因，最终以挡土墙安全状况的综合评价为依据，提出有针对性的修复加固建议。

2 工程概况

某水库为中型水库，是北京市国家重点工程的配套工程，水库主要功能为防洪和供水。工程建设内容包括库区新建防渗墙、新建泵站及库尾橡胶坝、改造及维护库区现状建筑物等。由于铁路客运专线工程从水库西侧通过，与调蓄水库工程交叉施工。库区西侧采用防渗墙加高及扶壁挡土墙方案，扶壁式挡土墙位于水库西堤北部，挡土墙全长190.16 m，自北向南分为14个单元，墙顶高程为59.0 m，上宽0.6 m，基座宽度9 m和9.8 m，扶壁宽度0.8 m，扶壁内间距2.7 m，挡土墙平均高度约11 m。扶壁式挡墙结构示意图见图1。

场区15 m深度范围内，为卵砾石单一地质结构，工程地质条件较好，地基承载力的标准值建议为260 kPa。挡墙设计底高程处有回填土，施工中要求清除回填土，回填砂砾料，厚度为1.5 m。墙后填土为黏性土，分层碾压，压实度达到92%。

2011年7月初填筑挡墙后填土过程中发现挡墙9单元与10单元之间的伸缩缝张开了2 cm。7月23日晚暴雨，次日发现扶壁式挡墙与改移段挡墙之间的伸缩缝明显拉大。7月25日，裂缝处距挡墙顶5 m处止水带被拉开，水从西侧漏出，根据漏水情况看，止水带被拉开10 cm左右。此后发现挡墙基础均存在不同程度沉降，趾板存在挤压破坏，挡墙底部出现裂缝，挡墙整体向库内倾斜变形，其安全运行成为问题。本文通过对发生位移变形的挡土墙进行检测、监测资料分析及复核计算，找出挡土墙基础变位、墙体变形及开裂等问题的原因，最终以挡土墙安全状况的综合评价为依据，提出有针对性的修复加固建议。

图1 扶壁式挡墙结构

3 挡土墙检测及监测情况

3.1现场混凝土检测方案根据本工程破坏特点，制定了具体实施检测方案［5］。首先对扶壁式挡土墙进行全面的缺陷检查，主要依靠具有工程检测经验的工程技术人员在现场目视查明混凝土挡土墙表面存在的病害和缺陷，并采用读数显微镜、米尺等专用工具量测出裂缝的宽度、长度和位置，伸缩缝的状况等，并对上述内容做好记录。其次是通过回弹法检测混凝土的强度，对挡土墙混凝土的强度进行较全面的检测，因回弹法检测的回弹值受诸多因素的影响，如混凝土表面平整度、碳化深度和含水量等，因此，为比较准确地检测挡土墙混凝土的抗压强度，在无损检测的基础上，还采取钻孔取芯法，实测混凝土的抗压强度，用以复核回弹仪检测值。采用读数显微镜，采用带拍照功能的裂缝宽度检测设备，再次对裂缝宽度检测。最后根据裂缝性状，现场选取了6条典型裂缝，对其进行超声波裂缝深度检测。

3.2现场混凝土检测结论

（1）由普查情况看，目前挡土墙部分单元存在基础错台变位、底部趾板基础局部脱空，部分相邻单元伸缩缝拉开、甚至漏水墙体变形、开裂，下部挡土墙裂缝较普遍存在长度不等的裂缝43条，部分裂缝有内外贯穿和渗水等问题；（2）挡土墙混凝土回弹推定强度在41.8～55.8 MPa，芯样实测抗压强度最低为37.7 MPa，最高达到49.8 MPa，均满足设计混凝土强度等级C30的强度要求；（3）挡土墙的裂缝均自下而上，裂缝宽度为0.15～1.1 mm不等，长度不一，但均分布在下部的单元，所检测的6条裂缝最小缝深为15 cm，其余均超过40 cm或者贯穿。贯穿裂缝渗水析白，裂缝的存在将影响整个挡土墙的耐久性，贯穿裂缝对结构安全也存在一定影响。

3.3监测系统的布置

（1）沉降观测点。扶壁式挡土墙自南向北分别为14、13、12…1单元，每单元距挡土墙两端1 m左右处布设一个沉降观测点，每单元布设2个沉降观测点，共28个沉降观测点。

（2）水平位移观测点。分别于扶壁式挡土墙1、4、8、11、14单元和直接接墙GY1单元（南侧与扶壁挡土墙相连接）布设6个水平位移观测点。

（3）倾角计观测。对应扶壁式挡土墙水平位移观测处布设5个倾角计，与水平位移观测平行进行。

3.4监测成果分析

（1）沉降量监测结果表明，目前挡土墙的沉降依然在发展，并未趋于稳定；11单元至14单元的沉降量明显偏大，观测到的累积最大沉降量为10.48 mm（11单元），累积最小沉降量为0.32 mm（1单元），说明挡土墙的沉降在纵向呈现非均匀性。

（2）14个单元中，有5个单元本身存在不均匀沉降，其中3、10单元整体倾向下游，12、13及14单元整体倾向上游。说明挡土墙的基础沿纵向存在差异。

（3）水平位移监测结果表明，所有单元的ΔY累积水平位移向库内方向，且其水平位移变化量和累计位移量均无减小或趋稳的趋势。1、4、8单元向库内倾斜位移量较11、14单元小。14单元的沉降和水平位移在观测期位移量最大，分别达到3.7 mm和3.9 mm。

（4）因沉降与水平位移观测始于发生变形破坏之后的7月31日，变形的初值未监测到，实际沉降与变形比上述监测到的数值要大。在纵向及垂直挡墙方向的不均匀变形导致了在伸缩缝处部分止水破坏，趾板混凝土局部挤压破坏。

4 挡土墙复核计算和破坏原因

4.1基本资料根据《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007），本水库为II等工程，挡土墙为次要建筑物，为3级建筑物。设计地震烈度8度。水库西堤平台0+031～0+219段挡土墙采用C30扶壁式挡土墙，其中0+031～0+070段墙高11.1m，0+070～0+219段墙高12.1 m。扶壁式挡土墙取两相邻永久缝之间的挡土区段作为计算单元，对挡土墙结构的抗滑稳定、抗倾覆稳定、地基承载力以及结构应力等进行计算分析。水库正常蓄水位56.4 m，最高蓄水位58.5 m，汛期为了不影响水库承担的防洪任务，以汛限水位48.0 m运行。墙顶活荷载为人群荷载400 kg/m2。

地基为中等坚硬的砂卵石地基，场区15 m深度范围内，为卵砾石单一地质结构，工程地质条件较好，地基承载力标准值建议为260 kPa。参数选择如下：混凝土墙体容重25 kN/m3，混凝土强度等级C30，裂缝计算钢筋直径32 mm，填土内摩擦角330°，墙后填土黏聚力0.0 kPa，墙后填土容重19kN/m3，墙背与墙后填土摩擦角17.50°，地基土容重18 kN/m3，修正后地基承载力特征值300 kPa。墙底摩擦系数0.5，地基土类型为土质地基，地基土内摩擦角350°，墙后填土浮容重9 kN/m3，地基浮力系数0.7。

4.2部分设计工况下的计算复核对正常蓄水位、汛期、地震+正常蓄水位共3种工况进行复核［6-7］，各工况对应的库水位见表1。

抗滑稳定系数允许值、抗倾覆稳定安全系数允许值及基底应力允许值见表2—4。

表1 特征水位

表2 挡土墙基底面抗滑安全系数允许值

表3 挡土墙抗倾覆稳定安全系数允许值

表4 挡土墙基底应力最大值与最小值之比的允许值

本工程地基为中等坚硬的砂卵石地基，基本荷载组合时，基底最大应力与最小应力的比值允许值为2.00，特殊荷载组合时为2.50。各计算工况下的计算结果见表5。

表5 各工况下计算结果

4.3复核主要结论

（1）挡土墙在正常蓄水位、正常蓄水位+地震及汛期3种工况下抗滑稳定、抗倾覆稳定、基底应力及基底应力的不均匀系数均满足现行规范要求。

（2）此挡墙破坏时为施工期，水库汛期水位48 m，墙后水位超过52.0 m时，挡土墙基底应力的不均匀系数大于2.00；当水位超过55.0 m时，不均匀系数均大于3.00，均不满足规范要求。

（3）当墙后水位超过55.0 m时，抗滑稳定系数不满足规范要求，基底应力不均匀系数不满足规范要求外，基底应力最大值为276.44 kPa，大于地基允许承载力标准值260 kPa。

（4）由于墙后未设置排水沟，致使汛期墙后水位较高，造成超载，使得墙体抗滑稳定系数不满足规范要求，基底应力的不均匀系数不满足规范要求，基底应力最大值大于地基允许承载力标准值，是造成挡土墙发生较大变位的主要原因。

4.4挡土墙破坏原因分析综合现场检测、监测资料分析及复核计算的情况来看，破坏产生原因是复杂的，多方面因素引起的。主要包括：（1）挡土墙破坏时正处于施工期，库内水位为汛期水位，墙后水位不宜超过52.0 m。由于暴雨，挡土墙后实际水位远高于原设计水位，背水面水荷载超载是造成墙体较大变形的主要原因。施工过程中未按设计要求设置排水设施，导致雨后积水不能迅速排出，从而引起超载；（2）挡土墙后大量额外的施工机械及材料堆积导致超载，从而对挡土墙的稳定和基底面的应力分布有不利影响；（3）扶壁式挡墙与直墙段挡墙之间的伸缩缝变形明显，止水带破坏，有漏水现象，这是由于背水面雨水引起挡土墙超载变形，向库内倾斜，而直墙段挡土墙由于雨水超载引起挡土墙产生倾向库区内的变形引起的；（4）本工程属于扩建工程，挡土墙基础部位的地质工作未及时开展，在挡土墙与水库岸坡衔接处，挡土墙的基础总是一半落在原状土一半落在回填土上。虽然本工程基础处理到位，回填土质量控制较好，但仍不能避免尾部挡土墙发生倾斜和变形。这也是基础出现不均匀沉降的原因之一。

5 修复方案建议及效果

5.1修复方案建议

（1）首先立即对挡土墙的超载进行卸荷，并加强沉降与变形的监测，根据监测结果确定合适的加固处理方案；（2）按原设计及时在挡土墙墙后布置排水降水系统，确保降低墙后水位；（3）挡土墙下部的裂缝系温度应力产生的裂缝，与基础的沉降变形无直接关系，但对工程耐久性产生一定影响，宜在气温较低、裂缝开度较大时进行处理，以恢复结构的整体性和防渗性。对缝宽大于0.2 mm的裂缝进行化学灌浆处理并进行表面柔性封闭；对缝宽小于0.2 mm的非贯穿性裂缝仅进行表面柔性封闭；（4）对挡土墙趾板处与塑性防渗墙接缝部位进行检查，确认止水是否破坏，如破坏增设表层止水；对伸缩缝变形大的部位确认止水材料是否破坏，如破坏增设表层柔性止水系统；（5）挡土墙趾板脱空及破坏部位的处理：将剥蚀部位或脱空的底板进行凿除直至新鲜混凝土，将基面用水冲洗干净，然后涂刷界面剂，重新浇筑混凝土；（6）在挡土墙趾板处按原设计增加铅丝石笼或者重新浇筑混凝土，以提高挡土墙的抗滑稳定性，增加挡土墙的稳定性。

5.2修复效果本工程挡土墙按照本方案修复后，后期无继续沉降变形，裂缝未扩展。2012年7月21日北京市发生61年来特大暴雨，本工程所处的房山区为受灾最严重的地区，降雨量达到460 mm，本工程经过修复后安全运行，未出现破坏和险情，为类似工程的处理提供了成功的经验。

6 结语

（1）挡土墙施工时，必须严格按照设计要求进行，尤其注意排水设施的施工，不能随意增加顶部荷载；（2）对挡土墙破坏原因分析时，应结合现场检测、监测成果和复核计算成果，根据实际基础情况、破坏形态和变形发展趋势作出综合判断；（3）修复方案采用综合措施，减少荷载、增加排水措施、处理裂缝及更换止水的综合处理措施是一种切实可行的方法，效果良好，为今后类似工程的处理提供了成功的经验。

［1］ 管枫年，等.水工挡土墙设计［M］.北京：中国水利水电出版社，1996.

［2］ SL379-2007，水工挡土墙设计规范［S］.

［3］ 刘健，马伟.浅谈挡土墙倒塌的原因分析及措施［J］.广东建材，2010（3）：141-142.

［4］ 潘吉祥.重力式挡土墙的坍塌原因分析及加固措施［J］.岩土工程界，2006，19（8）：69-70.

［5］ SL 352-2006，水工混凝土试验规程［S］.

［6］ SL203-1997，水工建筑物抗震设计规范［S］.

［7］ SL191-2008，水工混凝土结构设计规范［S］.

Destruction reason analyses and reinforcement measure study of counterfort retaining wall of a reservoir

WANG Ronglu1，MENG Lijuan1，HONG Ganghui2， SUN Qichen3
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Glcle in River Basin，Beijing 100038，China；2.Sinohydro Foundation Engineering Co.，Ltd，Tianjin 301700，China；3.China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research Co.Ltd，Tianjin 300222，China；）

In order to find out the destruction reasons of a retaining wall of a reservoir，detailed investiga⁃tion and detection was carried out.On the other hand，the retaining wall concrete was detected，evaluated and the monitoring data was analyzed，and also check calculation of the retaining wall structure was execut⁃ed.It is indicated that overloading of water load on the negative side of the retaining wall is the main rea⁃son that gives rise to the relatively large deformation of the wall，and upper overloading also has some ad⁃verse effect on the stabilization of the retaining wall and the stress distribution of the foundation surface. The direct reason of the destruction is that the drainage facilities were not installed as required during the construction process.According to the current destruction conditions of the retaining wall，feasible treatment schemes and reinforcement measures are presented.It is proved that the rehabilitation effect is favorable.

Retaining wall；Destruction；Reason analysis；Reinforcement measures

TU476

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.01.008

1672-3031（2015）03-0201-05

（责任编辑：王冰伟）

2014-09-28

中国水利水电科学研究院科研专项“十二五”重点科研资助项目（结集1246）；水利部“948”项目（201301）

王荣鲁（1979-），男，山东临沂人，硕士，高级工程师，主要从事水工建筑物检测评估研究。

E-mail：wangrl@iwhr.com