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【摘 要】建筑物和构筑物结构设计中，挡土墙的构造和结构设计较为简单，因此在大型建设项目中，其设计优化经常很容易被忽略。设计一个挡土墙很简单，但是要设计出既能满足建设要求而又合理经济的水工挡土墙，不仅断面需选择合适的工况、几何学、物理学参数，计算出较切合实际的土压力，还要考虑在浸水条件下，要确定特征水位、考虑浸水对墙后土压力的影响。
【关键词】水工挡土墙设计；重力式；衡重式；格宾网
一、垫层法设计
1.1土垫层法概念
垫层法是挖除建筑物底板下的浅层软弱土或不良土，换填较好的土料或其他材料，换填的土料或其他材料通过一定的密实措施，以满足建筑物对地基的要求。垫层法的原理和作用就是以砂（或砂石）、碎石（或砂卵石、块石）、素土（或灰土、二灰）等强度较高的材料，置换地基表层松土、软土和承载力达不到设计要求的土层，来提高持力层的承载力，并减少持力层的沉降量。采用换土垫层法处理水工挡土墙，设计时常用的垫层材料主要是素土和砂。
设计时认为垫层法就是把建筑物底板下的表层软弱土或不良土全部挖掉，这是一种片面的理解，并不是每种情况下都要全部挖掉，只有在软弱土层或不良土层厚度小于3. 0m时才考虑是，通常应比按应力扩散角法计算的宽度（或长度’）要大一些，考虑到水工挡土墙运行时的复杂情况以及襟边要求，垫层底面的采用宽度（或长度）宜比计算宽度（或长度）大2m ～3m（按工程的重要性确定是否取大值）。
1.2垫层法设计应注意的问题
1.2.1计算垫层的厚度和宽度
对于垫层厚度和宽度的确定，既要求有足够的厚度来置换可能被剪切破坏的软弱土层或不良土层，又要求有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出。
一般情况下，换土垫层厚度不宜大于3m（否则宜采用其他地基处理方法，也可经方案比较确定）。垫层底面的宽度（或长度），通常应比按应力扩散角法计算的宽度（或长度）要大一些。
1.2.2确定垫层的密实度要求
为了保证换土垫层达到设计要求的密实度，施工时可根据土料的成分选用不同的密实方法。对于素土垫层，遁常可采用碾压法施工；对于砂垫层，可采用水撼法施工。施工中应通过试验确定垫层材料的控制含水量，进行分层压实或振密；分层厚度应控制在20cm一30cm，不宜超过30cm；并应在下层垫层的密实度检验合格后，方可进行上层垫层施工。在通常情况下，施工后只需根据土质类别检测其压实度或相对密度，即可判别其地基强度是否满足要求。对于垫层材料的密实度检验，素土垫层可检验其压实度，砂垫层可检验其相对密度。
1..2.3核算垫层及垫层下地基的渗流稳定性
采用换土垫层法处理时，不但要满足地基的强度条件，还要验算基础的渗流稳定。比如，采用砂（或砂石）垫层、碎石（或砂卵石、块石）垫层的挡土墙，由于这类垫层材料的渗透性强，其底板下应优先采用垂直防渗体以保证渗流安全。
1.2.4验算垫层及垫层下地基的滑动稳定性
采用换土垫层进行地基处理的挡土墙，要求验算基础可能产生深层滑动时的最小抗滑安全系数，可采用瑞典圆弧法或简化毕肖普法计算，计算结果应满足规范要求。
1.2.5复核地基沉降量
采用换土垫层进行地基处理的挡土墙，还要求核算基础的沉降量，计算的最终沉降量应小于规范规定的允许值。
二、水工挡土墙的构造设计要点
2.1墙身构造
采用重力式挡土墙结构的墙背坡度一般采用1：0.25仰斜，且不宜缓于1：0.3；衡重式挡墙下墙墙背坡度多采用1：0.25～1：0.3仰斜，上墙墙背采用1：0.25～1：0.45。仰斜式挡墙的墙面一般与墙背坡度一致或缓于墙背坡度。水工挡土墙的墙面设计一般为直线形，其坡度应与墙背面相互协调，采用平行于墙背或略缓于墙背的坡度设计。在确定挡土墙的断面构造指标时，应当与施工位置的地面坡度一起综合考虑，最终确定仰斜式挡土墙的墙背和墙面坡度。水工挡土墙在浸水条件下，一般会采用浆砌石或混凝土挡土墙的设计模式，墙顶宽度一般≥0.5m。为了避免由于地基的不均匀沉降而引起的挡土墙墙身开裂，在进行挡土墙结构设计时，应当根据当地的地基地质条件变化以及墙高、墙身断面的变化设置相应的沉陷缝。为防止砌体因收缩硬化和温度变化而且产生裂缝，还应设置伸缩缝。在结构设计中一般将沉陷缝和伸缩缝合并设置，沿挡土墙轴线方向每隔15m～25m设置一道，最长不超过30m。伸缩缝可采用沥青麻丝或沥青木板做填缝，有时候也可以不设置填缝而采用砂浆直接填塞的方式。
2.2水工挡土墙的排水措施
水工挡土墙排水设施作用在于快速疏干墙后土体的水分，防止地表水下渗后或墙前水位快速下降后墙后土体积水。挡土墙的排水设施一般由地面排水和墙身排水两部分组成
①地面的排水结构设计一般有设置地面排水沟、截引地表水、夯实回填土顶面和地表松土、防止雨水和地面水下渗等措施，必要时可设铺砌层。
②墙身排水则是为了排除墙后积水，通常在墙身的适当高度处布置一排或数排泄水孔，墙后设透水性材料。泄水孔的尺寸可视泄水量的大小分别采用5cm×10cm、1Ocm×10cm、15cm×20cm的方孔或直径5cm～10cm的圆孔。孔眼间距一般为2m～3m，浸水部分的水工挡土墙为1m～1.5m，在不同水平层的排水孔眼应相互交错设置，孔眼呈梅花形布置。墙后泄水孔的进口部分应设置粗粒料反滤层，以防止孔道淤塞。对于衡重式挡土墙则可以采用下墙后设排水层，上墙后设砂砾填料并夯实到设计要求压实度的方式进行设计。
三、水工挡土墙结构设计优化要注意的问题
3.1由于水工挡土墙所处的工况环境较为复杂，由于水位经常变化，浸水部分的水工挡土墙计算工况较多。对于溢洪道进口水工挡土墙，其特征水位包括枯水位、正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位，对泄槽段、消力池的水工挡土墙，特征水位与进口水工挡土墙相同，只是正常蓄水位情况下，墙外水深一般为零。相应地，可以分出6种计算工况。对于洪水骤降，因大坝出现险情时才会有此种工况，因此，对一般的水工挡土墙则无需考虑这种工况，而对于重要设施保护部分的水工挡土墙，则需要根据实际情况来确定结构设计方案。
3.2采用土压力计算浸水挡土墙的土压力应考虑水对填土的影响。即水工挡土墙及背后的填土浸水后，一方面浮力使土压力减小，另一方面抗剪强度降低。一般浸水挡土墙，尤其是溢洪道水工挡土墙，一般不使用粘土回填，而采用砂砾料按一定压实度回填。此时，可认为墙后填土φ值不变，影响不大。如果墙后为原土层而且是粘土时，土压力计算将变得更加复杂，要使用等效内摩擦角法和力多边形法来确认。根据大量的工程实践和计算研究表明，使用等效内摩擦角法来计算高墙或低墙土压力并不适用，而且墙背倾斜度对库伦公式计算值影响很大。在其他条件相同时，土压力仰斜墙背较俯斜墙背小，后仰愈大，压力愈小。但是如果后仰过大将使计算出土压力误差偏大，从而使设计出的挡土墙稳定性不足，后仰过大还将使墙身重心后移，使基底负偏心过大和墙踵压应力过大，造成施工困难，因此，在规范中规定下墙墙背一般不缓于1：0.3的指标。
参考文献：
[1]郑宽新.浅析挡土墙设计要点[J].中国水运，2010年第04期
[2]王海旭.浅谈水工挡土墙设计应注意的问题[J].企业导报，2011年第9期
【关键词】水工挡土墙设计；重力式；衡重式；格宾网
一、垫层法设计
1.1土垫层法概念
垫层法是挖除建筑物底板下的浅层软弱土或不良土，换填较好的土料或其他材料，换填的土料或其他材料通过一定的密实措施，以满足建筑物对地基的要求。垫层法的原理和作用就是以砂（或砂石）、碎石（或砂卵石、块石）、素土（或灰土、二灰）等强度较高的材料，置换地基表层松土、软土和承载力达不到设计要求的土层，来提高持力层的承载力，并减少持力层的沉降量。采用换土垫层法处理水工挡土墙，设计时常用的垫层材料主要是素土和砂。
设计时认为垫层法就是把建筑物底板下的表层软弱土或不良土全部挖掉，这是一种片面的理解，并不是每种情况下都要全部挖掉，只有在软弱土层或不良土层厚度小于3. 0m时才考虑是，通常应比按应力扩散角法计算的宽度（或长度’）要大一些，考虑到水工挡土墙运行时的复杂情况以及襟边要求，垫层底面的采用宽度（或长度）宜比计算宽度（或长度）大2m ～3m（按工程的重要性确定是否取大值）。
1.2垫层法设计应注意的问题
1.2.1计算垫层的厚度和宽度
对于垫层厚度和宽度的确定，既要求有足够的厚度来置换可能被剪切破坏的软弱土层或不良土层，又要求有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出。
一般情况下，换土垫层厚度不宜大于3m（否则宜采用其他地基处理方法，也可经方案比较确定）。垫层底面的宽度（或长度），通常应比按应力扩散角法计算的宽度（或长度）要大一些。
1.2.2确定垫层的密实度要求
为了保证换土垫层达到设计要求的密实度，施工时可根据土料的成分选用不同的密实方法。对于素土垫层，遁常可采用碾压法施工；对于砂垫层，可采用水撼法施工。施工中应通过试验确定垫层材料的控制含水量，进行分层压实或振密；分层厚度应控制在20cm一30cm，不宜超过30cm；并应在下层垫层的密实度检验合格后，方可进行上层垫层施工。在通常情况下，施工后只需根据土质类别检测其压实度或相对密度，即可判别其地基强度是否满足要求。对于垫层材料的密实度检验，素土垫层可检验其压实度，砂垫层可检验其相对密度。
1..2.3核算垫层及垫层下地基的渗流稳定性
采用换土垫层法处理时，不但要满足地基的强度条件，还要验算基础的渗流稳定。比如，采用砂（或砂石）垫层、碎石（或砂卵石、块石）垫层的挡土墙，由于这类垫层材料的渗透性强，其底板下应优先采用垂直防渗体以保证渗流安全。
1.2.4验算垫层及垫层下地基的滑动稳定性
采用换土垫层进行地基处理的挡土墙，要求验算基础可能产生深层滑动时的最小抗滑安全系数，可采用瑞典圆弧法或简化毕肖普法计算，计算结果应满足规范要求。
1.2.5复核地基沉降量
采用换土垫层进行地基处理的挡土墙，还要求核算基础的沉降量，计算的最终沉降量应小于规范规定的允许值。
二、水工挡土墙的构造设计要点
2.1墙身构造
采用重力式挡土墙结构的墙背坡度一般采用1：0.25仰斜，且不宜缓于1：0.3；衡重式挡墙下墙墙背坡度多采用1：0.25～1：0.3仰斜，上墙墙背采用1：0.25～1：0.45。仰斜式挡墙的墙面一般与墙背坡度一致或缓于墙背坡度。水工挡土墙的墙面设计一般为直线形，其坡度应与墙背面相互协调，采用平行于墙背或略缓于墙背的坡度设计。在确定挡土墙的断面构造指标时，应当与施工位置的地面坡度一起综合考虑，最终确定仰斜式挡土墙的墙背和墙面坡度。水工挡土墙在浸水条件下，一般会采用浆砌石或混凝土挡土墙的设计模式，墙顶宽度一般≥0.5m。为了避免由于地基的不均匀沉降而引起的挡土墙墙身开裂，在进行挡土墙结构设计时，应当根据当地的地基地质条件变化以及墙高、墙身断面的变化设置相应的沉陷缝。为防止砌体因收缩硬化和温度变化而且产生裂缝，还应设置伸缩缝。在结构设计中一般将沉陷缝和伸缩缝合并设置，沿挡土墙轴线方向每隔15m～25m设置一道，最长不超过30m。伸缩缝可采用沥青麻丝或沥青木板做填缝，有时候也可以不设置填缝而采用砂浆直接填塞的方式。
2.2水工挡土墙的排水措施
水工挡土墙排水设施作用在于快速疏干墙后土体的水分，防止地表水下渗后或墙前水位快速下降后墙后土体积水。挡土墙的排水设施一般由地面排水和墙身排水两部分组成
①地面的排水结构设计一般有设置地面排水沟、截引地表水、夯实回填土顶面和地表松土、防止雨水和地面水下渗等措施，必要时可设铺砌层。
②墙身排水则是为了排除墙后积水，通常在墙身的适当高度处布置一排或数排泄水孔，墙后设透水性材料。泄水孔的尺寸可视泄水量的大小分别采用5cm×10cm、1Ocm×10cm、15cm×20cm的方孔或直径5cm～10cm的圆孔。孔眼间距一般为2m～3m，浸水部分的水工挡土墙为1m～1.5m，在不同水平层的排水孔眼应相互交错设置，孔眼呈梅花形布置。墙后泄水孔的进口部分应设置粗粒料反滤层，以防止孔道淤塞。对于衡重式挡土墙则可以采用下墙后设排水层，上墙后设砂砾填料并夯实到设计要求压实度的方式进行设计。
三、水工挡土墙结构设计优化要注意的问题
3.1由于水工挡土墙所处的工况环境较为复杂，由于水位经常变化，浸水部分的水工挡土墙计算工况较多。对于溢洪道进口水工挡土墙，其特征水位包括枯水位、正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位，对泄槽段、消力池的水工挡土墙，特征水位与进口水工挡土墙相同，只是正常蓄水位情况下，墙外水深一般为零。相应地，可以分出6种计算工况。对于洪水骤降，因大坝出现险情时才会有此种工况，因此，对一般的水工挡土墙则无需考虑这种工况，而对于重要设施保护部分的水工挡土墙，则需要根据实际情况来确定结构设计方案。
3.2采用土压力计算浸水挡土墙的土压力应考虑水对填土的影响。即水工挡土墙及背后的填土浸水后，一方面浮力使土压力减小，另一方面抗剪强度降低。一般浸水挡土墙，尤其是溢洪道水工挡土墙，一般不使用粘土回填，而采用砂砾料按一定压实度回填。此时，可认为墙后填土φ值不变，影响不大。如果墙后为原土层而且是粘土时，土压力计算将变得更加复杂，要使用等效内摩擦角法和力多边形法来确认。根据大量的工程实践和计算研究表明，使用等效内摩擦角法来计算高墙或低墙土压力并不适用，而且墙背倾斜度对库伦公式计算值影响很大。在其他条件相同时，土压力仰斜墙背较俯斜墙背小，后仰愈大，压力愈小。但是如果后仰过大将使计算出土压力误差偏大，从而使设计出的挡土墙稳定性不足，后仰过大还将使墙身重心后移，使基底负偏心过大和墙踵压应力过大，造成施工困难，因此，在规范中规定下墙墙背一般不缓于1：0.3的指标。
参考文献：
[1]郑宽新.浅析挡土墙设计要点[J].中国水运，2010年第04期
[2]王海旭.浅谈水工挡土墙设计应注意的问题[J].企业导报，2011年第9期