基于土壓力系數(shù)計(jì)算的水閘加筋擋墻的穩(wěn)定性分析

馬 猛

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

0 前 言

水閘在工程設(shè)計(jì)時(shí)需要對加筋擋墻的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。常用的方法主要采用物理模型試驗(yàn)以及原位觀測試驗(yàn)進(jìn)行分析，從而水閘加筋擋墻的穩(wěn)定性分析[1]。早期對于水閘加筋擋墻穩(wěn)定性分析由于缺少定量分析方法，大都采用原位觀測試驗(yàn)進(jìn)行分析[2-6]，這種方式適合于小型閘壩的工程建設(shè),而對于大中型閘壩建設(shè)由于試驗(yàn)成本較大，適用性不高。后期在國內(nèi)一些大中型閘壩工程建設(shè)中，通過設(shè)計(jì)區(qū)域水流、土質(zhì)分析，采用土壓力系數(shù)進(jìn)行閘壩穩(wěn)定性的分析[7-15]，但該方法對于水閘加筋擋墻穩(wěn)定性的研究還較少，眾所周知，加筋擋墻是保持大中型閘壩穩(wěn)定的關(guān)鍵所在，因此亟需對其加筋擋墻的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從而保障閘壩工程的權(quán)。為此文章結(jié)合土壓力系數(shù)，以某中型閘壩為工程實(shí)例，對其加筋擋墻的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從而為其他大中型閘壩工程加筋擋墻的穩(wěn)定設(shè)計(jì)方案提供重要參考價(jià)值。

1 土壓力系數(shù)計(jì)算原理

土壓力系數(shù)主要分析閘壩加筋擋墻受孔隙水的影響程度，計(jì)算公式為：

(1)

式中：Ka為土壓力系數(shù)計(jì)算值；θ和φ分別為為加筋擋墻水平方向以及內(nèi)摩擦角，°。當(dāng)加筋擋墻縱向深度<6m，其土壓力系數(shù)計(jì)算公式為：

(2)

式中：Ki為不同深度下的土壓力系數(shù)計(jì)算值；Kj’為在靜水壓力作用下的土壓力系數(shù)；Zi為不同加筋之間的水平距離，m，當(dāng)加筋擋墻縱向深度>6m，其土壓力系數(shù)計(jì)算公式為：

(3)

加筋擋墻在縱向和橫向深度的壓力計(jì)算公式分別為：

σzi=KiγZi

(4)

(5)

式中：q為靜載壓力負(fù)荷，kPa；Lc為擋墻靜載受力面壓力負(fù)荷寬度，m；Lci為縱向深度下的荷載擴(kuò)散壓力，kPa。在縱向和橫向壓力負(fù)荷計(jì)算的基礎(chǔ)上，對其壓力總負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算：

∑σEi=σzi+σai

(6)

式中：σEi為擋墻總負(fù)荷，kPa。在縱向距離不同方向下的拉力計(jì)算公式為：

Ti=∑σEi·Sy

(7)

式中：Ti為水平總的壓力負(fù)荷，kPa。則其縱向深度的抗拔壓力的計(jì)算公式為：

(8)

式中：Tpi為縱向抗拔壓力荷載，kPa；f’為摩擦系數(shù)；bi為加筋擋墻計(jì)算單元寬度，m；Lai為加固深度，m。對加筋擋墻穩(wěn)定性進(jìn)行孔隙水下抗壓強(qiáng)度的驗(yàn)證：

Tpi>γ0γR1γQ1Ti

(9)

式中：γ0為壓力系數(shù)；γR1為調(diào)節(jié)系數(shù)；γQ1為強(qiáng)度折減系數(shù)。

2 實(shí)例應(yīng)用

結(jié)合遼寧地區(qū)某中型閘壩建設(shè)為具有工程實(shí)例，分別采用充水試驗(yàn)方式對其穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，孔隙水井水強(qiáng)度試驗(yàn)主要通過充水破壞試驗(yàn)進(jìn)行分析和測定，透水度主要通過透水試驗(yàn)方式進(jìn)行分析。

2.1 不同縱向深度下的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

對水閘加筋擋墻不同錨固深度下的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，閘壩加筋擋墻不同錨固深度下的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值，見表1。

表1 閘壩加筋擋墻不同錨固深度下的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值

從水閘加筋擋墻不同錨固深度下的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果可看出，其穩(wěn)定系數(shù)隨著錨固深度的增加而總體在0.369-0.531之間變化，變化總體穩(wěn)定性較高。當(dāng)錨固深度<1.4m后，其加筋擋墻穩(wěn)定系數(shù)受靜水壓力影響有所增加。靜水壓力對加筋擋墻的影響也逐步降低，從而水閘穩(wěn)定性得到一定程度的提升。當(dāng)錨固深度>1.4m后，穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到最高值。

2.2 加筋擋墻穩(wěn)定性破壞試驗(yàn)

為分析靜水壓力對加筋擋墻穩(wěn)定性的破壞程度，采用放水試驗(yàn)進(jìn)行穩(wěn)定性的破壞試驗(yàn)，不同放水方式下的加筋擋墻穩(wěn)定性破壞試驗(yàn)結(jié)果，見表2。

表2 不同放水方式下的加筋擋墻穩(wěn)定性破壞試驗(yàn)結(jié)果

從不同放水方式下的加筋擋墻穩(wěn)定性破壞試驗(yàn)結(jié)果可看出，在相同條件下下不同靜水壓力方式對水閘加筋擋墻的穩(wěn)定性影響程度不同，全靜水壓力方式下加筋擋墻兩個(gè)方向壓力峰值變化較大，在半靜水方式下的壓力峰值變化幅度有所降低，而在無靜水方式下的壓力峰值影響程度達(dá)到最低。

2.3 加筋擋墻不同壓力水頭下的透水度分析

對水閘加筋擋墻不同靜水壓力水頭下的透水度進(jìn)行分析，不同壓力水頭下的加筋擋墻透水度試驗(yàn)結(jié)果，見表3。

表3 不同壓力水頭下的加筋擋墻透水度試驗(yàn)結(jié)果

從不同壓力水頭下的加筋擋墻透水度試驗(yàn)結(jié)果可看出，各水頭下水閘加筋擋墻的透水度變化較為明顯，隨著壓力水頭的增加其透水度遞增，且縱向和橫向兩個(gè)方向的井水壓力呈現(xiàn)顯著遞增變化，這主要是因?yàn)椴煌瑝毫λ^下加筋擋墻的透水度有所增加，使得在相同壓力水頭下隨著鋼筋直徑的增加透水度增加。

2.4 不同靜水壓力方式下加筋擋墻壓力峰值變化

在兩種靜水壓力方式下的加筋擋墻的壓力峰值進(jìn)行分析，非靜水壓力下加筋擋墻的壓力峰值分析，見表4；靜水壓力下加筋擋墻的壓力峰值分析，見表5。

表4 非靜水壓力下加筋擋墻的壓力峰值分析

表5 靜水壓力下加筋擋墻的壓力峰值分析

從不同靜水壓力方式下的水閘加筋擋墻的壓力峰值分析結(jié)果可看出，隨著靜水壓力的變化，水閘加筋擋墻的壓力峰值變化總體呈現(xiàn)先遞增后趨于穩(wěn)定變化，靜水壓力相比于非靜水壓力其壓力峰值變化度更高。

3 結(jié) 論

1)當(dāng)水閘加筋擋墻錨固深度<1.4m后，其加筋擋墻穩(wěn)定系數(shù)受靜水壓力影響有所增加。靜水壓力對加筋擋墻的影響也逐步降低，從而水閘穩(wěn)定性得到一定程度的提升。當(dāng)錨固深度>1.4m后，穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到最高值。

2)在相同條件下下不同靜水壓力方式對水閘加筋擋墻的穩(wěn)定性影響程度不同，全靜水壓力方式下加筋擋墻兩個(gè)方向壓力峰值變化較大，在半靜水方式下的壓力峰值變化幅度有所降低。

3)各水頭下水閘加筋擋墻的透水度變化較為明顯，隨著壓力水頭的增加其透水度遞增，且縱向和橫向兩個(gè)方向的井水壓力呈現(xiàn)顯著遞增變化。