水工挡土墙设计、计算及在工程应用中需注意的几个问题

韩超　李辉

摘 要：简要介绍挡土墙在工程实际中设计、计算过程，并总结了在挡土墙计算及应用过程中需注意的几个问题。

关键词：水工；挡土墙；设计；计算；问题

1 研究背景

改革开放以来，水利投资不断加大。随着投资不断加大，近年来修建了大量水工建筑物，这些水工建筑物为社会经济发展及保护人民群众生命财产安全发挥了巨大作用。在兴建的各种水工构筑物中，挡土墙在各种水利水电工程及各种渠系建筑物中有着广泛的应用，在其中大部分的水工构筑物设计中，都会遇到有关挡土墙的设计内容。下面将水工挡土墙计算及在各种水工建筑物中实际应用经验总结如下。

水工挡土墙有多种形式。其中主要和常用的结构形式有重力式、衡重式、半重力式、悬臂式、扶臂式、板桩式和空箱式等。其中，在水工建筑物中应用最为广泛的为重力式、悬臂式和扶臂式。

重力式挡土墙以墙体本身重量平衡外力以满足稳定的要求，大多采用混凝土和浆砌石建造。重力式挡土墙由于体积、重量较大，在地基上往往由于受地基承载力限制，不宜太高，一般高度以6m以下较为经济。由于重力式挡土墙多就地取材、施工方便、构造简单、造价相对较低，故在中、小型水工建筑物或一些不宜修建混凝土部位广泛应用。悬臂式挡土墙由断面较小的立墙身和底板（前趾板和踵板）组成，属于轻型钢筋混凝土结构。其稳定性主要靠踵板上填土重来保证。悬臂式挡土墙可以在较高范围内应用。一般8米以下高度范围内应用较多。扶臂式挡土墙由墙面板、底板（前趾板和踵板）和扶臂三部分组成，属轻型钢筋混凝土结构。其稳定性主要靠踵板以上填土重来保证。高度大于10m的挡土墙多采用这种形式。扶臂式挡土墙一般在大型水利水电工程中有较广泛的应用。

2 挡土墙设计的基本内容

2.1 挡土墙的稳定性验算

挡土墙的稳定性验算包括以下内容：（1）抗滑稳定性验算。（2）抗倾稳定性验算。（3）地基应力验算和应力大小比、偏心距控制。

2.2 挡土墙的结构设计

对混凝土、浆砌石挡土墙进行截面的压应力、拉应力及剪应力验算，对钢筋混凝土挡土墙各部分结构进行强度和配筋的计算。

2.3 挡土墙的细部构造

挡土墙细部构造主要包括挡墙合理分缝及止水、排水设计等。

3 挡土墙设计基本步骤

以前挡土墙稳定计算均采用手工计算，其基本步骤为：首先初步拟定断面尺寸，根据挡土墙断面尺寸及水位、填土和地基强度指标等相关条件，参考已有工程建设经验，初拟出断面轮廓尺寸及各部分的结构尺寸；根据正常运用、设计、校核、施工及建成等各种情况分别进行相应外荷载计算，然后列表求出各种荷载组合情况下的水平力、垂直力及对前趾端点产生的力矩；挡土墙稳定性验算，根据上述计算结果，对各种设计情况分别进行抗滑、抗倾稳定和地基应力的验算，要求稳定安全系数、地基应力满足相关规范要求；如不满足上述要求，应改变断面轮廓尺寸或采用增加稳定措施，重新进行稳定验算，直到满足要求为止；选择出最不利设计和荷载组合情况对各截面强度进行验算或配筋计算；最后进行相应的细部构造设计。

4 计算实例

由于篇幅所限，文章仅以悬臂式钢筋混凝土挡土墙在工程实际中稳定计算及应用举例说明。某堤防工程，防洪标准为50年一遇，工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级。沿河两侧修建钢筋混凝土悬臂式挡土墙，墙身结构尺寸见表1。

挡土墙计算已知条件：墙后填土水平，中等密实粘土地基，回填砂砾土，地基容许承载力[R]=180KN/m2，容许应力大小比[η]=2.5，基地摩擦系数f=0.4，抗滑稳定系数KC≥[KC]=1.3，抗倾稳定系数K0 ≥[K0]=1.5，其他计算参数见挡土墙计算参数表（表2）。

挡土墙稳定计算公式与整体稳定计算公式相同，采用理正计算机软件计算。采用软件计算具有修改简便、计算效率高、可采用多种工程措施、多种情况设计等多项优点，并且可针对多种挡土墙形式进行计算，可涵盖大多数现阶段在工程中应用的挡土墙计算。荷载组合见表3。

其中

（1）土压力采用库伦土压力公式计算。

计算公式：

（2）抗倾覆稳定计算公式：

式中：K0-挡土墙抗倾覆稳定安全系数；∑My-对挡土墙基地前趾的抗倾覆力矩（KN/m）；∑Mh-对挡土墙基底前趾的倾覆力矩（KN/m）。

（3）抗滑稳定计算公式：

KC-挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；f-挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数，取0.4。

（4）挡土墙基地应力计算：

Pmax/min-挡墙基底应力最大值或最小值；∑G-作用在挡土墙上的全部垂直于基底面的荷载（KN）；∑M-作用在挡土墙上全部荷载对于基底面平行前墙墙面方向形心轴的力矩之和（KN/m）；A-挡墙基底面的面积（m2）；W-挡墙基底面对于基底面平行前墙墙面方向形心轴的截面积矩（m3）。

（5）地基应力不均匀系数。

Pmax-挡土墙基底应力的最大值；Pmin-挡土墙基底应力的最小值。

以上（2）-（5）公式中的计算参数如下：

[η]-基底应力最大值与最小值之比的允许值，[η]=2.5；[σ]-地基允许承载力；[KC]-允许的抗滑稳定系数，[KC]=1.3；[K0]-允许的抗倾覆滑稳定系数，[K0]=1.5。

经计算各项系数均满足稳定要求。

5 计算及实际应用中需注意问题

5.1 基础资料收集

由于挡土墙应用广泛，受力复杂，所以在计算之前，应做好基础资料收集工作，包括地基参数选择、填土参数选择、合理确定强度安全系数等。应注意在计算前期收集齐需要用的计算资料，并且保证资料的正确，这样才能做到事半功倍，为接下来的计算打好基础。

5.2 挡土墙运用情况选择

作用在挡土墙上的荷载主要有挡墙自重及填土重、在填土面上恒载及汽车、人群等临时的活荷载、土压力、静水压力、扬压力（包括基地浮托力和渗透压力）、浪压力等，挡土墙在施工、建成、检修和运用时期，上述各种荷载会产生不同组合情况，在设计中需要将同时作用的各种荷载进行组合，并将水位作为组合的主要条件来考虑。一般在整体稳定验算中，选择以下三种情况：（1）完建期，作用于挡土墙的荷载，主要有挡土墙自重和土压力，挡墙后地下水位高时，墙后受静水压力，底部受扬压力作用；此种情况最危险，相当于挡墙前无水墙后填土为水平填土，易形成倾覆破坏，在计算时一定要注意；（2）正常运用期，上游为正常挡水位，下游为相应的低水位，此种情况为正常运用时的一般情况，此时作用挡土墙上荷载有自重、土压力、水重、静水压力、扬压力、浪压力等；（3）非常挡水期，上游为校核挡水位，下游为相应低水位，作用荷载类型与正常运用期荷载类型相同，只是具体荷载大小不同；一般在挡墙计算中取前两种情况作为计算工况来考虑。还有一个重要的问题就是墙前墙后水位的确定。要根据作用不同荷载不同组合，来确定墙前墙后水位。墙前一般为正常挡水位，需注意的是正常运用期墙后水位确定，一定要慎重。经过大量计算发现，墙后水位大于墙前水位则挡墙极易发生倾覆破坏，地基应力也不满足要求，这在计算中需要格外注意。

5.3 墙后填土内摩擦角确定

大多数挡土墙其稳定性主要靠踵板上填土重来保证，其中墙后填土内摩擦角是一项很重要的参数，一般由土工试验确定。在这一过程中应保证实验数据准确，因为这一数据直接影响到挡土墙稳定性计算。

5.4 细部构造设计

挡土墙的细部构造设计同样重要，如合理确定挡墙的分缝位置、止水、排水设计等内容。一般在混凝土结构挡土墙15m-20m设一道伸缩缝，浆砌石结构挡土墙10m左右设一道伸缩缝，伸缩缝用沥青木板或者橡塑闭孔发泡板处理，缝宽2cm；为防止墙后水位过高，在适当位置应设置一排或者几排排水孔，以排泄墙后水位，以利稳定；一般排水管使用PVC管，内填砂砾石，在排水管后部用无纺布包裹，以防止带走墙后填土。

6 结束语

挡土墙应用范围较广、受力复杂、结构形式多种多样，文章仅是在计算及实际应用中总结出几点经验。挡土墙计算及运用是一个非常复杂的过程，在工程实践中还有许多不同情况没有发现，需日后不断完善。

参考文献

[1]水工挡土墙设计[M].中国水利水电出版社，1996.

[2]SL379-2007.水工挡土墙设计规范[S].

作者简介：韩超，男，中级工程师，在职研究生学历，现就职于赤峰市水利规划设计研究院，从事水利规划、设计工作。

李辉（1985，10-），男，本科，2007年毕业于内蒙古农业大学，学士学位，现就职于赤峰市水利规划设计研究院，中级工程师。