空箱挡土墙在水工建筑物中的运用
摘 要：随着社会经济的迅猛发展，水工建筑物对于技术提出了更高的要求，空箱挡土墙因为重力轻、地基应力分布均匀和效率高等优点成为了水工建筑物最常用的方式，被广泛的应用于水闸连接和水闸设计当中，对于解决水工建筑的现实问题具有重要的意义。
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一、空箱挡土墙的概况
1.空箱挡土墙的概念及特点
空箱式挡土墙由底板、顶板、前墙、后墙和纵横隔墙构成的空箱形挡土墙。可利用空箱内充填土、水的重量来维持稳定[1]。
空箱挡土墙的组成部分有前墙、后墙、隔墙、顶板与扶壁。它可以通过前后之间的空箱内填土或者充水来调节地基应力，从而使基底的地基荷载与闸室地基荷载保持一致，进而减少不均匀沉降。空箱挡土墙具有重力轻和地基应力分布均匀等优点，连拱式空箱挡土墙在空箱挡土墙的基础上进行改进，效果更好。
2.空箱挡土墙的结构型式
挡土墙是水电站、水闸、泵站及河道护岸等水利工程的重要组成部分。目前工程中常用的挡土墙结构有：重力式挡土墙、衡重式挡土墙、钢混扶壁式挡土墙和加筋土挡土墙，下面简单介绍这四种挡土墙的适用范围及各自的特点。
（1）重力式挡土墙
当所需挡土高度低于5m时，一般选用重力式挡土墙。主要原因是该挡土墙结构形式简单，可就地取材，主要缺点是基底应力分布不平均。当所需挡土的高度大于5m时，该挡土墙前部分的基底应力可能会超出地基的允许承载力。
（2）衡重式挡土墙
衡重式挡土墙最显著的优点是能够利用衡重平台使得墙身整体的重心向后移，从而达到平衡基底应力的目的。但是，这种挡土墙的构造方式使得挡土墙的基底宽度相较于重力式挡土墙要小，所以在扩散基底压力这一方面，衡重式挡土墙的效果要劣于重力式挡土墙。
（3）钢混扶壁式挡土墙
钢混扶壁式挡土墙的组成部分有墙踵悬臂、立臂和墙趾悬臂。该挡土墙相较于前二者在允许挡土高度上更出色，但对底板的宽度要求更大。该挡土墙的缺点有钢材消耗量大、造价高、施工难度大。
（4）加筋土挡土墙
当地基属于软土地基时，加筋土挡土墙是一种常用结构。它的主要特点是让墙后填料从原本的外荷载身份变成抵抗外荷载的墙体结构的一部分。这种挡土墙的优点是造价低，经济效益良好，装配简单，利于施工。
二、空箱挡土墙在水工建筑物中的应用
1.水工建筑物的概念及分类
水利工程中常采用单个或若干个不同作用、不同类型的建筑物来调控水流，以满足不同部门对水资源的需求。这些为兴水利、除水害而修建的建筑物称水工建筑物。
水工建筑物按其作用可分为挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、取（进）水建筑物、整治建筑物以及专门为灌溉、发电、过坝需要而兴建的建筑物。
水工建筑物按其用途可分为一般性建筑物和专门性建筑物。一般性建筑物具有通用性，如挡水坝、溢洪道、水闸等，专门性水工建筑物又分为水电站建筑物、农田水利建筑物、给水排水建筑物、过鱼建筑物等。
水工建筑物按其使用时间的长短分为永久性建筑物和临时性建筑物。
2.水工建筑物在水工建筑物中的应用
空箱挡土墙是用在水闸连接和设计当中，下面利用几个简单的实例来说明空箱挡土墙在水工建筑中的应用。
1.空箱式挡土墙在水闸连接中的应用
城西湖退水闸12孔，单孔净宽5.0m，闸室高度16.6m。如与两岸直接连接，不符合经济合理的设计准则，甚至产生裂缝[2]。七和水电站枢纽工程有5孔泄水闸，单孔净宽10m，闸墩高18m，我们在边墩后面设置了挡土墙，使边墩只在底部承受土压力，上部只起支承闸门和闸墩上部结构的作用[3]。因此在边墩后面设计了挡土墙，使边墩仅仅起到支承闸门及上部结构的作用。由于挡土墙地基为填土，空箱挡土墙可以利用箱格内的填土来调整地基应力且较经济， 故采用空箱挡土墙。
在两岸设置空箱挡土墙时，首先降低了边墩的内力，减小了因闸墩变形引起闸门开启困难和闸室破坏等问题。其次降低了闸室底板内力，在设计中进一步减小底板和边墩的厚度，满足经济、合理和美观的要求。最后不仅减小了地基内力，而且使地基内力变得均匀、一致，对整个闸室的安全稳定具有重要的意义。
2.空箱式挡土墙在水闸设计中的应用
我国江苏省瓜洲闸部分乙墙，1969首先试用了连拱式空箱式挡土墙，然后在各地建闸中广泛采用空箱式挡土墙来做上、下游乙墙、闸墙等，空箱式挡土墙显著的优点是：不用钢材，砌筑施工速度快，拱圈可以提前预制或现浇，砌石砌筑工程量与重力式挡土墙比较可减少一半左右，由于空箱结构自重小，故地基反力小， 尤其适用于软基础上建筑。
慎江水闸于1974年10月竣工，投入运行近四年，上、下游乙墙及闸墙所采用的连拱空箱式挡土墙均无明显的不均匀沉陷、倾料或开裂漏水等现象发生，运行正常，实践证明是成功的。
1974年底兴建的塘下水闸和1977年底动工的东方水闸，采用倒拱式底板结合连拱空箱式闸墙结构。这两座水闸的连拱空箱式挡土墙结构在施工中与慎江水闸相比较，不同的是空箱拱圈采用现浇混凝土，实践证明，这样既加快了施工速度，又提高了空箱结构的整体性和强度，至今均无发现什么问题。
三、空箱挡土墙的优越性
1.挡土墙的自重力的可调范围广
如果挡土墙尺寸外形已经确定，可以通过以下几种方式对挡土墙的自重力进行跳帧：改变前墙或者隔墙的厚度，改变空箱内部的填料高度，改变墙体的砌筑材料，改变隔墙的间距等等，对于自主调节挡土墙的自重力很重要的现实意义。挡土墙合理的设计思路应该是这样的：要尽一切可能在墙体的构造上增加能够提到稳定性的方法，然后再在稳定性足够的基础上尽一切可能减少墙体的自重力，使之能够适应承载力低的地基。
2.挡土墙失稳后易于扑救
一般的挡土墙在发生结构失稳之后是很难进行补救的，但是空箱挡土墙不同。它和混凝土的脆性破坏不同，对于挡土墙来说，从失稳到破坏需要一个过程，并不是瞬间发生，这样就可以给了现场补救的时间和机会。
当空箱式挡土墙发生滑动或者倾覆时，要马上打开预制的盖板，往空箱内放入填料增加自重力，通过增大基底的摩阻力和增大抗倾覆力矩的方式达到稳定挡墙的目的。在往空箱内部放入填料的过程中要尽可能地避免对挡土墙前墙产生侧向压力，通过在填料之间设置加筋带，或者往填料之中加入石灰等凝固剂的方式来避免这种危害。在加入压重填料的过程中要注意不能在一个箱体中加完之后再加另一个，要同时在相邻的空箱之内加入填料，或者少量轮流加入填料，以免因此使得基底应力分布不均或者底板受到不正常的变形。
3.施工简单
就构造而言，虽然空箱挡土墙比较复杂，但实际的施工却比较容易。挡土墙的隔墙与前墙都是垂直墙，比仰斜或者俯斜面墙要容易施工。拱座和底板的立模和绑扎钢筋比较复杂。另外，空箱挡土墙造价也比扶壁挡土墙少。
参考文献：
[1] 徐旭松等.浅谈空箱挡土墙在水闸设计中的应用[J].水利建设.
2014（2）：143-144
[2] 许正松等.空箱式挡土墙在水闸连接段中的应用研究[J].工程设计.2007（4）：884-887
[3] 王跃武等.空箱式挡土墙在七和水电站水闸连接段的应用[J].广东水利水电.2002（4）：68-69
作者简介：袁俊年（1981.08），男，湖北武汉人，湖北省水利水电规划勘测设计院，工程师，大学本科学历，研究方向：水利水电。
陈花（1985.09），女，湖北武汉人，武汉市水务科学研究院，工程师，大学本科学历，研究方向：水土保持。