摘要 两级挡土墙结构在金沙江库区码头工程应用较多，文章结合两级挡土墙结构受力的特点，分析了二级挡土墙对一级挡土墙的荷载作用，特别是水平荷载作用所占的比重，并将精确计算结果与简化计算结果进行比较，提出了计算建议;同时结合现场施工特点，对两级挡土墙的建设和管理提出了建议措施，可供类似设计借鉴参考。

关键词 库区码头;两级挡土墙;平台宽度;简化计算

中图分类号 TV223文献标识码 A文章编号 2096-8949（2022）11-0082-03

引言

金沙江水库由于地势险峻、陆地面积有限，一般采取分层式施工，采用二级或多级式围护，两层挡土层的土压力必须由二级挡土工程按第一层的加载形式进行，然后再按标准的方法进行。该文从二级挡土体对第一挡土墙的影响入手，对其在各种不同载荷中尤其是横向载荷所占的比例进行了分析。将其与简支护结构的计算进行对比，提出合理的设计意见，并针对两层围护结构的施工与治理问题，给出相应的对策。

1 两级挡土墙结构形式

如图1所示，两级挡土墙结构由下部的一级挡墙（简称下墙）和上部的二级挡墙（简称上墙）组成，上墙为仰斜式非坦墙重力式挡土墙。为了方便分析上墙结构作用在下墙上的土压力，减少下墙土压力的影响因子个数，下墙采用直立墙面，不考虑墙面与回填料间的外摩擦角，不考虑地下水的影响。

2 上墙传递荷载分析

根据《码头结构设计规范》（JTS 167—2018），计算图示如图2。

主动土压力系数：

（1）

水平主动土压力系数：

（2）

竖向主动土压力系数：

（3）

土压力强度：

（4）

（5）

式中，α——墙背与铅垂线的夹角，仰斜为正，俯斜为负;φ——填料内摩擦角标准值;δ——填料与墙背的摩擦角标准值，即外摩擦角;β——地面与水平面的夹角。

根据库仑土压力原理分析，上墙结构在下墙顶面产生的应力可分为四个部分，如图3所示。

将上墙看成一个刚体，它与墙后破裂棱体以及破裂面后的土体相互作用，并均处于受力平衡状态。破裂棱体对上墙作用的土压力可分解为水平分力和竖向分力，对非坦墙挡土墙，土压力竖向分力小于土棱体（BEF）的自重，根据受力平衡，破裂棱体作用在BD面上的土压力竖向分力大于土棱体（BED）的自重。所以假设破裂棱体作用在破裂面后土体的竖向分力集中在破裂棱体投影范围（BC）内，则BC段土压力大于γH。破裂棱体投影范围之外的土压力取上部土重γH，将土压力荷载简化为均布荷载考虑。上墙底部产生的荷载分两部分，竖向非均布荷载（σmax，σmin）和水平向均布荷载τ。由于上墻为刚体，故竖向荷载可简化为梯形或三角形荷载[1]。上墙底部水平荷载的反力由下墙墙后土体提供，由于方向朝后，对下墙不产生主动土压力。

上墙结构作用在下墙顶面的荷载包括以下四部分，上墙墙底竖向荷载（荷载一）、上墙墙底水平荷载（荷载二）、破裂棱体投影范围内土压力（荷载三）和破裂棱体投影范围外土压力（荷载四）。

3 两级挡土墙结构计算

3.1 简化计算方法

3.1.1 简化模型

常规简化方法根据平台宽度D的不同，可分以下三种情况[2]：

（1）D≤（H1+H2）/20。由于台宽较小，上墙对下墙的作用明显，此时可将两级挡土结构简化为一整体结构，下墙墙后填料破裂面可直接延伸至上墙墙顶。上墙荷载在下墙顶面完全传递给下墙，下墙土压力可按上下墙一体的单级挡土墙计算。

（2）（H1+H2）/20

（3）D>H2tan（45°?φ/2）。此时，二级挡土结构处于下墙墙后填料破裂面之外，二级挡土结构的作用对下墙影响较小。故下墙计算时，可以忽略上墙的作用，单独进行挡土墙设计。

3.1.2 计算结果

在以上三种情况中，情况（1）计算方法明显偏于保守，按该方法计算两级挡土墙安全可靠。在情况（3）中，上下墙土压力可单独计算。故只需针对情况（2）对两级挡土墙进行计算。

针对情况（2）D∈（0.85 m，4.97 m）如图4所示，对两级挡土墙计算模型赋予固定的数值。上墙采用5 m高重力式挡土墙（非坦墙）。下墙墙高12 m。回填料为块石，重度γ=17 kN/m3，黏聚力c=0，内摩擦角φ=45°，回填料与上墙的外摩擦角取0.5φ，回填料与下墙外摩擦角取0，挡土墙重度取23 kN/m3。取台宽D=0.9 m、D=1.9 m、D=2.9 m三种台宽工况分别进行计算。

3.2 精确计算方法

3.2.1 荷载对下墙的作用

（1）均布荷载对单级挡土墙的作用，可参照《码头结构设计规范》（JTS 167—2018）附录N计算。

（2）竖向非均布荷载对单级挡土墙的作用。按照库仑土压力原理，竖向非均布荷载合力、主动土压力反力、破裂面处反力，三个荷载受力平衡。三个荷载合力作用点位置如图5所示，将非均布荷载简化为均布荷载，同时保证二者合力大小相同，合力作用点位置不变，则二者对挡土墙产生的主动土压力大小以及主动土压力合力作用点位置也相同。

（3）上墙墙底水平荷载对下墙的作用。根据《水运工程地基设计规范》（JTS 147—2017）附录L，水平均布荷载对下墙的作用可参照水平均布荷载附加应力的计算方法[3]，水平均布荷载附加应力图如图6，并通过积分求得水平力和倾覆力矩[4-5]。393DC7A6-73D0-4407-B136-863B4F457AFF

附加应力系数：

（6）

附加应力：

（7）

水平均布荷载对下墙产生的水平力：

（8）

水平均布荷载对下墙产生的倾覆力矩：

（9）

式中，τ——水平均布荷载;Z——深度;m——系数，m=x/B;n——系数，n=Z/B;σz——水平附加应力;z0——下墻深度。

3.2.2 计算结果

采用与简化方法相同的计算模型和工况，按实际受力情况计算上墙传递的四部分荷载以及上墙传递荷载和下墙墙后填料对下墙产生的水平力和倾覆力矩。比较计算结果可知，对下墙滑移稳定，下墙墙后填料的影响约占60%～70%，上墙荷载的影响占30%～40%左右。台宽越大，下墙墙后填料土压力的影响也越大。上墙荷载对滑移稳定的作用影响最大的是上墙传递下来的竖向荷载（荷载一），所占比值超过其他三个荷载作用的总和。上墙墙后填料传递下来的土压力（荷载三+荷载四）和上墙传递的水平荷载（荷载二）对滑移稳定的影响相对较小，且台宽越大，二者对滑移稳定的影响也越小。

对下墙倾覆稳定，下墙墙后填料的影响约占50%～70%，上墙荷载的影响占30%～50%左右。台宽越大，下墙墙后填料的影响也越大。上墙荷载对倾覆稳定的作用，影响最大的是上墙传递下来的竖向荷载（荷载一），所占比值超过其他三个荷载作用的总和。上墙墙后填料传递下来的土压力（荷载三+荷载四）和上墙传递的水平荷载（荷载二）对倾覆稳定的影响相对较小，且台宽越大，二者对倾覆稳定的影响也越小。

另外，下墙的整体稳定（滑移稳定和倾覆稳定）亦受上下墙墙高比H1/H2的影响，上下墙墙高比的比值越小，下墙墙后填料的影响就越大，上墙结构对下墙的影响就越小。

3.3 简化计算方法与精确计算方法比较

按精确计算方法计算下墙所受荷载与按简化计算方法计算下墙所受荷载进行比较，如表1所示。

表1的计算结果中，上墙是仰斜式非坦墙重力式挡土墙。简化方法计算的水平力大小与精确方法计算结果相差不大，整体上简化方法计算结果略有偏小，局部工况有略微偏大现象。

4 结语与建议

（1）两级挡土墙下墙土压力计算中，对下墙整体稳定影响较大的是下墙墙后填料的作用以及上墙墙底传递的竖向荷载。

（2）适当增加台宽，可以有效减小两级挡土墙中下墙的土压力。

（3）对两级挡土墙下墙土压力计算宜按精确方法计算，考虑上墙传递水平荷载的作用，并以上墙后趾为界，将竖向荷载简化为两个均布荷载。

（4）挡土墙的建设和管理中采取切实可行措施，可提高使用安全及耐久性。

参考文献

[1]张军. 浅谈水利工程中挡土墙的设计应用[J]. 四川水泥， 2019（4）： 108.

[2]黄观幸. 水利工程中挡土墙的设计应用[J]. 河南水利与南水北调， 2017（12）： 80-82.

[3]田进. 论水利工程挡土墙的设计与施工[J]. 江西建材， 2015（21）： 133+135.

[4]孙敬雅. 水利工程中挡土墙的设计应用[J]. 中外企业家， 2014（27）： 244.

[5]马彦君. 试探水利工程挡土墙的设计[J]. 农业科技与信息， 2009（6）： 48.

收稿日期：2022-04-16

作者简介：段家红（1976—），男，专科，工程师，从事水运工程港口与航道专业建设和管理工作。393DC7A6-73D0-4407-B136-863B4F457AFF