考慮運(yùn)行期不均勻沉降影響的壩下涵洞縱坡設(shè)計(jì)

李衛(wèi)鵬

(水利部新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 前 言

在山前洪積扇前沿地區(qū)廣泛分布著軟弱黏性土尤其是飽和軟弱黏性土，此類軟土都具有以下特征：含水量高、壓縮性大、滲透性差、靈敏度高、強(qiáng)度低和厚度不均勻等[1]。此類軟土地基不經(jīng)過處理，在運(yùn)行期建筑物荷載等作用下地基會(huì)發(fā)生較大的沉降量和不均勻沉降，而且沉降持續(xù)時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，嚴(yán)重影響建筑物的正常使用。

文章結(jié)合新疆某平原水庫工程，對(duì)軟黏土地基上的壩下涵洞進(jìn)行了施工期縱向底坡設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了水庫蓄水運(yùn)行后涵洞基礎(chǔ)不均勻沉降和沉降量過大等問題。砂井預(yù)壓法能夠排出飽和軟黏土地基中的水分，加速土體固結(jié)，具有使地基承載能力和穩(wěn)定性顯著提高等優(yōu)點(diǎn)，是一種行之有效的軟土地基加固處理方法[2-6]。因此在涵洞修建前，先對(duì)涵洞基礎(chǔ)進(jìn)行了砂井預(yù)壓處理。通過將處理后特征點(diǎn)沉降量差值與涵洞永久設(shè)計(jì)底坡所需的高差進(jìn)行疊加，進(jìn)而得出施工期涵洞各段縱向底坡。此設(shè)計(jì)思路能夠有效避免運(yùn)行期不均勻沉降導(dǎo)致涵洞水力學(xué)條件發(fā)生惡化，進(jìn)而影響涵洞的正常使用，也可為今后類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程與地質(zhì)概況

新疆某平原水庫依托山前洪積扇前沿天然地形，通過東、西、南、北四面筑壩而成。壩頂高程689.00 m，最大壩高18 m，壩軸線長(zhǎng)度約6.0 km，總庫容2 700萬m3。壩頂寬度8.0 m，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2.0。水庫主要建筑物包含水庫大壩、入庫建筑物、供水兼退水閘井、壩下涵洞等。該水庫位于洪積扇前沿的洼地內(nèi)，庫區(qū)地形較平坦，地勢(shì)開闊，總地勢(shì)西高東低，地面高程672.00～688.00 m，地下水位埋深為2.5～11.8 m。水庫庫盤內(nèi)覆蓋層巨厚，巖性主要為第四系全新統(tǒng)～上更新統(tǒng)洪積含土角礫和低液限黏土，夾中-粉細(xì)砂和粉土層。含土角礫和低液限黏土在庫盤內(nèi)分布不均一，其中含土角礫主要分布于西庫盤，低液限黏土廣泛分布于東庫盤。壩下涵洞坐落于水庫東壩段低液限黏土地基上，黏土層巨厚，地勘資料顯示80 m深鉆孔覆蓋層未揭穿。

2 涵洞基礎(chǔ)處理

涵洞基礎(chǔ)采用砂井預(yù)壓法處理，用壩體分期填筑代替分級(jí)加載預(yù)壓過程。根據(jù)合同工期要求，初擬壩體分期填筑過程如下：① 壩體分3期填筑，其中1期填筑高程678.00 m，填筑歷時(shí)90 d，恒載預(yù)壓時(shí)間270 d；2期填筑高程684.00 m，填筑歷時(shí)90 d，恒載預(yù)壓時(shí)間270 d；3期填筑高程689.00 m，加載歷時(shí)90 d ，恒載預(yù)壓時(shí)間180 d。② 預(yù)壓結(jié)束后，在壩體上進(jìn)行涵洞基坑開挖、混凝土澆筑、涵頂壩體填筑等工作。涵洞基礎(chǔ)分級(jí)加載預(yù)壓過程如圖1所示。

圖1 涵洞基礎(chǔ)分級(jí)加載預(yù)壓過程圖

為了提高基礎(chǔ)固結(jié)效率，涵洞基礎(chǔ)布設(shè)砂井進(jìn)行排水。砂井采用普通砂井，平面布置采用正方形布置形式，砂井直徑為0.3 m，砂井間距為2.0 m。本工程由于低液限黏土覆蓋層巨厚，80 m深鉆孔覆蓋層未揭穿。因而本工程砂井采用未打穿砂井，砂井深度結(jié)合施工能力及施工效率確定為25 m。

3 沉降量計(jì)算

3.1 壩基最終沉降量計(jì)算

壩基沉降計(jì)算[7]按照SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E的規(guī)定進(jìn)行：壓縮曲線按照E.1.2的規(guī)定，整理每層土的平均壓縮曲線；壩基任一點(diǎn)的附加應(yīng)力由壩基表面矩形分布荷重和三角形分布荷重所引起的豎向應(yīng)力疊加而得。該附加應(yīng)力按式(1)～(3)計(jì)算：

pz=KTq

(1)

(2)

(3)

式中：pz為壩基任一點(diǎn)的附加應(yīng)力；q為三角形或矩形分布荷重；b為三角形或矩形分布荷重x軸向?qū)挾龋籏T為應(yīng)力系數(shù)，按表E.2.4-1和表E.2.4-2查取。

計(jì)算土層厚度每層取1 m；計(jì)算域深度確定原則如下：壩基附加應(yīng)力等于自重豎向應(yīng)力20%處的深度即為計(jì)算深度。壩基沉降量可用分層總和法按照下式計(jì)算：

(4)

式中：St為壩基總沉降量,mm；ei0第i層的起始孔隙比；eit第i層豎向有效應(yīng)力作用下的孔隙比；hi第i層土層厚度；n土層分層數(shù)。

未經(jīng)處理天然地基的最終沉降量計(jì)算分為2種荷載工況：壩體自重工況、壩體自重+水荷載工況。計(jì)算時(shí)將壩體自重和水荷載劃分成附加應(yīng)力可查表確定的矩形區(qū)域和三角形區(qū)域。壩體橫斷面、涵洞位置、荷載區(qū)域劃分、計(jì)算點(diǎn)選取(計(jì)算點(diǎn)0為庫盤中點(diǎn))等見圖2。

壩體自重、壩體自重+滿蓄水荷載不同荷載工況下天然地基最終沉降量計(jì)算結(jié)果見表1。

圖2 壩體橫斷面、涵洞位置、沉降計(jì)算點(diǎn)及荷載區(qū)域劃分圖

編號(hào)荷載工況計(jì)算點(diǎn)0沉降量/mm計(jì)算點(diǎn)1沉降量/mm計(jì)算點(diǎn)2沉降量/mm計(jì)算點(diǎn)3沉降量/mm計(jì)算點(diǎn)4沉降量/mm計(jì)算點(diǎn)5沉降量/mm1壩體自重-190.04865.341322.81877.15189.462壩體自重+滿蓄水荷載801.34919.261322.181699.451186.91292.86

3.2 預(yù)壓結(jié)束時(shí)刻地基平均固結(jié)度計(jì)算

本工程由于砂井采用未打穿砂井，因而地基固結(jié)度計(jì)算按照未打穿砂井理論分為砂井處理層和砂井底部下臥層。在進(jìn)行固結(jié)度計(jì)算時(shí)，砂井范圍內(nèi)的處理區(qū)地基按砂井貫穿整個(gè)軟土層的方法計(jì)算，取砂井深度作為豎向排水距離；對(duì)于砂井以下的下臥層地基按單面排水的一維固結(jié)理論計(jì)算，并將砂井底面作為排水面。也就是說，處理區(qū)地基按三維固結(jié)計(jì)算，下臥層地基按一維固結(jié)計(jì)算。計(jì)算方法采用改進(jìn)的高木俊介法(建筑地基處理規(guī)范推薦方法)，預(yù)壓結(jié)束時(shí)刻地基各層平均固結(jié)度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 地基各層平均固結(jié)度計(jì)算結(jié)果表

3.3 預(yù)壓后壩基運(yùn)行期沉降量計(jì)算

壩基運(yùn)行期的沉降量通過壩體自重+水荷載引起的天然地基最終沉降量減去砂井預(yù)壓處理掉的沉降量確定。砂井預(yù)壓處理掉的沉降量包含砂井處理層沉降量和砂井底部下臥層沉降量，大小通過上述2層在預(yù)壓荷載下天然地基的最終沉降量與各層在預(yù)壓結(jié)束時(shí)刻的固結(jié)度相乘確定。預(yù)壓后壩基運(yùn)行期沉降量計(jì)算結(jié)果見表3。

4 涵洞縱坡設(shè)計(jì)

4.1 涵洞基礎(chǔ)運(yùn)行期沉降量計(jì)算

本工程壩下涵洞為無壓泄水洞，斷面尺寸確定時(shí)，涵洞過水能力與縱向底坡大小密切相關(guān)，水力學(xué)計(jì)算時(shí)選取的涵洞縱向底坡為1/200(即永久設(shè)計(jì)底坡)。涵洞基礎(chǔ)運(yùn)行期沉降量計(jì)算的目的在于合理設(shè)計(jì)涵洞施工期底坡，避免施工結(jié)束后隨著水庫蓄水涵洞基礎(chǔ)不均勻沉降加劇導(dǎo)致涵洞沿水流向出現(xiàn)逆坡，從而造成涵洞水力學(xué)條件惡化，嚴(yán)重時(shí)影響涵洞的正常使用。因此，本工程涵洞設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)壩基運(yùn)行期各計(jì)算點(diǎn)的沉降量(內(nèi)插或者直接應(yīng)用)求得涵基0+000.000 m、0+017.000 m、0+041.000 m和0+090.000 m處涵洞運(yùn)行期沉降量，涵洞特征樁號(hào)處地基運(yùn)行期沉降量計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 預(yù)壓后壩基運(yùn)行期沉降量計(jì)算結(jié)果表

表4 涵洞特征樁號(hào)處地基運(yùn)行期沉降量表

4.2 涵洞施工期縱向底坡推求

將涵洞特征樁號(hào)處地基運(yùn)行期沉降量進(jìn)行連線，以水平面為參考面對(duì)沉降量連線進(jìn)行鏡像，將沉降量連線鏡像線作為涵洞施工期縱向底坡，則在運(yùn)行期沉降結(jié)束后，涵洞縱向底坡將變?yōu)榱闫?。涵洞永久設(shè)計(jì)底坡為1/200，因此需將沉降量連線鏡像線和永久設(shè)計(jì)底坡1/200所需的涵洞各特征樁號(hào)處的高差進(jìn)行疊加，進(jìn)而根據(jù)疊加后的高差值推求出涵洞施工期縱向底坡,如表5所示。

表5 涵洞施工期縱向底坡推求結(jié)果表

4.3 涵洞在各控制底坡組合下的流速及水面線計(jì)算分析

本工程壩下涵洞為無壓泄水洞，涵洞總長(zhǎng)90 m，設(shè)計(jì)流量為32 m3/s。根據(jù)沉降量計(jì)算結(jié)果將涵洞分為3段進(jìn)行底坡設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)思路(疊加原理)可知，3段涵洞可能出現(xiàn)的永久底坡范圍分別為1/200～1/170、1/200～1/90和1/200～1/70，即運(yùn)行期沉降量達(dá)到計(jì)算值時(shí)涵洞底坡為最小值，沉降量為0時(shí)涵洞底坡為最大值。現(xiàn)通過計(jì)算3段底坡均為1/200和3段底坡分別為1/170、1/90、1/70兩種不同組合工況下涵洞通過設(shè)計(jì)流量時(shí)的水面線來驗(yàn)算涵洞底坡設(shè)計(jì)的合理性和運(yùn)行的安全性。水面線計(jì)算結(jié)果分別如表6、7所示。

表6 涵洞底坡為組合1工況下的水面線計(jì)算表

表7 涵洞底坡為組合2工況下的水面線計(jì)算表

通過涵洞在各控制底坡組合下的流速及水面線計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn)，在各種底坡組合下涵洞過流能力均能滿足要求；涵洞沿程各斷面最大流速均遠(yuǎn)小于高速水流的下限值15 m/s，因而各斷面襯砌結(jié)構(gòu)均不會(huì)發(fā)生空蝕破壞等情況；涵洞每10 m設(shè)置1道結(jié)構(gòu)縫，每個(gè)結(jié)構(gòu)縫之間均布置了混凝土地墊梁，一定程度避免了縱向不均勻沉降導(dǎo)致涵洞漏水產(chǎn)生接觸面沖刷破壞。此外，為了確保穿壩涵洞運(yùn)行的安全性，涵洞結(jié)構(gòu)縫之間采用了雙層止水，分別為內(nèi)層的銅片止水和外層的橡膠止水。

5 結(jié) 語

文章結(jié)合新疆某平原水庫工程，在考慮運(yùn)行期涵洞基礎(chǔ)不均勻沉降影響因素下，對(duì)軟土地基上的壩下涵洞進(jìn)行了縱向底坡設(shè)計(jì)，通過分析計(jì)算可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 軟基上的此類壩下供水、泄水建筑物，在縱向底坡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮運(yùn)行期建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降特性；

(2) 為了避免運(yùn)行期不均勻沉降導(dǎo)致此類水工建筑物沿水流方向出現(xiàn)逆坡情況的發(fā)生，進(jìn)而影響建筑物的正常使用和運(yùn)行安全，底坡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將水流向的不均勻沉降差與永久設(shè)計(jì)底坡所需的高差進(jìn)行疊加，根據(jù)疊加后的綜合高差推求出合理的施工期縱向底坡；

(3) 當(dāng)運(yùn)行期建筑物的實(shí)際沉降量小于理論計(jì)算值時(shí)，此時(shí)建筑物的實(shí)際縱向底坡值均大于建筑物的永久設(shè)計(jì)底坡，而且各段底坡值沿水流向在逐漸增大，建筑物內(nèi)不會(huì)發(fā)生水躍，也能確保在設(shè)計(jì)流量下建筑物的運(yùn)行安全；

(4) 為了確保建筑物運(yùn)行期正常使用，施工期設(shè)計(jì)底坡的取值應(yīng)比計(jì)算取值稍大，預(yù)留合理的安全余量。