土墻優化設計管理論文

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1問題與思路

1.1問題的提出

為建設黃壁莊水庫副壩防滲墻，擬在副壩下游側樁號2+000和3+750處的壓坡平臺上興建2座產量200m3/h的大型混凝土生產系統，該系統含2個長×寬×高為60×60×8.4m一次儲量7000m3的儲料場和2座2×1.5m3的強制式機組的拌和樓見圖1。由于副壩是整個水庫工程存在隱患最多的部位，水庫主管單位對在壓坡平臺上興建工程嚴加限制：一不得深挖；二不得寬挖。保證在除險加固完成前副壩的安全度汛。在地形條件受限制的情況下，如何確保儲料場按計劃完成，關鍵在擋土墻設計。

如何在眾多形式的擋土墻中選擇一種適合現場條件的檔土墻結構是當前必須研究的課題。檔土墻作為一般攔土結構物，常用在閘壩的翼墻和渡槽、倒虹吸的進出口邊墻及其他路堤擋土部位等。對這類工程的優化設計問題往往易被忽視。我們的實踐表明，各類擋土墻的技術經濟效益有著相當大的差別。本項研究，從工程實際出發，意圖在如減壓式擋土墻、重力式擋土墻、懸臂式擋土墻和扶壁式擋土墻等四種結構中進行雙向優選，即進行本類的優選設計和各類之間的優選比較，最后確定一種技術、經濟狀況最優、現場適應性最好的擋土墻方案用于本工程。現將研究過程介紹如下。

1.2課題研究思路

該課題的研究思路分三步的研究思路。

第一步，首先確定方案比選的統一標準。過去人們的觀點認為擋土墻形狀各異，結構不同，各有優缺點，要比較相當困難。實際上任何形式的擋土墻功能都是擋土攔土，因此研究認為，它們的正常擋土狀態就應當是一個統一標準，而這個正常的擋土狀態正是現行的規范狀態，在規范狀態下這些參與比選的各類擋土墻是處在同一個設計水平上，因而可以比較。

第二步，確定優化設計的風險決策方法。眾所周知，任何擋土墻的穩定性特征值都是擋土墻背填土物理力學特性的函數，同時又受地基結構特性的約束；對于擋土墻的經濟造價，又與結構特征相關的工程量及市場物價相關的分析單價密不可分。顯然，這些都是描述擋土墻特征的隨機變量。鑒于擋土墻具有上述特點，因此可以認為每類擋土墻也是離散隨機變量，采用數學期望準則和優勢比較準則完全能夠將含離散隨機變量的各個方案進行優劣比較，按照定義，離散隨機變量的一切可能值Xi與對應的概率P（ζ=Xi）的乘積之和稱為數學期望，記為Mζ。如果隨機變量只取得有限個值：X1、X2、X3、……Xi，而取得這些值的概率分別是P（x1）、P（x2）、P（x3）……P（xi）則

Mζ=X1P（x1）+X2P（x2）+X3P（x3）……XiP（xi）

運用到風險決策中來，以Mζ值最小為最優方案。

優勢比較準則實際是將方案的技術效益或造價進行比較。當方案Ⅰ的隨機變量S1、S2、S3、……Si與方案Ⅱ的隨機變量S1、S2、S3、……Si對應相減，其值為“0”或“+”值，則方案Ⅰ有優勢；若相減后其值為“0”“0”“+”“-”或“0”“0”“-”“-”，則方案Ⅰ不存在優勢。

第三步，選取擬比較的能反映方案特性的隨機變量可能值。研究認為，方案的規范狀態，擋土墻的墻基應力，墻基對圍巖的擾動度參數——擋土墻的寬高比B/H和相對避擾度、工程造價及相對效益A等值，基本能描述擋土墻的特征，而且這些變量在分析過程中都能一一取得。故以它們作為研究比較的隨機變量是合理的。

第四步，搜索各類擋土墻的規范狀態并按數學期望準則和優勢比較準則分別考核各個待選方案。選出最優秀方案。

2各類擋土墻的設計指標

2.1確定計算擋土墻的土壓力理論

目前計算土壓力的理論有多種，而各種理論又用各自不同的假設分析方法來求算土壓力。根據初步篩選，除減壓式擋土墻外，其余重力式擋土墻，懸臂式擋土墻和扶壁式擋土墻背墻頂與墻踵連線傾角均大于臨界角εer，本工程εer=45-ψ/2。盡管一些方案的墻背可能出現第二滑裂面，盡管采用的計算公式可能出現誤差，為方便起見確定統一采用郎肯主動土壓力理論來計算各類擋土墻的主動±壓力。初步分析估算，計算誤差不會導致大方案比較結果出現錯位。

有關郎肯主動土壓力計算公式詳見圖2。

2.2現行規范（SD133-84）指標與現場地質的物理力學特性。

現行規范（SD133-84）指標與現場地質的物理力學特性見表1。

2.3四種擋土墻的現行規范狀態的計算成果

根據前述2.1和2.2節確定的數學模型和物理力學指標，無論用手算方式還是計算機搜索都可得到現行規范狀態下的擋土墻計算成果。詳見圖2、表2和表3。

表2中的“GF”是“規范”二字的漢語拼音縮寫；“圍巖相對避擾度”意思指“圍巖避免擾動的相對程度”，此相對值越大表明圍巖受擾動越小，反之則越大。

3擋土墻優化設計的風險決策

3.1按數學期望準則的風險決策

采用數學期望準則風險決策之前先將表2中的第（2）項和第（5）項、表3中的第（12）項集中到表4來，并認為表中所有隨機變量X1、X2、X3的概率P（x1）、P（x2）、P（x3）值均為0.333，則可算出a、b、c、d各方案的數學期望Mζ值，詳見表4。

由表4可見，減壓式擋土墻Mζ值較小，而懸臂式擋土墻的Mζ值較大。比較結果表明，減壓式擋土墻在這四種擋土墻方案中為最優方案。

3.2按優勢比較準則的風險決策

在進行優勢比較準則決策之前，先將表2中的第（3）項第（6）項和表5中的第（13）項集列成表5并進行優勢比較。詳見表5。

將表5中各個隨機變量相互比較發現，減壓式擋土墻對其他三類擋土墻比較均得到“0”“0”“+”“+”，表明減壓式擋土墻方案比較優秀，為首選方案。重力式擋土墻和扶臂式擋土墻方案對懸臂式擋土墻，比較結果也顯示“0”“0”“+”“+”，表明該兩者也有一定優勢，可作為備選方案。

總之，無論采用數學期望準則還是采用優勢比較準則分別對減壓式擋土墻，重力式擋土墻、懸臂式擋土墻和扶壁式擋土墻進行分析，結果基本一致。在規范狀態下，減壓式擋土墻方案對圍巖土擾動較小、較好地適應現場受限制的地形條件、工程量及造價較低，是被考核的四個擋土墻方案最具優勢者。

4減壓式擋土墻在黃壁莊水庫除險加固工程混凝土生產系統中的應用。

4.1減壓式擋土墻設計應注意事項

混凝土標號應為C20以上。進行配筋計算時宜取安全系數K≥1.4。并且墻底不得有虛土。

4.2減壓式擋土墻的施工

注意墻體分段施工程序：先澆筑Ⅰ墻基底板——Ⅱ垂直墻體下半部分——Ⅲ減壓平臺以下的土方回填夯實——Ⅳ澆筑減壓平臺——Ⅴ澆筑垂直墻體上半部——Ⅵ減壓平臺以上回填。

4.3減壓式擋土墻應用效果

在儲料場的兩端，總長4×40m=160m，墻高8.4m，墻基寬2.51m的減壓式擋土墻于1998年11月建成投入運用。當儲料7000m3時，減壓平臺以上儲料高度h＞4m，墻頂變形2mm，墻基變形為0，運行正常。此種結構應用在儲料場工程，減壓平臺可以代替部分混凝土硬化地面的工程量，一舉兩得，技術和經濟效益明顯。

5結語

本項研究采用數學期望準則和優勢比較準則對不同類型擋土墻方案進行風險決策獲得滿意的效果，使工程實際中提出的問題得到解決，是對擋土墻結構優化設計的有益嘗試。

減壓式擋土墻是本項風險決策研究比選的出的優秀擋土墻方案。在黃壁莊水庫工程應用結果表明，它的擋土效果與其他重力式擋土墻、懸臂擋土墻和扶壁式擋土墻相當，而工程造價僅為其他三類擋土墻的57%—81%、對圍巖的擾動影響僅為其他三類擋土墻的41%—44%，對受限制的土基條件適應性較好，技術和經濟效益明顯。宜作閘壩翼墻及一般渠系建筑物進出口過渡段工程的選擇方案。

本項研究的思路可供同類工程建設參考。

參考文獻

[1]武漢水利電力學院.土力學及巖石力學[M].北京：水利電力出版社，1979.

[2]茅以升.現代工程師手冊[M].北京：北京出版社，1992.

[3]勞道邦.黃壁莊水庫除險加固工程混凝土供應系統設計[J].水工科技，1998.