基于土压力系数计算的水闸加筋挡墙的稳定性分析

马 猛

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 117000)

0 前 言

水闸在工程设计时需要对加筋挡墙的稳定性进行分析。常用的方法主要采用物理模型试验以及原位观测试验进行分析，从而水闸加筋挡墙的稳定性分析[1]。早期对于水闸加筋挡墙稳定性分析由于缺少定量分析方法，大都采用原位观测试验进行分析[2-6]，这种方式适合于小型闸坝的工程建设,而对于大中型闸坝建设由于试验成本较大，适用性不高。后期在国内一些大中型闸坝工程建设中，通过设计区域水流、土质分析，采用土压力系数进行闸坝稳定性的分析[7-15]，但该方法对于水闸加筋挡墙稳定性的研究还较少，众所周知，加筋挡墙是保持大中型闸坝稳定的关键所在，因此亟需对其加筋挡墙的稳定性进行分析，从而保障闸坝工程的权。为此文章结合土压力系数，以某中型闸坝为工程实例，对其加筋挡墙的稳定性进行分析，从而为其他大中型闸坝工程加筋挡墙的稳定设计方案提供重要参考价值。

1 土压力系数计算原理

土压力系数主要分析闸坝加筋挡墙受孔隙水的影响程度，计算公式为：

(1)

式中：Ka为土压力系数计算值；θ和φ分别为为加筋挡墙水平方向以及内摩擦角，°。当加筋挡墙纵向深度<6m，其土压力系数计算公式为：

(2)

式中：Ki为不同深度下的土压力系数计算值；Kj’为在静水压力作用下的土压力系数；Zi为不同加筋之间的水平距离，m，当加筋挡墙纵向深度>6m，其土压力系数计算公式为：

(3)

加筋挡墙在纵向和横向深度的压力计算公式分别为：

σzi=KiγZi

(4)

(5)

式中：q为静载压力负荷，kPa；Lc为挡墙静载受力面压力负荷宽度，m；Lci为纵向深度下的荷载扩散压力，kPa。在纵向和横向压力负荷计算的基础上，对其压力总负荷进行计算：

∑σEi=σzi+σai

(6)

式中：σEi为挡墙总负荷，kPa。在纵向距离不同方向下的拉力计算公式为：

Ti=∑σEi·Sy

(7)

式中：Ti为水平总的压力负荷，kPa。则其纵向深度的抗拔压力的计算公式为：

(8)

式中：Tpi为纵向抗拔压力荷载，kPa；f’为摩擦系数；bi为加筋挡墙计算单元宽度，m；Lai为加固深度，m。对加筋挡墙稳定性进行孔隙水下抗压强度的验证：

Tpi>γ0γR1γQ1Ti

(9)

式中：γ0为压力系数；γR1为调节系数；γQ1为强度折减系数。

2 实例应用

结合辽宁地区某中型闸坝建设为具有工程实例，分别采用充水试验方式对其稳定性系数进行分析和计算，孔隙水井水强度试验主要通过充水破坏试验进行分析和测定，透水度主要通过透水试验方式进行分析。

2.1 不同纵向深度下的稳定系数计算结果

对水闸加筋挡墙不同锚固深度下的稳定性系数进行计算，闸坝加筋挡墙不同锚固深度下的稳定系数计算值，见表1。

表1 闸坝加筋挡墙不同锚固深度下的稳定系数计算值

从水闸加筋挡墙不同锚固深度下的稳定系数计算结果可看出，其稳定系数随着锚固深度的增加而总体在0.369-0.531之间变化，变化总体稳定性较高。当锚固深度<1.4m后，其加筋挡墙稳定系数受静水压力影响有所增加。静水压力对加筋挡墙的影响也逐步降低，从而水闸稳定性得到一定程度的提升。当锚固深度>1.4m后，稳定系数达到最高值。

2.2 加筋挡墙稳定性破坏试验

为分析静水压力对加筋挡墙稳定性的破坏程度，采用放水试验进行稳定性的破坏试验，不同放水方式下的加筋挡墙稳定性破坏试验结果，见表2。

表2 不同放水方式下的加筋挡墙稳定性破坏试验结果

从不同放水方式下的加筋挡墙稳定性破坏试验结果可看出，在相同条件下下不同静水压力方式对水闸加筋挡墙的稳定性影响程度不同，全静水压力方式下加筋挡墙两个方向压力峰值变化较大，在半静水方式下的压力峰值变化幅度有所降低，而在无静水方式下的压力峰值影响程度达到最低。

2.3 加筋挡墙不同压力水头下的透水度分析

对水闸加筋挡墙不同静水压力水头下的透水度进行分析，不同压力水头下的加筋挡墙透水度试验结果，见表3。

表3 不同压力水头下的加筋挡墙透水度试验结果

从不同压力水头下的加筋挡墙透水度试验结果可看出，各水头下水闸加筋挡墙的透水度变化较为明显，随着压力水头的增加其透水度递增，且纵向和横向两个方向的井水压力呈现显著递增变化，这主要是因为不同压力水头下加筋挡墙的透水度有所增加，使得在相同压力水头下随着钢筋直径的增加透水度增加。

2.4 不同静水压力方式下加筋挡墙压力峰值变化

在两种静水压力方式下的加筋挡墙的压力峰值进行分析，非静水压力下加筋挡墙的压力峰值分析，见表4；静水压力下加筋挡墙的压力峰值分析，见表5。

表4 非静水压力下加筋挡墙的压力峰值分析

表5 静水压力下加筋挡墙的压力峰值分析

从不同静水压力方式下的水闸加筋挡墙的压力峰值分析结果可看出，随着静水压力的变化，水闸加筋挡墙的压力峰值变化总体呈现先递增后趋于稳定变化，静水压力相比于非静水压力其压力峰值变化度更高。

3 结 论

1)当水闸加筋挡墙锚固深度<1.4m后，其加筋挡墙稳定系数受静水压力影响有所增加。静水压力对加筋挡墙的影响也逐步降低，从而水闸稳定性得到一定程度的提升。当锚固深度>1.4m后，稳定系数达到最高值。

2)在相同条件下下不同静水压力方式对水闸加筋挡墙的稳定性影响程度不同，全静水压力方式下加筋挡墙两个方向压力峰值变化较大，在半静水方式下的压力峰值变化幅度有所降低。

3)各水头下水闸加筋挡墙的透水度变化较为明显，随着压力水头的增加其透水度递增，且纵向和横向两个方向的井水压力呈现显著递增变化。