黄河故道涵闸翼墙高坡组合面填土土压力浅析

(1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021； 2.辽宁省江河流域管理局，辽宁 沈阳 110003； 3.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061；4.中铁十七局集团第二工程有限公司，陕西 西安 710043)

黄河故道涵闸翼墙高坡组合面填土土压力浅析

周贺达1关青松2常广品3王颖4

(1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130021； 2.辽宁省江河流域管理局，辽宁沈阳110003； 3.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海200061；4.中铁十七局集团第二工程有限公司，陕西西安710043)

黄河故道涵闸工程位于盐城市黄河故道两侧堤防的防洪线上，设计时考虑将翼墙墙顶高程做与青坎同高,墙后1∶4坡状填土到堤顶。墙体挡土高度为5 m，墙顶到堤顶高差为5 m，填土高差值为1倍,该情况已经超出了规范的理论公式范围。针对这一情况，采用有限元数值模拟法、最大值连线法、无穷坡法展开研究并进行了对比分析，最终对高坡组合面填土墙后土压力取值提出了合理建议，同时指出，为确保工程安全，实际设计中应按折衷法计算土压力。

涵闸工程；组合面填土；填土墙；土压力

1 工程概况

黄河故道涵闸工程位于江苏省盐城市黄河故道两侧堤防的防洪线上，堤顶高程达 10.0 m，河底高程为 0.5 m，建筑物级别为4级，如果做成不越浪式翼墙，则翼墙规模较大，另外墙前与堤顶之间距离达20 m，填土量大。鉴于此，设计时将墙顶高程做与青坎(5.0 m)同高,墙体挡土高度为5 m，墙后1∶4坡状填土到堤顶(10.0 m)，形成高坡组合面填土形式，见图1。

图1 黄河故道涵闸翼墙断面结构(单位：cm)

《SL379-2007水工挡土墙设计规范》[1]中，已经有明确的坡状填土墙后土压力计算公式及土压力分布简图，详见式(1)～(3)和图2。

ea1=γHdKa

(1)

ea2=γH0Ka

(2)

ea3=γzKa

(3)

图2 坡状填土墙后土压力分布

式中，ea1表示填土高度为Hd、填土面为水平面计算的主动土压力强度，kPa；ea2表示填土高度为H0、填土面为水平面计算的主动土压力强度，kPa；ea3表示填土面坡角为β、填土高度z以上的主动土压力强度，kPa；Hd表示挡土墙高度，m；H0表示挡土墙的高度与超过墙顶的填土高度之和，mm；z表示墙顶填土斜坡面与墙背连线交点至墙底的深度，m；γ表示挡土墙墙后填土的重度，kN/m3；Ka表示主动土压力系数。

ea3式(3)中得出的Ka值稍大，在控制好墙后填土的情况下(墙后填土非粘性土的内摩擦角为28°)，ea3中的Ka为 0.402，大于ea1、ea2的Ka值 0.361。本文工程的填土高差值已经达到1倍，0.402/0.361已经无法消化，即ea2大于ea3，该分布图在规范中没有说明，这种情况下的土压力取值在目前属于空白领域。近年来，近水式驳岸在城市河道中用得越来越多，墙后的长绿化坡广受欢迎，已经成为生态水利的一个标志。驳岸后填土多属于高坡组合面填土。因此，解决该空白领域的问题不仅可为高坡组合面填土的挡土墙设计提供较准确的墙后土压力值，更可为大量景观驳岸设计提供较合理的计算模式。

对于高坡组合面填土这一空白领域，本文采用了3种研究方法，即有限元法、规范最大值连线法及规范无穷坡法进行了对比分析，最终对高坡组合面填土墙后土压力取值提出了合理的建议。

2 研究方法

2.1 有限元数值模拟法

数值模拟法是与物理实验相对应的方法，有限元是常用的数值模拟法之一，本文采用大型商用有限元软件ADINA建立数值模型进行计算。

2.2 最大值连线法(规范)

依据规范公式分别计算ea1、ea2、ea3，绘制土压力分布图，采用从挡土墙墙顶连线到墙底最大土压力位置形成的三角形来作为墙后土压力值分布图(详见图3)。

图3 墙后土压力值分布(单位：cm)

2.3 无穷坡法(规范)

基于规范[1]中有关悬臂式挡土墙墙后填土面倾斜时的主动土压力计算方法，此时，填土坡顶向无穷远处伸展，而高坡组合面则相当于无穷坡削掉一部分，此设计方法尺寸偏大。

基于规范《SL379-2007水工挡土墙设计规范》，作用在挡土墙上的主动土压力可按公式(4)计算

(4)

对于悬臂式挡土墙，当墙后填土面倾斜时，主动土压力系数可按式(5)计算(计算简图见图4)

(5)

式中,Ea表示作用在挡土墙上的主动土压力，kN/m，其作用点距墙底为h(土压力图形的形心至挡土墙底的距离)，按式(5)计算时其作用方向与填土表面平行；q表示作用在墙后填土面上的均布荷载,kN/m2；H表示土压力计算高度，m；r取值为 7.28 kN/m3；γ1表示挡土墙墙后地下水位以下填土浮重度,kN/m3；h1表示墙后地下水位以上土压力的计算高度，m；h2表示墙后地下水位至基底面土压力的计算高度，m；β表示挡土墙墙后填土表面坡角,(°)，β=arctan(1/4)；ε表示挡土墙墙背面与铅直面的夹角,(°)，ε=arctan(0.3/4.2)；Ф表示挡土墙墙后回填土的内摩擦角,(°)，此处取为28°；δ表示挡土墙墙后填土对墙背的摩擦角，(°)，可按式(4)采用(0.33～0.50)Ф。

图4 挡土墙上主动力压力分析

3 分析过程及成果分析

3.1 理论推导法分析过程及结果

理论推导法分析过程及结果如下。

ea1=γHdKa=7.28×4.2×0.361=11.04 (kN/m2)

ea2=γH0Ka=7.28×9.2×0.361=24.18 (kN/m)2

ea3=γzKa=7.28×4.2×0.402=12.29 (kN/m)2

3.2 有限元法分析过程及结果

经计算，挡土墙后最大土压力为36.6 kN/m，相当于比挡土墙顶高1 m的土高，偏于低墙部分，但该最大土压力位置离墙身根部约有1.5 m的距离。因此，按普通理论，墙后最大土压力在此基础上还应该有所增加，详见图5。

图5 挡土墙后土压力

3.3 最大值连线法分析过程及结果

最大值连线法分析过程及结果如下，最大值连线法取值示意见图6。

ea1=γHdKa=7.28×4.2×0.361=11.04 (kN/m2)

ea2=γH0Ka=7.28×9.2×0.361=24.18 (kN/m2)

ea3=γzKa=7.28×4.2×0.402=12.29 (kN/m2)

图6 最大值连线法取值示意(位：cm)

3.4 无穷坡法分析过程及结果

无穷坡法分析过程及结果如下。

cosβ=0.97 cosø=0.88

(6)

4 超规范情况土压力的处理方法

对于本文所讨论的超规范情况，有一点可以基本明确的是，翼墙底板范围应该在5 m高填土所得到的翼墙规模和10 m高填土所得到的翼墙规模之间，具体取值还要经过进一步分析。图3所示是设计中常用的方法，深黑线是个折衷值，计算出的翼墙规模在 7.5 m填土高程，但因填充部分重心偏下，弯矩值小于 7.5 m。

那么实际工程按这种做法是否合理，是偏安全还是偏危险，下面用破裂面法加以说明(见图7)。

破裂面法是研究挡土墙土压力最基本也是最常规的方法，墙后理想化填土的内摩擦角值为28°，以此绘出挡土墙的破裂面，范围外的土对墙后土压力的影响相对较小。可以看出，破裂面的最高点低于7.5 m，这说明设计中常用的方法在该工程中是偏安全的，墙后最大土压力的实际值应该在填土 5.0 m和7.5 m所形成的土压力之间。

图7 破裂面法示意(单位：cm)

5 结 语

综上，该工程坡式填土挡土墙墙后土压力最大值不在墙根部，而在墙体1/3高度附近，应力大小为墙顶向上1 m填土的计算值。建议实际设计中按折衷法计算土压力，以确保工程安全。

[1] 中华人民共和国水利部. SL379-2007水工挡土墙设计规范 [S].北京：中国水利水电出版社，2007.

[2] 顾慰慈.挡土墙土压力计算手册[M].北京：中国建材工业出版社，2005.

(编辑：朱晓红)

∶TV432

A

2017-07-04

周贺达，男，吉林省水利水电勘测设计研究院，高级工程师.

1006-0081(2017)09-0049-04