0前言

水工挡土墙常用的结构型式主要有重力式、半重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式及空箱式等。根据不同的地质条件、挡土高度及建筑材料，应选择合适的挡土墙型式以满足结构安全、经济合理等。

扶壁式挡土墙由于其结构简单，受力较好，材料利用率较高、布置灵活和施工简便等特征，同时底部基础面积大、自身稳定性好，可部分利用开挖回填料等优点，工程中应用广泛，其重要性不言而喻。水工挡土墙是水利水电工程中承受土压力、防止土体塌滑的挡土建筑物，同时还有挡水、阻水等功能。

扶壁式挡土墙一般高度在6m以上，按其墙背型式主要有斜式、立式和变截面形式等多种，而土压力和水压力是设计挡土墙断面型式并验算其稳定性主要荷载。

本工程所研究的异型扶壁式挡土墙位于湖北省十堰市竹山县境内，地处堵河干流上游河段，坝址距竹山县城13km，经鲍峡镇至十堰公路里程162km。工程开发任务以发电、防洪为主，电站建成后还具有增加南水北调中线可调水量，提高南水北调供水保证率，改善库区通航条件等综合利用效益。本工程为一等大（1）型工程，装机2台，总装机500MW。

潘口水电站尾水渠地形复杂，基础岩石条件较差。为减少土石方开挖，降低工程造价，节约工期，并充分利用当地资源，设计时取长补短，利用扶壁式挡土墙受力条件好，造价低，受力较好和施工简单，灵活布置，在减少岸坡开挖的同时，满足挡土墙各项功能要求，布置错落有致，建筑物视觉上层次感强，取得了较好的效果。

1地基与右岸挡土墙布置要求

1.1地基

尾水渠左岸自然岸坡角40°～45°，基岩面高程247～257m。厂房纵轴线方向为NE20°。建基岩石主要为绿泥钠长片岩，但其中夹透镜状大理岩与绢云绿泥石英片岩及含炭石英质千枚岩，岩层走向NW320°～330°，与厂房轴线交角50°～60°。影响左岸边坡稳定的节理主要有3组：走向NE40°～60°SE∠40°～85°；NW280°～300°SW∠50°～80°；NW330°～350°NE∠40°～80°。

1.2右岸挡土墙布置要求

挡土墙布置应根据工区工程地质、水流等条件以及所属水工建筑物总体布置、功能、运行等确定，力求做到紧凑合理、协调美观。除以上条件外，本挡土墙设计还需考虑以下几点要求：（1）根据坝工要求，右岸挡土墙沿坝趾一定距离处需设置量水堰以便测量大坝渗漏量，因此墙体正常尾水位高程266.00m以下不设排水孔量；（2）根据机电要求，右岸挡墙靠下游侧需回填一定高程的平台布置主变高压侧设备，平台净尺寸66m×25m（长×宽），平台地面高程277.15m，平台内布置机电设备等，其设备与布置在下游右岸的转角塔相连，上游与厂房设备相连。设备平台与厂房之间修建永久道路，方便设备平台的施工和后期检修。设备平台长边与机组纵轴线夹角30°。尾水渠挡土墙平面布置见图1，右岸挡土墙立板外侧面展开图见图2。

图 1 尾水渠挡土墙平面布置

图 2 右岸挡土墙立板外侧面展开图

2右岸挡土墙布置和第6段挡土墙

右岸挡挡土墙共分7段，从上游往下第1段到第6段为扶壁式挡土墙，第7段为C15埋石混凝土重力式挡土墙。根据结构和薄壁量水堰布置要求，墙顶宽度取1.5m。根据布置主变高压侧设备平台需要，从第4块挡墙开始向尾水渠拐弯11.2°，并延伸至下游右岸边坡，墙顶高程由266m升高至277.15m。回填料为石渣，坡比1∶2，浆砌石护坡，护坡厚度300mm。挡土墙墙顶斜面坡比与回填边坡保持一致。

第1段至第6段挡墙最大墙高22.91m，基础最大高度约8.8m。挡墙分段长度约18m，挡墙与挡墙之间、挡墙与尾水平台之间分缝，缝宽20mm，缝间填沥青杉板。右岸挡土墙266m以下缝间设0.8mm厚垂直紫铜止水片，止水片底部深入基岩或基础0.5m。

第6段挡土墙上由于布置主变高压侧设备平台，因此相较于前五段挡土墙，第6段挡土墙结构更为复杂，不仅底部结构，立板也存在三维断面均不相同的情况。因此本次计算以右岸第6段挡土墙为研究对象，因其存在扶壁多、距离长，基础形状、扶壁和立板结构复杂等特点，且顶面为带边坡结构，以及266m高程以下因布置量水堰挡土墙立板不能布置排水孔等，挡墙最大高度20.65m。

3挡土墙常规验算方法和有限元计算

右岸第6段挡土墙结构复杂，在进行初步设计时采用常规计算方法进行验算，考虑到其结构的复杂性，计算过程中对其进行一定简化，即根据其结构特点将其分成四段、每一段均简化为结构规整的扶壁式挡土墙进行计算，最后配筋时结合四段扶壁式挡土墙计算结果，综合优化后进行配筋。虽然对结构进行一定简化，计算过程较为简单，但毕竟无法真实反映结构受力特征，因此还需对其进行有限元分析验算。

由于结构太过于复杂，本次建模划分网格选用四面体单元。建模后，其挡土墙总单元数141743个，其中底板单元数57452个，立板单元数34762个，扶壁单元数49529个，基础单元数175568个，模型总节点数455637个。其整体模型和扶壁式挡土墙有限元划分网格后如下图所示，计算方法采用先对岩石基础赋初始应力，再进行挡土墙的受力计算。模型和挡土墙划分网格后的图见图3。

图 3 第6段挡土墙整体建模和挡墙划分网格后的图

考虑到高程266m以下不设排水孔，且运行期两侧水作用力对挡土墙的稳定较为有利，而在施工期，当挡土墙施工完成、回填土填筑到位，尾水渠没水，量水堰满水的情况下，此时为挡土墙最不利工况。因此本次计算只选用挡土墙施工完成、尾水渠无水、回填土填筑到位、量水堰满水时对应的施工工况。

挡土墙总变形沉降和第一主应力云图见图4（单位：m）。

图 4 第6段挡土墙整体变形沉降（左图）和第一应力云图（右图）

通过计算可知，其最大沉降值0.639mm，最大沉降值发生在立板顶部由斜坡转水平位置。

考虑到其为异型结构，研究整体应力可能会忽略其局部应力影响，因此将其结构分成底板、立板和扶壁三部分，其对应第一主应力图如下：

3.1底板

底板第一主应力云图如下图所示：

图5 第6段挡土墙底板第一主应力应力云图

第一主应力最大值发生在第四跨和第五垮交接处，由于此处为混凝土墙体和基础边坡交界处，容易产生应力集中现象，排除此局部应力影响后，其余局部压应力均较小，最大值均未超过2.40MPa，底板中间位置上表面产生一定的压应力，其值较小。

3.2立板和扶壁

立板和扶壁第一主应力云图如下图所示：

扶壁：第一主应力

图6 第6段挡土墙立板（左图）和扶壁（右图）第一主应力云图

由于本段挡土墙为异型结构，因此其应力计算结果与规整的挡土墙计算结果区别明显，其中主要有：

1、扶壁受力不再是典型的扶壁中间靠外侧部分以拉应力为主、其余部位呈现放射状结构形式，本计算结果中，除了第二块扶壁有此特征外，其它扶壁受力均不同，甚至出现拉应力渗透现象，此时如果还用经典计算模型来计算该挡土墙，其计算结果与实际将存在较大出入。

2、扶壁受力具有典型三维特征，即不再是两侧成对称状，而是由于受到侧向土体沉降变形挤压作用，其应力云图明显具有往上游偏移的特点，此计算结果与传统计算方法也有一定的出入。

3、立板受力存在局部拉应力集中现象，尤其是第四和第五块扶壁与立板连接处，其应力集中现象明显，主要原因是由于墙后填土不再呈现对称，侧向变形较大，对扶壁产生一定的侧向上游推力，导致其在扶壁根部附近一定范围内产生应力集中，而传统计算方法中主要拉应力出现在立板与扶壁交界靠顶部位置，立板受两侧扶壁影响，其挡水面离底板约三分之一板高位置产生较大拉应力，有限元计算结果与传统计算方法有很大不同。

4、传统挡土墙底板计算时，考虑到基础作用，因此可忽略底板的受力影响，而有限元计算则将基础与挡土墙视为整体受力，底板受力更能很好的反应实际底板应力和变形情况。

4结论

对于异型扶壁式挡土墙结构，由于薄板结构和土压力的三维受力特征，其计算如果采用传统计算方法，其计算过程存在有一定的局限性，如果可以的话，建议采用有限元进行应力复核。本次采用有限元计算，可以更加直观的了解异型结构的挡土墙每个部位的受力特征，对工程设计和后期施工均有一定的参考价值。

参考文献：

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[4] 王培中,陶涛,祁佚飞,徐永福. 填土碾压对挡土墙土压力和位移的影响分析[J].中外公路，2016年6月，第36卷第3期：27-31.

[5] 王荣鲁,孟丽娟,洪岗辉,孙其臣. 某水库扶壁式挡土墙破坏原因分析及加固措施研究[J].中外公路，2015年6月，第13卷第3期：201-205.

作者简介：胡孔中（1980-），男，安徽桐城人，博士研究生，工程师，主要从事水工结构设计和韶关学院化学与土木工程学院本科生教学工作，E-mail:562198896@qq.com

通讯作者：刘丽芳（1983-），女，湖北咸宁人，硕士研究生，高级工程师，主要从事民用建筑的结构设计和韶关学院化学与土木工程学院本科生教学工作，E-mail:273382393@qq.com