大型沉井在柘林第二溢洪道副壩基礎(chǔ)保護(hù)中的應(yīng)用

陶柏強(qiáng) 張李蓀

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院 ,南昌 330029)

1 工程概況

柘林水利樞紐工程總庫容79.2億m3,當(dāng)時(shí)為全國最大庫容的土壩水庫 (相當(dāng)于鄱陽湖總庫容的1/3)。1958年動(dòng)工興建,三年自然災(zāi)害困難時(shí)期(1962年)停工緩建,1970年底復(fù)工續(xù)建,當(dāng)時(shí)正處在文革期間,隨意降低洪水標(biāo)準(zhǔn),取消校核標(biāo)準(zhǔn),縮小工程規(guī)模,降低大壩高度,只設(shè)了一座泄量32l0m3/s的三孔溢洪道 (僅相當(dāng)于校核洪水標(biāo)準(zhǔn)泄量的1/4.8),且片面追求施工進(jìn)度,不顧施工質(zhì)量。1971年底,大壩雖己建成,但因洪水標(biāo)準(zhǔn)太低,大壩施工質(zhì)量太差,水庫嚴(yán)重威脅著下游數(shù)百萬人民生命財(cái)產(chǎn)安全,曾列為全國特等危險(xiǎn)水庫,一直限制在最低水位運(yùn)行。

1974年水電部領(lǐng)導(dǎo)及專家曾多次親臨現(xiàn)場(chǎng),研究柘林工程的除險(xiǎn)加固方案,最終確定按千年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì) (下泄流量Q=12650m3/s),保壩洪水標(biāo)準(zhǔn)校核 (下泄流量Q=15880m3/s)。經(jīng)反復(fù)分析論證,確定在第一副壩興建第二溢洪道,并明確指出,簡化消能設(shè)施,采用挑流消能,不挖尾渠,讓其自行沖刷成渠。在當(dāng)時(shí)的情況下,盡快建成第二溢洪道,盡早摘掉危險(xiǎn)水庫帽子,確保下游數(shù)百萬人民生命財(cái)產(chǎn)安全,是當(dāng)務(wù)之急,重中之重,迫在眉睫。

要使第二溢洪道在最短時(shí)間內(nèi)建成,具有泄洪條件,不單取決于閘首的建成,也取決于下游尾渠的泄洪能力和副壩壩腳的保護(hù)。距閘首約500多m處的楊垅地段是尾水的必經(jīng)之地,山垅地面較高,兩岸為山丘,過流寬度較小 (約90m)。經(jīng)模型試驗(yàn),當(dāng)宣泄保壩洪水流量時(shí),下游水位高于挑流鼻坎,淹沒鼻坎及陡槽,根本無法形成挑流,要滿足挑流的下游水位 (低于48.5m)必須開挖楊垅山口,需挖上石方305萬m3,不僅造價(jià)高,且施工期長,仍難以使水庫盡早脫險(xiǎn)。針對(duì)這一主要矛盾,經(jīng)反復(fù)探討,最后決定改挑流消能為面流消能,以將水流推出鼻坎為原則,確定下游水位。經(jīng)動(dòng)床模型試驗(yàn),形成面流的最高下游水位為59.5m,尾渠地面高程為48.0m,楊垅山口適當(dāng)挖深挖寬即可滿足泄11270m3/s流量要求,開挖量僅49.0萬m3,減少開挖量256萬m3,大大縮短了施工工期,降低了造價(jià),為水庫盡早脫險(xiǎn)創(chuàng)造了條件。

可是,因面流消能下游水位高,又出現(xiàn)了新的矛盾。一是陡槽底板承受下游水位的揚(yáng)壓力大,底板厚度需3～8m,混凝土量和石方開挖量都很大,不經(jīng)濟(jì),施工期也很長。為了解決這一矛盾,鼻坎下設(shè)深齒墻封堵下游水位,陡槽底板下面設(shè)計(jì)了一套較完善的排水系統(tǒng),減少揚(yáng)壓力。由于采用了封堵下游水位,陡槽底板排水減載等措施,底板厚度減至0.7m,節(jié)省混凝土及石方開挖各10萬多m3,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效果。二是由于面流消能回流沖刷岸坡及副壩基礎(chǔ),必須確保副壩安全,采用何種防護(hù)措施,需深入研究探討。

2 地形、地質(zhì)概況

一副壩地區(qū)為低山丘陵地貌,上覆粘土,以下為炭質(zhì)頁巖。溢洪道布置在一副壩左端,溢洪道閘室右邊墻與副壩相連,緊臨溢洪道右側(cè)的副壩基礎(chǔ)有F152、F154、F156三條大斷層橫穿壩基,因劇烈的造山運(yùn)動(dòng),使總寬度100多m的壩基巖石擠壓成煤炭狀粉末,抗沖流速僅0.8m/s,很容易受泄洪回流的淘刷,危及副壩安全,必須防護(hù),詳見圖1。

圖1 平面示意圖

3 壩基保護(hù)結(jié)構(gòu)形式的選擇

壩腳保護(hù)曾考慮過兩種方案:一是依據(jù)動(dòng)床試驗(yàn)成果,副壩下游山丘將被沖刷掉,沖刷高程30.0m,按此高程進(jìn)行大開挖,然后用鋼筋混凝土護(hù)底擴(kuò)坡;二是在副壩基礎(chǔ)平臺(tái)的坡腳用YKC造墻,墻頂以上用鋼筋混凝土護(hù)坡。前者因工程量太大不經(jīng)濟(jì),被否定:后者因墻厚度太薄,僅0.8m,當(dāng)墻前沖刷至30.0m高程,墻背承受12.5m高的土壓力,墻太單薄,很難滿足壩基抗滑穩(wěn)定及墻自身強(qiáng)度要求。另外,在槽孔護(hù)壁泥漿中安裝20m高的鋼筋網(wǎng),即使分段,吊裝、焊接施工都存在一定困難,因此,YKC造墻方案也不理想,必須進(jìn)一步探索其他技術(shù)上可靠、施工上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的防護(hù)方案。經(jīng)對(duì)地質(zhì)資料深入分析,覺得壩基雖為巖基,但已變成極細(xì)的粉末,如果采用大型沉井,抗沉阻力不會(huì)很大,如遇孤石,刃腳用鋼板保護(hù),孤石可炸碎后清除,不致影響沉井下沉,最終決定采用大型沉井方案。

4 沉井設(shè)計(jì)、布置及施工

斷層破碎帶總寬度101m,在破碎帶中布置了四個(gè)長24m,寬8m,深20.5m的大型沉井。沉井之間預(yù)留1.5m空隙,防止沉井施工過程中歪斜碰撞。當(dāng)沉井沉至設(shè)計(jì)高程后,將預(yù)留的1.5m空隙挖豎井澆混凝土封堵。沉井頂面為地面高程42.5m,底面高程22.0m,動(dòng)床試驗(yàn)沖刷高程30.0m,沉井深入沖刷高程以下8.0m。沉井沉至設(shè)計(jì)高程后即回填石碴,填碴后沉井總重量應(yīng)滿足壩基滑弧穩(wěn)定最小安全系數(shù)要求,同時(shí)也應(yīng)滿足作為擋土墻抗滑抗傾穩(wěn)定要求。按此計(jì)算確定沉井寬度為8m。橫剖面示意圖詳見圖2。沉井既是防沖墻,也是確保壩基穩(wěn)定的阻滑體和擋土墻。

圖2 橫剖面示意圖

4.1 沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

a沉井結(jié)構(gòu)尺寸的確定。

沉井自重應(yīng)大于四周上壓力所產(chǎn)生的摩擦力。

抗沉:K沉 =G/Rf≥1.15～1.25;

抗浮:K浮 =G/P浮 ≥1.05。

式中:Rf=S(h-2.5)f0;

F0=(flhi+f2h2+......+fnhn)/(h1+h1+……+hn);

h=h1+h1+……+hn;

C——沉井自重 (包括井內(nèi)填碴)(t);

R——沉井側(cè)面總摩擦力 (t);

S——沉井側(cè)面周長 (m);

f0——沉井單位面積摩擦力的加權(quán)平均值(t/m2);

f0……fn——沉井通過的各土層對(duì)井壁的單位面積容許摩擦力 (t/m2);

h1……h(huán)n——沉井通過的各土層厚度 (m);

P浮 ——沉井所受的浮托力 (T);

K沉——沉井自重滿足順利下沉要求的安全系數(shù);

K浮——在不計(jì)井壁與土的摩擦力的情況下,抗浮安全系數(shù)。

當(dāng)有地下水時(shí),沉井重量應(yīng)減去水下部分沉井的浮托力。

根據(jù)上式求得的沉井自重,確定外墻和內(nèi)隔墻的最小厚度,如重量不夠,可加密橫隔墻或增加縱向隔墻,后者有利于減小兩端外墻的計(jì)算跨度。

側(cè)面摩擦力分布:摩擦力沿深度成梯形分布,距地面5m范圍內(nèi)按三角形分布,5m以下為常數(shù),詳見圖3。

圖3 側(cè)面摩擦力圖

4.2 沉井結(jié)構(gòu)布置

單個(gè)沉并長度24m,為減小外墻的計(jì)算跨度,全長分成四格,設(shè)二個(gè)中隔墻,中隔墻底面設(shè)計(jì)成“—∏—”形,中部高出刃腳底面1.5m,便于開挖人員自由通行,調(diào)整開挖位置。

刃腳比外墻面凸出15cm,以減少接觸面摩擦力,四周15cm的空隙,必要時(shí)可用來灌入黃泥漿潤滑接觸面,減少下沉抗力。

刃腳外測(cè)為垂直面,內(nèi)測(cè)為傾斜60°的斜面,使刃腳下端成尖形,便于切入土中,減少端阻力。內(nèi)斜面便于施工人員靠近外邊緣挖土,詳見圖4。

圖4 沉井平面圖及刃腳大樣圖

4.3 沉井應(yīng)力分析

沉井平面上為一四孔箱型結(jié)構(gòu),按四孔閉合型框架分析應(yīng)力。不同時(shí)期作用在沉并上的荷截為:

(1)施工期:尚未填土,內(nèi)空,外側(cè)四周承受飽和土壓力,詳見圖5。

圖5 沉井施工期受力圖

(2)運(yùn)行期:井內(nèi)己填土,下游側(cè)已沖刷至30.0m高程,下游側(cè)外墻承受并內(nèi)土壓力,其余三面近似假定內(nèi)外土壓力平衡,詳見圖6。

圖6 沉井運(yùn)行期受力圖

刃腳按懸臂梁計(jì)算,外側(cè)荷載按主動(dòng)土壓力計(jì)算,詳見圖7。

圖7 刃腳受力圖

4.4 沉井施工

沉井必須連續(xù)施工,一氣呵成,不宜中途停頓,因停頓時(shí)間過長,外圍土體在不斷變形,會(huì)將外側(cè)15cm空隙擠滿土,固結(jié),增加摩擦力,當(dāng)摩擦力大于沉井自重時(shí),產(chǎn)生抗沉現(xiàn)象。一副壩壩腳4個(gè)大型沉井,1#、3#、4#沉井連續(xù)施工很順利,2#沉井施工完第1節(jié)時(shí),因故停工一個(gè)多月,該沉井對(duì)面的山丘己開裂下滑,沉井繼續(xù)施工時(shí),因抗力太大,即使在井頂加載,也很難下沉,最后只好在井底放爆,沉井受震后才下沉。

沉井太高時(shí),可以分節(jié)施工,每節(jié)高度 4～5m。

沉井在施工過程中,應(yīng)隨時(shí)加強(qiáng)觀測(cè),在井外架設(shè)水準(zhǔn)儀,井頂四角設(shè)觀測(cè)點(diǎn),如發(fā)現(xiàn)某個(gè)角沉降太快,應(yīng)及時(shí)調(diào)整開挖位置,使整個(gè)沉井均衡下沉。

5 結(jié) 語

沉井一般多用于民用建筑的土基或砂基,在水利工程斷層破碎帶中使用在當(dāng)時(shí)還是第一次。沉井能否應(yīng)用于其他地基,取決于地質(zhì)資料的精度和可靠性,以及對(duì)地質(zhì)資料的深入分析和判斷。沉井在斷層破碎帶中成功應(yīng)用,給設(shè)計(jì)人員開闊了思路,沉井作為水利工程中的防沖和擋土建筑物,具有受力明確、結(jié)構(gòu)簡單、施工安全、造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn),是值得推廣應(yīng)用的。