复杂覆盖层地基上扭面渐变式挡土墙稳定性分析

熊 瑜，张正香

（1.重庆市巴南区水利局，重庆 巴南 401320；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

随着大渡河干流、金沙江、尼罗河、密西西比河等水能资源的进一步开发，以复杂覆盖层地基为代表的地质问题日益凸显。复杂覆盖层地基分布无规律，结构松散，易产生下沉拉裂等事故，影响工程安全。印度河西水东调的某关键工程［1］其覆盖层高达230 m，运行初期铺盖出现大量的裂缝、沉陷坑，需返工处理才重新正常运行，加大了工程投资，延误了工期，带来巨大的经济损失。

挡土墙是抵挡土压力、防止土体坍塌的建筑物，是水利工程的重要组成部分，由于扭面渐变式挡土墙过流条件好、工程量小，工程设计常采用扭面渐变式挡土墙，但其也有结构复杂、应力分布不均匀的特点。复杂覆盖层地基上的扭面渐变式挡土墙应用日趋广泛，且其安全稳定问题复杂多变，需予以重视。

目前，除少数学者从扭面挡土墙的施工技术问题进行研究［2］外，对于复杂覆盖层地基上扭面渐变式挡土墙的稳定安全问题研究还较少涉及。

本文以某中型水利工程A挡土墙为算例，开展复杂覆盖层地基上的扭面渐变式挡土墙稳定性分析。首先采用理论公式法研究扭面渐变式挡土墙典型剖面在不同工况下的稳定性，以抗滑稳定安全系数Kc表征［3］；再采用有限元法研究扭面渐变式挡土墙与复杂覆盖层地基整体在不同工况下的稳定性，以应力分布情况进行量化；最后对两种研究方法的计算结果进行对比分析。

1 理论公式法与有限元法原理

1.1 理论公式法

理论公式法是将A挡土墙简化，通过选取典型剖面，根据NB/T 35023—2014《水闸设计规范》，计算土基上沿闸室基础底面的抗滑稳定安全系数，以其是否小于允许安全系数来判别挡土墙的稳定性。土基上沿闸室基础底面的抗滑稳定安全系数计算公式：

式中：Kc为抗滑稳定安全系数；f为基础底面与地基之间的摩擦系数；∑G为作用于基础底面上的全部竖向荷载；∑H为作用于基础底面上的全部水平向荷载。

作用在A挡土墙上的主要荷载有：挡土墙自重，上下游静水压力、水重、扬压力、土重、土压力、淤沙压力、地震荷载。A挡土墙稳定性分析的计算工况和计算荷载如表1所示。

表1 A挡土墙计算工况及计算荷载

表2 闸址区土层物理力学参数

表3 A挡土墙理论公式计算结果

表4 贴坡段结构应力峰值 MPa

由于A挡土墙（扭面渐变式挡土墙）结构复杂，剖面各不相同，体型差异较大，难以确定安全稳定性最小的剖面，通过理论公式法难以确定A挡土墙的最大基底应力。为明确A挡土墙的最大应力，本文采用有限元法对A挡土墙和复杂覆盖层地基进行整体研究分析，论证了A挡土墙的稳定性。

1.2 有限元法

本文基于ABAQUS大型三维有限元软件进行研究分析，建立A挡土墙与复杂覆盖层地基三维模型并进行多个工况下的稳定计算，以其应力峰值是否小于应力控制标准和地基允许承载力来判别稳定性，其中，有限元法计算工况与理论公式法一致。根据DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》，混凝土承载能力极限状态表达式为：

式中：γ0为结构重要性系数，取1.0；ψ为设计状况系数，持久状况、短暂状况、偶然状况，分别取1.0、0.95和0.85；γd为结构系数，按DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》表5.2.1，当结构为钢筋混凝土及预应力混凝土时，取1.2；S为承载能力极限状态的作用效应组合设计值；R为结构构件抗力设计值。

表5 扭面渐变段结构应力峰值 MPa

表6 复杂覆盖层地基应力峰值 MPa

2 算例理论公式计算与有限元计算分析

2.1 算例工程概况

某中型水利工程位于木里河干流，工程大坝为拦河闸坝，闸址区河床覆盖层结构复杂，Ⅱ级阶地覆盖层厚达54～56 m，在现今河床部位覆盖层厚度约为30 m。按其物质组成、结构特征和成因类型，由老至新可分四层，各层在不同部位分布（见表2）。

第①层：冰水堆积（fglQ3）砂土卵（碎）砾石层，主要残留于河床底部，厚2.0～13.0 m不等。

第②层：冲积堆积（alQ14）漂卵石层，主要分布于左岸Ⅱ级阶地冲洪积堆积物之下，厚8.0～13.5 m。

第③层：冲洪积堆积（al+plQ4）含漂（块）碎（卵）砾石土层，闸址区左岸Ⅱ级阶地及河床中连续分布。在阶地部位厚度约35 m，在现今河床部位厚度一般12.5～18.0 m。

第④层：冲积堆积（alQ24）含漂砂卵（碎）砾石层，分布于现代河床表层，厚2.5～6.0 m。

此外，分布于两岸坡脚的崩坡积（col+dlQ4）孤块碎石（土），厚度5.0～20.0 m，结构松散，架空严重。

某中型水利工程采用引水式开发方式，从右至左依次为右岸挡水坝、泄洪闸、冲沙闸和左岸取水口兼挡水坝，取水口侧向布置于河床左岸，紧邻冲沙闸。A扭面渐变式挡土墙布置在取水口清污平台坝段的上游侧，从清污平台上游侧起，采用半重力式，墙顶高程2 215.50m，下游坡比为1∶0.5，向上游渐变为贴坡式。A挡土墙平面布置与剖面（见图1～3）。

图1 平面布置示意（单位：m）

图2 贴坡式挡土墙典型剖面示意（单位：m）

图3 重力式挡土墙典型剖面示意（单位：m）

2.2 理论公式计算及成果分析

理论公式计算中，在挡土墙贴坡段、扭面渐变段、重力式段分别选取1～2个典型剖面进行稳定计算，A挡土墙典型剖面如图4所示，稳定计算结果见表3。

分析理论公式计算结果，可知在各工况下，A挡土墙的抗滑稳定安全系数均大于允许安全系数，满足规范要求，典型剖面均安全稳定。贴坡段的抗滑稳定安全系数最大，安全稳定性较高；扭面渐变段（剖面C）的抗滑稳定安全系数最小，安全稳定性较低。由此可见，扭面渐变段的安全稳定富裕度最小，且其结构复杂，剖面各不相同，体型差异较大，难以确定安全稳定性最小的剖面。因此，扭面渐变段是A挡土墙最危险的部位，为保证复杂覆盖层地基上扭面渐变式挡土墙的安全稳定，需要采用有限元法对A挡土墙进行整体研究分析。

2.3 有限元计算及成果分析

有限元计算中，采用大型三维有限元软件ABAQUS，对A挡土墙和复杂覆盖层地基建立三维模型并进行多个工况下的稳定计算及研究分析。A挡土墙按照实际尺寸进行建模，复杂覆盖层地基三维模型计算范围为：A挡土墙沿顺水流向两侧各延长30 m；沿A挡土墙墙面到墙背方向延长45 m，沿A挡土墙墙背到墙面方向延长30 m；铅垂向取A挡土墙建基面以下45 m。复杂覆盖层地基计算参数根据表2输入，各工况荷载根据表1计入。为了尽可能真实准确地模拟A挡土墙复杂覆盖层地基的地质地形特点，复杂覆盖层地基各层面位置均与实际勘测情况保持一致。A挡土墙三维计算模型网络划分示意［4］如图5所示。A挡土墙与复杂覆盖层地基有限元计算结果见表4～6。

根据A挡土墙与复杂覆盖层地基的有限元计算结果可知：

A挡土墙压应力峰值均小于其压应力控制标准值，且压应力峰值均发生在挡土墙与地基交接处。各工况下，扭面渐变段的压应力峰值均大于贴坡段。

A挡土墙出现了一定范围的拉应力分布，各工况下，扭面渐变段的拉应力峰值均大于贴坡段。

从顺水流向看，贴坡段和扭面渐变段最大顺水流向拉应力均发生在挡土墙墙面与台阶交接处，拉应力峰值分别为0.95 MPa和0.97 MPa，拉应力峰值小于拉应力控制标准值。

从垂直水流向看，贴坡段最大垂直水流向拉应力发生在墙面1/3高程处，拉应力峰值0.51 MPa，未超过其拉应力控制标准值；扭面渐变段最大垂直水流向拉应力发生在挡土墙墙背与地基交接处，拉应力峰值为1.49 MPa，拉应力峰值大于拉应力控制标准值，但拉应力峰值较小，拉应力深度较小，根据应力计算值配筋即可满足结构稳定要求。

从铅直向看，贴坡段最大铅垂向拉应力发生在挡土墙墙面与台阶交接处，拉应力峰值1.08 MPa，未超过其拉应力控制标准值；扭面渐变段最大铅垂向向拉应力发生在挡土墙体顶部，拉应力峰值为1.12 MPa，拉应力峰值大于拉应力控制标准值，但拉应力峰值较小，拉应力深度较小，根据应力计算值配筋即可满足结构稳定要求。

复杂覆盖层地基应力以压应力为主，未出现拉应力，压应力峰值在0.02～0.45 MPa之间，地基最大压应力峰值为0.45 MPa，出现在上游Ⅲ类基岩面顶部，地基压应力均小于坝基允许承载力。

综上所述，有限元计算中，A挡土墙与复杂覆盖层地基基本稳定。

2.4 稳定性分析

理论公式计算中，A挡土墙4个典型剖面在各工况下的抗滑稳定安全系数均大于允许安全系数，满足规范要求，典型剖面均安全稳定。其中，扭面渐变段抗滑稳定安全系数最小，安全稳定富裕度最小，且其结构复杂，剖面各不相同，体型差异较大，难以确定安全稳定性最小的剖面。需要采用有限元法对A挡土墙进行整体研究分析。

有限元计算中，各工况下A挡土墙和复杂覆盖层地基应力分布符合一般分布规律：A挡土墙与地基均为压应力，其压应力峰值均小于其压应力控制标准值，其中，扭面渐变段的压应力峰值均大于贴坡段，地基基底未出现拉应力；A挡土墙结构出现了一定范围的拉应力分布，其中，扭面渐变段的拉应力峰值均大于贴坡段，贴坡段的拉应力峰值均未超过其应力控制标准值，扭面渐变段拉应力峰值部分超过其应力控制标准值，但拉应力峰值量值较小，拉应力深度较小，小范围的拉应力超过了拉应力控制标准值，通过对扭面渐变段配筋的即可解决其结构安全问题。

由此可见，复杂覆盖层地基上的A挡土墙基本稳定，扭面渐变段是A挡土墙最危险的部位，需要配筋以满足结构安全要求。

3 结束语

（1）复杂覆盖层地基上的A扭面渐变式挡土墙基本稳定。在复杂覆盖层地基上设计扭面渐变式挡土墙是可行的。

（2）A挡土墙扭面渐变段比贴坡段安全富裕度低，且扭面渐变段结构复杂，是挡土墙最危险的部位，需特别注意。

（3）对于复杂覆盖层地基上的扭面渐变式挡土墙，建议同时采用理论公式法和有限元计算法进行分析研究，这样更利于挡土墙的安全。