刘巍

摘要：变电站在我国的电力系统中占有重要的地位，为了达到防洪和防涝的目的，一般情况站内外存在高差，根据不同地质条件来设置不同类型的挡土墙，本文主要介绍了挡土墙的基本原理和分类，同时通过具体实例验算了重力式挡土墙在三种工况的受力状态。

关键词：变电站;挡土墙;重力式挡土墙

中图分类号：TU313.3 文献标识码：A 文章编号：1008-4428（2019）10-0169-03

一、引言

随着我国经济的大力发展，社会对电力的需求也越来越多，作为电网系统的重要组成部分——变电站，地位也显得尤为突出，为达到防洪和防内涝的要求，变电站站内标高一般会比周边自然场地高。为了减少其占地面积、减少土方需求量，做到挖填方平衡，场内外落差较大时，通常采用在围墙下设置挡土墙的方式。本文将详细介绍常用的重力式挡土墙的原理、分类和设计。

二、挡土墙的定义和分类

挡土墙起到防止土体与填土变形，支撑路基填土或山坡土体，是一种建筑墙体。其构成为：与土体直接接触的墙身一侧称为墙背;墙背的对面，外露的主要墙体称为墙面;墙体顶部和底部的表面分别称为墙顶和墙底;此外，墙底的前端称为墙趾，墙底的后端称为墙踵。见图1。

挡土墙是建筑物墙，可防止土壤和填土变形，支撑路基填料或山坡土壤。它由以下部分组成：墙体直接接触土壤的一侧称为墙背;与墙背相反，大部分墙称为墙面;墙的顶部表面称为墙顶;墙的底部称为墙顶。另外，墙的前端称为墙趾。墙的底部的后端称为墙踵。

挡土墙的分类方法有很多种，根据其结构可以分为：重力式挡土墙、衡重式挡土墙、锚杆式挡土墙、加筋式挡土墙等。不同的条件，如：水文条件、地质条件等，采用的挡土墙种类也各不相同。在变电站的挡土墙设计中，挡土墙通常为重力式挡土墙。

三、重力式挡土墙

（一）重力式挡土墙介绍

重力式挡土墙的工作机理是利用自重克服墙背后方土体传来的土压力并维持其稳定。由于其施工简单、材料方便、适应性强等优点，是目前最常用的一种挡土墙结构形式。重力式挡土墙常采用的材料有砌石、石料和混凝土等，但在砌石、石料缺乏的地区，也可采用混凝土预制块或直接采用混凝土进行砌筑。

重力式挡土墙仍有其缺点，由于它的工作机理，对地基承载力的要求更高，不适应软弱地基。当挡土墙的高度更高时，墙体高度超过4米，则造成材料浪费，成本变高。

（二）重力式挡土墙的分类

我们根据挡土墙的墙背倾角不同，重力式挡土墙分为仰斜、竖直、俯斜三种，如图2所示。根據主动土压力的大小，选择不同的挡土墙形式。优先选用仰斜挡土墙，其次是直立式，最后是俯斜式。

（三）重力式挡土墙的断面设计

重力式挡土墙的尺寸通过墙体形状与高度两个因素来确定。其墙背坡度仰斜式一般为1：0.25.且不应小于1：0.3;俯斜式一般为1：0.25～1：0.4.竖直式一般为1：0.05～1：0.2.具体数值应根据实际情况再确定。墙面为直线。尽可能使重力式挡土墙的墙面与墙背平行。

混凝土预制块或砌石筑成的重力式挡土墙。墙顶宽度应大于0.4m，而采用混凝土或钢筋混凝土材料砌筑成的，墙顶宽度应大于0.2m。根据经验，墙顶宽度一般为挡土墙高度的1/12.墙底宽度一般为挡土墙的1/2～7/10。

重力式挡土墙每隔10～20m设置一道伸缩缝。伸缩缝的宽度一般为20～30mm。

（四）重力式挡土墙的计算

重力式挡土墙的计算分为主动土压力计算。抗滑移稳定性计算。抗倾覆计算和地基承载力计算。

当验算不满足时，应采用相应的构造措施。

（1）在墙底做向内的逆坡，不仅经济还可增加其抗滑移能力。

（2）可以在基底摩擦系数小时夯填一层150mm厚砾砂，以提高抗滑移能力。

（3）将基底做成台阶式，以便提高其抗滑移稳定性。

3.抗倾覆稳定性计算

根据相关公式进行挡土墙抗倾覆的验算，如果不满足，则可采用下列措施。

（1）调整墙背的坡度。通过放缓墙背的坡度来减小土压力。

（2）调整墙面的坡度。墙面坡度的改变并不影响土压力的大小，但可以增加稳定力臂的长度来增强挡土墙的抗倾覆能力。

（3）墙趾处伸出台阶或设置墙踵，以增加稳定力臂的长度或利用土重增加抗倾覆力矩，提高抗滑移能力。

如果地基承载力不满足上式要求，应该采用下列措施。

（1）在墙趾处外伸一部分以增加基底面积。从而减少基地压力。

（2）在基底设置一定厚度的钢筋混凝土板。

四、实际案例分析

（一）设计参数

某变电站站内外高差2m，设置重力式挡土墙，基础埋深1.5m，墙高3.5m，其他参数如图3所示。采用设计参数如图3所示。

（二）一般工况

先计算土压力，经验算，高度取4.110（m）时，计算出来的库仑主动土压力最接近实际。计算以实际墙背为基础：第1破裂角：23.994（度），Ea=61.687（kN），Ex=51.020（kN），Ey=34.672（kN），实际库仑土压力作用高度为勿=1.370（m）。经过计算。发现不存在第二破裂面。墙身截面积=5.576（m²），重量=128.248（kN）。

1.滑动稳定性验算

基础底面摩擦系数=0.500.基底倾斜角度=16.699（度），Wn=122.839（kN），En=47.871（kN），Wt=36.852（kN），Et=38.905（kN），滑移承载力=51.020（kN），抗滑承载力=87.994（kN），经验算，满足：Kc1=1.725>1.300。

2.倾覆稳定性验算

倾覆产生的力矩=38.779（kN-m），用于抗倾覆力矩=164.793（kN-m），倾覆稳定性验算满足：Ko=4.250>1.500

3.地基应力及偏心距验算

作用于地基基底合力产生的偏心距验算安全满足：e：0.410≤0.250x2.297=O，574（m），基底压应力=154.173≤312.000（kPa），压应力=0.000≤338.000（kPa），压应力=74.323≤260.000（kPa）。

4.基础强度验算

地基的基础采用的是自然地基，可不做强度检验计算。

5.墙底截面强度验算

验算墙底的截面以上，墙身处的截面积=4.850（m²），重量=111.550（kN），墙体自身产生的重力的力臂Zw：0.754（m），墙体处Ey产生的力臂ZX=1.622（m），墙体处EX产生的力臂Zy=0.760（m），墙底的计算压应力验算满足：计算值=140.003≤2100.000（kPa）;墙底的计算拉应力验算满足：计算值=7.0744280.000（kPa）;墙底的计算剪应力验算满足：计算值=3.395≤110.000（kPa）。

6.整体稳定性验算

最不利滑动面：实际的圆心位置（0.00000.-0.58333）。计算半径=4.20380（m），整体稳定安全系数=2.036.经验算，墙体的整体稳定性满足：最小安全系数=2.036≥1.250。

（三）地震工况

先计算土压力，经过验算得高度取4.110（m）时，计算出来的库仑主动土压力最接近实际，计算以实际墙背为基础，第1破裂角为25.452（度），Ea=64.453（kN），EX=53.308（kN），EY=36.227（kN），作用点高度Zy=1.370（m），经过计算，发现不存在第二破裂面。墙身截面积=5.576（m²），质量=128.248（kN），墙面整体地震力=3.206（kN），作用点距墙顶高度=2.255（m）。

1.滑动稳定性验算

基底摩擦系数=0.500.基底倾斜角度=16.699（度），IVn=122.839（kN），En=50.939（kN），Wt=36.852（kN），Et=43.721（kN），滑移承载力=56.514（kN），抗滑承载力：88.772（kN），经验算，满足：Kc1=1.571>1.100。

2.倾覆稳定性验算

计算重力式挡土墙相对于墙脚处的发生倾覆以及倒塌稳定性，倾覆产生的力矩=44.509（kN-m）用于抗倾覆力矩=167.315（kN-m），倾覆稳定性验算满足：Ko=3.759>1.200。

3.地基应力及偏心距验算

作用于地基处基础底面的总体竖向力=173.778（kN），作用于墙脚处的总弯矩=122.806（kN-m）;地基基础底面的宽度B=2.297（m），地基基础偏心距e=0.442（m）;地基基础底面的合力作用点距离基础底角处的距离Zn=0.707（m）;地基基底的压应力：趾部=163.937.踵部=0.000（kPa）;作用于地基基底合力產生的偏心距验算安全满足：e=0.442≤0.200x2.297=0.459（m）;墙底角处地基的承载力安全验算满足：压应力=163.937≤390.000（kPa）;墙底角处地基承载力安全验算满足：压应力=0.000≤422.500（kPa）;地基的基底平均承载力安全验算满足：压应力=75.659≤325.000（kPa）。

4.基础强度验算

地基基础采用的是自然基础，可不做强度检验计算。

5.墙底截面强度验算

作用在安全验算截面的总竖向力=147.777（kN），作用在墙脚处下点的总体弯矩=98.224（kN-m），相对于验算截面外边缘。合力作用力臂zn=0.665（m），墙底截面的计算宽度为B=2.200（m），偏心距e1=0.435（m）;墙底截面的计算偏心距验算满足：e1=0.435≤0.400x2.200=0.880（m）;墙底截面上的计算压应力：面坡=146.920（kPa），背坡=-12.578（kPa）;墙底的计算压应力验算满足：计算值=146.920≤3150.000（kPa）;墙底的计算拉应力验算满足：计算值=12.578≤280.000（kPa）;墙底的计算剪应力验算满足：计算值=-1.370≤110.000（kPa）。

6.整体稳定性验算

最不利滑动面实际的圆心位置（O，00000.-0.58333），计算半径=4.20380（m），整体稳定安全系数=1.979.地震作用的下滑承载力：3.453（kN）。经验算，整体稳定性满足：最小安全系数=1.979≥1.250。

（四）不同工况下最不利结果

1.滑移稳定性验算

安全系数最不利情况为：组合A（一般工况），抗滑承载力：87.994（kN），滑移承载力=51.020（kN）;地基土层水平向：经验算，滑移满足：KC2=1.725>1.300。

2.倾覆稳定性验算

安全系数最不利情况为：组合B（地震工况），倾覆力矩=44.509（kN-m），抗倾覆力矩=167.315（KN-m）。经验算，倾覆满足：KO=3.759>1.200。

3.地基验算

作用于基础基底的合力偏心距安全验算最不利情况为：组合B（地震工况），作用于基础基底的合力偏心距安全验算满足：e=0.442≤0.200x2.297=0.459（m）;墙脚处地基承载力安全验算最不利情况为：组合A（一般工况），墙脚处地基承载力安全验算满足：计算压应力=154.173≤312.000（kPa）;地基平均承载力安全验算满足：计算压应力=74.323≤260.000（kPa）。

4.基础验算

地基基础采用的是自然基础，可不做强度检验计算。

5.墙底截面强度验算

截面上偏心距验算最不利情况为：组合A（一般工况），截面上偏心距验算满足：e1=O，406≤O，300x2.200=O，660（m）;墙底截面压应力安全验算最不利情况为：组合A（一般工况），墙底截面压应力安全验算满足：计算值=140.003≤2100.000（kPa）;墙底截面拉应力安全验算最不利情况为：组合B（地震工况），墙底截面拉应力安全验算满足：计算值=12.578≤280.000（kPa）;墙底截面剪应力安全验算最不利情况为：组合B（地震工况），墙底截面剪应力验算满足：计算值=-1.370≤110.000（kPa）。

6.整体稳定性验算

整体稳定性验算最不利情况为：组合B（地震工况），经验算，整体稳定性满足：最小安全系数=1.979≥1.250。

五、总结

重力式挡土墙≥在变电站工程中得到广泛的应用。但需要按照不同的地质情况选择不同设计参数，因此应加强对重力式挡土墙设计参数的理解和应用。根据不同的工程状况选择合理的挡土墙。本文主要介绍了挡土墙的基本原理和分类，同时通过具体实例验算了重力式挡土墙在三种工况的受力状态。