浅谈水工挡土墙的特点及结构型式

浅谈水工挡土墙的特点及结构型式

1高影响和复杂的洪水挡土墙水库、引水站、水电站、码头工程和各种污水系统建设项目中的防洪墙广泛应用于防洪墙的设计中。水库枢纽工程中,土石坝与混凝土坝及溢洪道的连接结构,水闸闸室及进出口挡土墙,水电站及各种船闸中的翼墙及岸墙,内河及海上各种码头工程,渠系建筑物中的桥、涵洞、倒虹吸、渡槽等进出口连接结构,水库库岸、河道、渠道边坡滑坡及崩塌的防治工程等,几乎所有的水工建筑物设计和施工中都会遇到挡土墙,应用广泛和工作条件复杂是水工挡土墙的两大显著特点。2防洪墙的工作和运营环境水工挡土墙多在浸水条件下工作,需要承受不同特征水位变幅带来的水压力,同时需要满足主体水工建筑物对水流条件的要求。2.1浸水挡土墙墙背墙面为涂料墙背土的情况,土的厚度可以影响土的重水工挡土墙多在浸水条件下工作和运行,挡土墙浸水后,整个系统受力状况会有一个较大的变化。墙背填土料因受水的浮力作用,土的重度降低,主动土压力将会减小;黏性土浸水后,其强度指标将会降低,主动土压力将会增大;浸水挡土墙墙背和墙面受到静水压力作用。当墙前后水位一致时,两者相互平衡;不一致时,则墙身受静水压力差的推力作用将会增加;浸水挡土墙基底将增加扬压力作用;墙外水位聚降,或者墙后暴雨下渗,墙后填料内出现渗筑时,填料将受到渗透动水压力作用。2.2结构的强度水工挡土墙在建设和运行过程中,随着不同特征水位变化,作用于墙身的静水压力、土压力、作用于基底的扬压力、地基应力等都不相同,设计要求不同的运行条件下(建设、设计、校核)都应该满足整体稳定和各部结构的强度要求。2.3进出口水流条件水工建筑物中的翼墙等挡土墙多半兼有挡水和导水的作用,对进出口水流条件都有较为严格的要求。因此,水工挡土墙设计时,除考虑两岸连接的挡土墙要求外,还应考虑进出口水流条件,使上下游水流平顺衔接,满足主体建筑物的工作运行要求。3挡土墙的构造要求与其他工程挡土墙相比,水工建筑物的工作和运行环境对挡土墙的构造有着特殊的要求,主要包括挡土墙临水面、止水、底板支撑、防冻胀、墙顶高程和基础埋深等。3.1挡土墙临水面为了便于和主体建筑的岸墙连接,便于止水设置和获得更好的水流条件,水工挡土墙身临水面需要采用直立面、墙背采用俯斜(重力式挡土墙)或近于直立(悬臂式挡土墙)。3.2垂直止水封闭系统水工挡土墙通常情况下侧面都有防渗要求,各段挡土墙分缝之间需要设置可靠的垂直止水设备,如塑料或紫铜片止水,应与墙前防渗底板之间的水平止水构成封闭系统。3.3土墙前底板支撑为满足过流、防冲或防渗要求,水工挡土墙前底板需要设置支撑结构,墙前多设有混凝土、钢筋混凝土刚性底板,而且墙前支撑结构有利于挡土墙的抗滑稳定。3.4起始冻胀含水量在寒冷地区的挡土墙,墙后回填冻胀性土时,如果填土含水量大于起始冻胀含水量,且有地下水补给,墙后将产生大于主动土压力几倍的水平冻胀力。在水平冻胀力作用下,常常使挡土墙产生稳定和强度破坏,在设计和施工中,应采取保温或者水土隔离等消除冻因措施。3.5确定墙前安全设施水工挡土墙的墙顶高程应考虑两岸连接、墙前水位、风浪爬高、安全超高等条件加以确定;基础埋置深度要考虑地基岩性,冻层深度、冲刷深度等条件加以确定。4结构型式及适用范围随着科学的发展和工程技术的进步,水工挡土墙结构形式不断增多,但主要和常用的结构型式有重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、箱式、锚杆、锚定板式和加筋图挡土墙,见图1-图8,不同结构型式有着不同的特点及适用范围。4.1重力式挡土墙重力式挡土墙是以挡土墙自身重力来维持挡土墙在土压力作用下的稳定,它是国内目前常用的一种挡土墙,多采用石砌或混凝土建成。该挡土墙一般都做成简单的梯形结构,由于重力式挡土墙多就地取材,构造简单,施工方便,经济效果较好,常用于小型水工建筑物,特别是渠系水工建筑物。但重力式挡土墙由于体积和重量较大,在土地基上往往由于受地基承载力的限制,不能太高。在岩基上,虽然承载力不是控制条件,但高的重力式挡墙由于断面大,材料耗费较多,亦不经济,一般高度在6m以下较为经济合理。4.2配部分构造钢筋半重力式挡土墙一般采用混凝土建造,与重力式挡土墙相比立墙断面较小,前后底脚放大,墙身和底脚混凝土强度满足要求处不配筋或者配少量构造钢筋,在强度不满足要求处配置少量受力钢筋。半重力式挡土墙断面一般比重力式挡土墙断面小40%~50%,因而可充分利用混凝土的抗拉强度,与重力式挡土墙相比,同样高度的挡土墙地基应力小,且分布较均匀。在同样地基条件下,其建筑高度可远大于重力式挡土墙。在地下水位较高或者较软的地基上,不适宜采用重力式挡墙时,可采用半重力式挡土墙,一般高度在8m以下较为经济合理。4.3挡土墙体施工衡重式挡土墙是利用衡重台上部填土的重力和墙体重心后移来抵抗土体侧压力,维持自身稳定的,它由上墙、衡重台与下墙3部分组成,多采用混凝土或浆砌石建造。挡土墙衡重台以下可直接在开挖边坡内浇筑混凝土,以节省模板费用。同时,由于衡重台以下墙背为仰斜,其土压力值也大为减少。墙背靠岩石修建的挡土墙,也常采用衡重式。衡重台以下由于墙背与岩石接触,此部分不受土压力作用。由于衡重式挡土墙衡重台有减少土压力作用,其断面一般比重力式小,因此应用高度较大。特别是修建在岩基上的衡重式挡土墙,由于容许承载力较高,挡土墙的高度可大于20m。4.4凝土悬臂构件组成悬臂式挡土墙主要是靠趾板和踵板以上填土重来维持自身稳定的,它由立壁、趾板、踵板3个钢筋混凝土悬臂构件组成,属轻型钢筋混凝土结构。该挡土墙构造简单,施工方便,能适应较松软的地基,适用于缺乏石料及地震地区,在水工建筑物中应用广泛。但随着挡土墙高度增加,立壁下部的弯矩也相应加大,钢筋与混凝土的用量将会剧增,所以高度一般在6~9m之间较为经济合理。4.5挡土墙稳定性分析扶壁式挡土墙是沿悬臂式挡土墙的立臂,每隔一定距离加一道扶壁,将立壁与踵板连接起来的挡土墙,由立壁、底板和扶壁3部分组成,其稳定性也主要是靠底板以上填土重来保证,属轻型钢筋混凝土结构。该挡土墙是在悬臂式挡土墙基础上发展起来的,适用于缺乏石料及地震地区,在大型水利水电工程中有较广泛的应用,高度一般大于10m。4.6自身稳定原则空箱式挡土墙由前墙、后墙、隔板、底板和顶板5部分构成,属于钢筋混凝土轻型结构,主要靠自重维持自身稳定。箱内不填土,但可以进水,其特点是作用于地基的单位压力小,且分布均匀,适用在墙的高度较大且地基承载力较低情况下采用。空箱式挡土墙结构复杂,材料用量较大。由于墙后填土部位地基承受压力远大于空箱底部地基压力,常使地基产生不均匀沉降,致使空箱挡土墙向填土方向倾斜。4.7结构组成和挡土墙的组成锚杆挡土墙由立柱、墙面板和锚杆3部分组成;锚定板挡土墙由预制的钢筋混凝土墙面板、立柱、钢拉杆和埋在填土中的锚定板所组成,属于轻型支挡结构。这两种挡土墙主要依靠立柱、墙面板、拉杆、锚定板或者锚杆来维持挡土墙的稳定。立柱通常采用钢筋混凝土结构,墙板一般采用木板、钢板或者钢筋混凝土板。该类型挡土墙结构轻、柔性大、工程量少、造价低,但施工工艺较复杂。该类型适用于地基承载力较低的重要工程,墙高可达27m,通常在码头工程和大型水利工程施工围堰中采用。4.8填料墙面板的组成,利用拉筋拉筋以及拉筋土加筋土挡土墙是在土中加入拉筋,利用拉筋与土之间的摩擦作用,改善土体的变形条件和提高土体的工程特性,从而达到稳定土体的目的,它由填料、在填料中布置的拉筋以及墙面板3部分组成。加筋土是柔性结构物,能够适应地基轻微的变形,填土引起的地基变形对加筋土挡土墙的稳定性影响比对其他结构物小,地基的处理较简便,是一种很好的抗震结构物,而且节约占地,造型美观,造价比较低。一般应用于地形较为平坦且宽敞的填方区域,在挖方路段或地形陡峭的山坡,