河涌既有挡墙加固方法分析与应用——以长洲四号河涌为例

林汉雄

(广州市黄埔区水务设施管理所，广州 510000)

长洲四号涌整治用地范围以规划河涌控制线为准，结合现状河道堤岸情况进行布置，规划河涌岸线内为河涌水域，宽17～25 m(局部节点处70～77 m)；岸线与控制线间为堤岸挡墙、堤顶路及绿化景观建设用地，宽度为15 m。为节约工程投资，在保证河涌过流断面满足行洪要求的前提下，结合前期堤基和工程场地地质条件勘探分析结果，对长洲四号涌桩号K0+000～1+100段采用现状旧堤加固利用方案。通过在旧堤脚抛石护脚压重，结合部分堤岸段进行补砌，适当降低堤顶高程(相当于减小堤顶荷载)、钢筋砼护面、砌石外立面进行勾缝处理等措施，提高和确保堤岸的安全性。经验算，加固后堤岸可满足安全要求[1]。

1 工程概况

长洲四号涌是长洲岛较大的排涝河涌，涌两端与珠江连通，总流域面积F=1.3 km2，地势总体上比较平坦，河流较平直，大体呈东西走向。地貌上属于三角洲冲积平原。河涌阶地和漫滩不发育，河床宽度13～20 m，水深一般0.5～3.0 m，岸坡高度2～3 m，岸坡比较平直，堤身挡墙宽度多在0.8～5 m之间，浆砌毛石岸坡坡角达50°～80°，两岸多为自然地形，填筑堤坝低矮，现有土堤堤身单薄。由于护岸结构没有严格的设计、计算和施工过程，部分堤段砌石挡墙基础未处理好就砌筑挡墙，逐年不断加高，并在外表面塞砂浆而形成。受地质条件差影响，大部分堤岸段淤泥层承载力及抗滑参数很低且厚度大，原砌石堤岸多次滑动，相当部分已出现多次滑塌现象，甚至出现在滑移破坏的堤身上再加高、再滑塌的现象。由于堤身标高参差不齐，防洪排涝能力不一，洪水易从较低的缺口处涌入，加之部分堤段堤身厚度小，为种植土加高而成，面临洪潮高水位时，单薄的堤身存在被冲坏崩塌的隐患，安全稳定性差。因此，四号涌堤岸在整体安全稳定性方面存在隐患。如不整治，在行洪排涝冲刷及水位骤降条件下，容易再次滑塌。

长洲四号涌整治岸线布置的原则为在不影响防洪排涝的前提下，现有河岸线能利用的尽量利用，因地制宜地进行岸线布置，保持河道的自然弯曲，河道断面及护坡宽度等尽量做到收放有致，使整治后的河涌能成为一条更自然、生态的水道。其中，桩号K0+000～1+100段旧堤岸利用段设计项目主要为挡墙抗滑、抗倾、整体稳定。

2 分析方法

分析支护结构的方法有多种(如拟静力法、拟动力法、水平切片法等)考虑地震期间作用在土体上的惯性力。地震力将被视为使用水平和垂直加速度系数的等效静态力。使用水平和垂直加速度系数将ces地震视为等效静力。采用拟静力法中的MO法推导动土压力，动态土压力可通过以下方式获得：

pAE=C(1±KV)KAE·γH(1±KV)KAE

=KA+ΔKdyn

(1)

Δpdyn=pAE-pA

(2)

式中：pAE为墙体上的地震主动土压力；C为常数；KV为竖向地震系数；KAE为动态主动土压力系数；γ为土壤容重；H为墙体高度；KA为静态主动土压力系数；ΔKdyn为增量动态主动土压力系数；Δpdyn为增量动态主动土压力；pA为墙壁上的静态主动土压力。

Hazarika(2009)提出了一个新的公式，该公式考虑了回填土的渐进破坏以及破坏面的形状(弯曲下部和笔直上部的组合)。据观察，MO方法低估了地震主动土压力，高估了破坏带的范围，特别是在强烈地震激励下。拟静力法不考虑时间效应以及剪切波和一次波在土体中的传播，该方法的这一缺点已在伪动力法中得到解决并讨论了拟动力方法，并分析了挡土墙，考虑了时间效应、剪切和一次波在土体中的传播。结果表明，拟动力法的计算结果优于拟静力法。

为了了解加固土防渗墙的作用，研究人员进行了实验研究，包括全尺度结构研究和缩尺模型研究。同时进行了缩尺模型摇动台试验，结果表明钢筋设计参数(即刚度、长度和垂直间距)影响土压力和侧向位移，土压力和侧向位移随着加固层数量和长度的增加而减小。并讨论了加固类型对机械稳定挡土墙的影响，结果表明加固长度和间距影响加固挡土墙的性能。若将轻质可变形土工泡沫/EPS用于挡土墙，能有效降低挡土墙上的土压力[2]。

加固土挡墙的数值分析比物理模型试验更经济。数值分析比传统的极限平衡方法更为严格，因为它们满足力平衡条件、应变协调条件和本构材料定律。从数值研究中可以获得定性和定量性能。一项旨在评估使用MO方法确定具有粒状回填料的挡土墙上动态诱导侧向土压力的适当性的调查结果，通过与使用FLAC进行的分析的可用结果进行比较，评估了使用DIANA获得的结果的可靠性。使用FLAC对土工格室加固支护结构的性能进行了数值分析，结果表明，土工格室长度较长的结构在减少变形方面表现良好。研究人员进行了一系列缩尺振动台试验，以研究加固土挡墙对不同基底加速度的响应。他们使用FLAC进行参数数值研究，以评估基底加速度对加固土挡墙性能的影响。

由于人们对加固土挡土墙表现出相当大的兴趣，加固层之间的正常间距，但对于钢筋层间距较大的加固土挡土墙，没有足够的可用信息。为了更好地理解加固层间距较大的加固土挡墙，本文利用FLAC对加固土挡墙在静态和动态条件下的土压力和侧向位移进行了讨论。在不同的现场条件和不同的荷载条件下进行了一些数值模型试验。同时还进行了参数研究，以了解土-墙系统的作用和力学结构。

3 加固设计

利用FLAC建立一个二维有限差分数值模型，利用弹塑性和Mohr-Coulomb本构模型对地基和回填土进行模拟。墙体高度为5.00 m，宽度为0.30 m，单位长度为平面应变方向。挡土墙饰面假定由混凝土制成，建模为线弹性材料。回填土和地基土建模为干燥、无黏性的均质材料，具有弹塑性响应和莫尔-库仑破坏准则。在整个挡土墙中，土层被认为是均匀的，而地下水位被假定为大深度，因此地下水位对模型响应没有影响。零抗压强度的元件。在每个加固土挡土墙(悬臂式挡土墙)模型中，钢筋的长度保持不变(2或4 m)。回填网格点和钢筋节点之间不允许有相对移动。土壤-钢筋相互作用包含在模型中。在模型的底面，所有移动均受到限制。每次设置新层时，都要检查挡土墙的稳定性，在动态运动中应用静力边界条件来避免波浪反射，考虑阻尼比为5%，以3 Hz频率的地基土为基础，以正弦速度波(EQ3)的形式施加动荷载以及0.2 g加速度振幅。该波作用在模型上的持续时间为2.0 s(6个周期)。分析中，用于动态加载的速度波方程为：

Vx=V0cos(2πηt)

(3)

式中：V0为速度振幅，取0.01 m/s；V为时间(t)在X方向上的速度；η为频率；t为时间。

挡土墙模型见图1。回填土顶部存在1 kPa的超载。为了验证静态条件下的模型，使用经典的Rakine土压力理论计算墙壁上的土压力，并将其与数值分析获得的压力进行比较[3]。两者之间存在良好的一致性，在达到静态平衡后，对数值模型施加动态载荷。为了在动态条件下验证模型，通过数值分析和解析分析得到动土压力。采用pseu恒剂量法(方程式1)进行分析，以获得动态土压力。结果表明，两者之间有良好的一致性。在静态和动态条件下对模型进行了验证。

图1 土挡墙模型

4 结果和讨论

为了评估加固层对挡土墙性能的影响，根据不同长度，确定了静态和动态条件下的土层厚度，见图2。

图2 土压力加固(三层)挡土墙

由图2可以获得相对于标高(从挡土墙底部)的土压力。可以看出，静态土压力小于动态土压力。在静态和动态条件下，加固土挡墙比未加固(常规)土挡墙显示出更小的土压力。钢筋长度为2 m的加固土挡墙上的动土压力和静土压力小于传统挡土墙上的动土压力和静土压力。但当钢筋长度增加到4 m时，这两种压力(动土压力和静土压力)都大大降低。土压力(静态和动态)随加固层长度的增加而减小。在静态和动态条件下，不同长度(0、2和4 m)的加固土挡墙(3个加固层)的横向位移见图3。

图3 横向位移加筋(三层)挡土墙

可以观察到，静态条件下的侧向位移小于动态条件下的侧向位移。与未加固(常规)挡土墙相比，加固挡土墙的侧向位移较小。随着加固土挡墙加固层长度的增加，侧向位移减小。由图2和图3可知，侧向位移的变化几乎是线性的，但土压力的变化是非线性的。增量动土压力可使用式(2)确定。一层和三层钢筋标高的增量动土压力曲线图，见图4和图5，图4和图5分别显示了不同长度钢筋(2和4 m)、无钢筋及其分析值之间的比较。

图4 一层加固土挡墙上的增量动土压力

图5 三层加固土挡墙上的增量动土压力

由图4和图5可知，未加固和分析值的增量动土压力为线性，但加固为非线性。一层(长度为2和4 m)的增量动土压力比三层表现出更多的非线性，三层加固挡墙的增量动土压力小于一层加固挡墙的增量动土压力[4]。可以注意到，增加的动土压力随着加固层长度的增加而减小。

5 参数研究

为了评估动荷载持续时间对加固土挡墙性能的影响，对不同的持续时间(1.0，3.0和5.0 s)的动态荷载进行分析。在参数研究中使用了三层加固土挡墙。每个加固的长度为2 m。加固土挡墙在不同持续时间(1.0，动态荷载的3.0和5.0 s)见图6。

图6 不同时间间隔加固挡土墙上的动土压力

动态土压力随动态荷载持续时间的增加而增加。可以注意到，动态土压力的变化是非线性的。持续时间t=1.0 s和t=3.0 s之间以及持续时间t=3.0 s和t=5.0 s之间的动土压力变化是相同的。加固土挡墙在不同的动荷载持续时间下的侧向位移见图7。

图7 不同时间间隔加固土挡土墙的侧向位移

可以观察到，侧向位移随动载荷持续时间的增加而增加。横向位移的变化几乎是线性的，并且在持续时间t=1.0 s和t=3.0 s之间的横向位移变化大于在t=3.0 s和t=5.0 s之间的横向位移变化。

6 结 语

本文采用有限差分程序FLAC对加固土挡墙进行了数值分析。在静态和动态条件下，观察土压力和侧向位移(变形)，并对传统(无筋)挡土墙和加固挡土墙进行了比较。研究表明，加固挡土墙在较低的动力条件下，能很好地降低土压力和墙体侧向位移。在静态和动态条件下，加固层数及其长度对土压力和侧向位移有显著影响，挡土墙的土压力和侧向位移随加固层数的增加而减小。与未加固(传统)挡土墙相比，使用加固土显著降低了增量动土压力。增加的动土压力随着加固层数量和长度的增加而减小。