水工擋土墻穩(wěn)定穩(wěn)定性分析

1墻前水位下降在水利工程的一些支撐墻建成和使用期間，水位在增水期之前下降。雖然水位下降時(shí)間不長，但這種情況對支撐墻的穩(wěn)定性不利。《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》2前水位降壓算法設(shè)計(jì)以廣西某水庫溢洪道邊墻、某城區(qū)入海河口河段防洪(潮)堤墻和某山區(qū)河段護(hù)岸堤墻等3個工程為實(shí)例,選衡重式擋墻段和重力式擋墻段為研究對象,研究內(nèi)容及方法是探尋墻前水位降落過程中的不利過程水深,探討提出墻前墻后水位驟降過程的模擬方法并建立墻前與墻后水位降幅的關(guān)系,設(shè)定多種墻前與墻后水位降幅比值及逐漸降減過程水深來模擬不同的水位降落速度及過程,計(jì)算擋墻在不同水位降幅比值情形下的穩(wěn)定安全系數(shù)和墻基邊緣垂直正應(yīng)力值,從中觀察和評價(jià)擋墻穩(wěn)定性和墻基邊緣垂直正應(yīng)力狀態(tài)隨不同過程水深的變化趨勢,分析穩(wěn)定安全系數(shù)最小值或不佳墻基應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的不利過程水深與初始墻前最大水深比值關(guān)系,初步提出墻前墻后水位降幅比和不利過程水深與墻高比的取值原則及建議值。3計(jì)算示例數(shù)據(jù)的示例3.1采用混凝土結(jié)構(gòu)考慮到工程運(yùn)行環(huán)境條件,實(shí)例擋墻均采用混凝土結(jié)構(gòu)。衡重式擋墻基坑下部天然土層臨時(shí)開挖邊坡系數(shù)與下墻背坡系數(shù)絕對值相同。實(shí)例擋墻計(jì)算斷面如圖1所示。3.2衡重式墻段c(1)溢洪道邊墻。衡重式擋墻段衡重臺面之上用含砂礫黏性土填筑,凝聚力c(2)入海河口河段防洪(潮)堤墻。衡重式墻段衡重臺面之上用含砂礫土人工填筑,c(3)山區(qū)河段護(hù)岸重力式擋墻段。墻后用砂礫土回填,c=0,φ=30°,γ=19.5kN/m3.3擋墻計(jì)算工況實(shí)例中的水庫溢洪道邊墻為3級建筑物,防洪(潮)堤墻為4級建筑物,護(hù)岸堤墻為5級建筑物。工程處在南方多雨地區(qū),根據(jù)擋墻功能及運(yùn)行環(huán)境,擋墻類型汛期按浸水擋土墻驗(yàn)算。本研究計(jì)算工況為墻前水位驟降工況。作用在擋墻上的荷載,一般為擋墻及其底板以上填土自重、水重、土壓力、墻前及墻背地下水位靜水壓力、揚(yáng)壓力等荷載,不考慮泥沙壓力、浪壓力、冰壓力和土的凍脹力。4水位下降過程的模擬方法4.1墻后水位下降汛期發(fā)生大洪水時(shí)河道行洪或水庫溢洪道下泄校核(或設(shè)計(jì))洪水流量時(shí),經(jīng)過一定時(shí)間之后,墻前洪水位會達(dá)到最高水位如校核或設(shè)計(jì)洪水位,隨上游(入庫)來水量的減小,洪水流量也隨之變小,墻前洪水位將由最高洪水位位置逐漸下落至常水位或枯水位;若墻身設(shè)置過濾排水孔,墻后地下水位會隨墻前洪水位漲高而上升、墻前洪水位降落時(shí)而下降變化且將由處在某一最高位置開始降落,但墻后水位的降落速度受到墻后土層物理特性和擋墻排水設(shè)施排水效果及墻前水位頂托的影響,因而有的工程墻后水位降落速度比墻前要慢一些。因而墻前洪水位和墻后土層地下水位降落是有關(guān)聯(lián)的變化過程,可以建立墻前墻后水位降幅之間的關(guān)系,這里試用墻前與墻后水位降幅比值來表示水位降落過程中的墻前與墻后水位變化情況,不同的水位降幅比值即表達(dá)不同的墻前與墻后水位變化的差異。設(shè)某一時(shí)間段內(nèi)墻前洪水位降幅值及墻后地下水位降幅值分別記為ΔH不難看出,n4.2按設(shè)計(jì)級別查開假設(shè)墻前最高洪水位在墻頂標(biāo)高減h擋墻的墻頂設(shè)計(jì)標(biāo)高等于墻前校核(或設(shè)計(jì))洪水位加安全加高值,根據(jù)建筑物級別按設(shè)計(jì)規(guī)范查取。如文中溢洪道為3級建筑物,此墻段安全加高值取0.5m,亦即h墻后H這里將水位降落過程中的水深稱為過程水深,某時(shí)刻的墻前過程水深用H相應(yīng)的墻后過程水深用H墻前過程水深H4.3水位下降過程中水深的計(jì)算模擬這里通過給出多組ΔH5穩(wěn)定和墻基電壓分析5.1抗傾穩(wěn)定驗(yàn)算墻基邊緣垂直正應(yīng)力按《規(guī)范》中式(6.3.3)、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按式(6.3.5-1)、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)按式(6.4.1)計(jì)算。用理正巖土軟件計(jì)算。假定在墻背地下水位降幅區(qū)間墻后填土材料的力學(xué)指標(biāo)值不改變。墻前墻后水位降幅及過程水深共設(shè)11組,墻前與墻后水位降幅比值n5.2成果分析5.2.1結(jié)果表明，抗滑穩(wěn)定計(jì)算的結(jié)果由圖3(a)知,溢洪道邊墻衡重式擋墻段除了n5.2.2抗傾斜穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果表明溢洪道邊墻衡重式擋墻段的K其他擋墻段K5.2.3結(jié)果表明，在邊墻的基礎(chǔ)上計(jì)算嵌入矩陣的力的結(jié)果觀察圖5中的σ溢洪道邊墻衡重式擋墻段σ溢洪道邊墻衡重式擋墻段n6關(guān)于問題的討論6.1墻后土層物理特性及排水效果一般說來,墻前水位的降落速度與擋墻所在河段河道形態(tài)和河床或行洪通道縱坡陡緩有關(guān),而墻后地下水位的降落速度與擋土墻排水設(shè)施(如墻身排水孔,墻背排水管或排水盲溝等)和墻后土層物理特性及排水效果有關(guān),還有可能受到墻前水位頂托的影響,工程運(yùn)行多年后如果部分排水孔堵塞或反濾材料孔隙淤塞而造成排水效果不良,會減緩墻后地下水位的降速;另外,有的河流已建成多個水利(或水電站)樞紐梯級,當(dāng)上一梯級攔河壩為溢流閘壩,也存在泄洪后期工作閘門可能在較短時(shí)間內(nèi)逐漸減小開度至關(guān)閉而使下泄流量變小造成下游河道水位較快降落,此時(shí)同一時(shí)段內(nèi)墻前水位降幅會比墻后地下水位的降幅要大很多。因此,在選取n6.2墻后水位下降的影響參考本文實(shí)例的研究成果,墻前水位由校核洪水位開始降落及墻后水位由平墻頂開始降落情況下,按穩(wěn)定性條件要求,水工擋土墻各n當(dāng)初定某一墻前不利過程水深之后,對應(yīng)的墻后不利過程水深(可記為H對應(yīng)的墻后水位降幅為ΔH當(dāng)然,由于ΔH6.3不穩(wěn)定能量分析墻后初始最大水深(或墻后初始最高水位)一般應(yīng)視具體工程的實(shí)際情況擬定,墻后初始最大水深不一定與擋墻同高,墻后初始最高水位平墻頂只是考慮校核洪水和汛期可能強(qiáng)降雨最不利的情況。如前所述,汛期墻后地下水位的降速或高低,除了和當(dāng)?shù)亟涤炅看笮〖捌涑掷m(xù)時(shí)間長短以及擋墻排水系統(tǒng)完善與否或排水效果相關(guān)外,還與擋墻背后地形地貌和水文地質(zhì)條件以及回填土物理特性等相關(guān)聯(lián),因此汛期墻后初始最大水深應(yīng)通過勘察調(diào)查地下水的補(bǔ)給來源、滲流量大小及水位變幅范圍,對擋墻排水系統(tǒng)的布設(shè)情況及排水效果進(jìn)行分析評價(jià)后擬定。7墻前墻后水位下降影響分析本文研究探討了墻前水位降落過程擋土墻穩(wěn)定性設(shè)計(jì)特殊工況有關(guān)不利的墻前及墻后水深取值問題。根據(jù)如上研究成果有如下認(rèn)識:(1)水工擋土墻在墻前水位降落過程中,對擋土墻抗滑穩(wěn)定性或墻基應(yīng)力條件最不利的水深不一定是墻前初始最大水深與墻后初始最大水深的組合,而可能是某一墻前不利過程水深與同一時(shí)刻對應(yīng)的墻后不利過程水深的組合。(2)墻前不利過程水深隨水位降幅比值的提高而變小,墻后不利過程水深則隨水位降幅比值的提高而增大。墻前水位的降速與河道形態(tài)及水文特性有關(guān),而墻后水位的降速受到墻后土層特性和擋墻排水孔排水效果及墻前水位頂托的影響,應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況,通過調(diào)查實(shí)測和科學(xué)分析合理選取墻前墻后水位降幅比值。(3)擋土墻穩(wěn)定安全系數(shù)最小值對應(yīng)的不利過程水深不一定與墻基應(yīng)力最大(小)值對應(yīng)的不利過程水深位置相同或范圍一致,也