興稷水庫(kù)導(dǎo)流泄洪閘穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算及處理措施

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 山西太原 030024）

1 工程概況

興稷水庫(kù)壩址位于稷山縣馬壁峪西澗河道上。壩址以上控制流域面積338.8 km2，總庫(kù)容230.88萬(wàn)m3，為?。á瘢┬退畮?kù)，30年一遇設(shè)計(jì)，300年一遇校核；該壩為碾壓均質(zhì)土壩，壩高15.50 m，壩長(zhǎng)262.50 m。

導(dǎo)流泄洪閘布置在水庫(kù)大壩右側(cè)，進(jìn)口布置在大壩上游主河槽內(nèi)。由進(jìn)口引渠段、上游鋪蓋段、閘室段、消力池段和海漫段五部分組成。閘室段順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)27 m，采用C25鋼筋混凝土整體式閘室結(jié)構(gòu)，閘孔凈寬3×3.5 m，閘室段上游布置檢修閘門(mén)、下游布置弧形工作閘門(mén)。底板厚2.5 m，閘墩高15.6 m，中墩厚2.0 m，邊墩為重力式擋墻斷面，頂寬1.0 m，背坡為1∶0.25。閘室上、下游均設(shè)齒槽，上游深6.5 m，下游深6.0 m，底寬1.5 m，內(nèi)側(cè)坡度為 1∶0.5。

工程平面布置如圖1所示。

2 導(dǎo)流泄洪閘穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

2.1 穩(wěn)定計(jì)算

1）荷載及其組合

荷載:水閘自重；靜水壓力；揚(yáng)壓力；浪壓力；冰壓力；地震力；冰壓力。荷載組合表見(jiàn)表1。

2）閘室建基面抗滑穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265—2001）規(guī)定，閘基面抗滑穩(wěn)定按抗剪公式進(jìn)行計(jì)算。公式如下:

式中:K——泄洪閘沿建基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f——泄洪閘與建基面之間的摩擦系數(shù)，取f=0.35；

ΣG——作用于泄洪閘上的全部荷載對(duì)滑動(dòng)面的垂直分量，kN；

圖1 興稷水庫(kù)工程平面布置圖

表1 閘室穩(wěn)定計(jì)算的荷載組合

ΣH——作用于泄洪閘上的全部荷載對(duì)滑動(dòng)面的平行分量，kN。

泄洪閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K在基本組合時(shí)取1.2，特殊載組合（Ⅰ）時(shí)取1.05，特殊組合（Ⅱ）時(shí)取1.0。

計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 閘室建基面抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

計(jì)算結(jié)果表明，計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，泄洪閘抗滑滿(mǎn)足要求。

2.2 閘基應(yīng)力計(jì)算

泄洪閘基底應(yīng)力計(jì)算按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，采用下式計(jì)算:

表2 閘基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

ΣG——作用在泄洪閘上全部豎向荷載，kN；

A——泄洪閘基底面面積，m2；

ΣM——作用在泄洪閘上的全部荷載對(duì)于基底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m；

W——泄洪閘基底面對(duì)于垂直水流方向的對(duì)形心軸的截面矩，m4。

根據(jù)規(guī)范要求，在各種荷載組合情況下，泄洪閘閘室平均基地應(yīng)力小于等于地基允許承載力；最大基地應(yīng)力應(yīng)小于等于地基允許承載力的1.2倍；對(duì)于中等堅(jiān)實(shí)閘基土，基地應(yīng)力最大值最小值之比的允許值:基本組合不大于2.0，特殊組合不大于2.5。

閘室基地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 閘基垂直應(yīng)力計(jì)算成果表

從表中可見(jiàn)，各種工況下，基本組合最大最小應(yīng)力比值σmax/σmin最大值為1.98，滿(mǎn)足規(guī)范要求，特殊組合最大最小應(yīng)力比值σmax/σmin最大值為2.33，滿(mǎn)足規(guī)范要求。閘室基底面平均應(yīng)力σ最大值為219.26 kPa，最大應(yīng)力 σmax為 241.78 kPa，最小應(yīng)力σmin為 104.27 kPa。

由地質(zhì)資料可知，閘室地基土允許承載力第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）低液限黏土為160 kPa，地基承載力不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)基底進(jìn)行加固處理。

3 閘室復(fù)合地基承載力計(jì)算

3.1 閘室段工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)資料，閘基地基分三層:主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）低液限黏土、級(jí)配良好礫及第四系上更新統(tǒng)洪沖積（Q3pal）低液限黏土層。其中（Q4pal）低液限黏土主要分布于河床中，淺灰色，濕，稍密，中壓縮性，局部含少量云母碎屑及鐵銹斑點(diǎn)，該層厚7.5～11.5 m，層底深度 16.5～18.0 m，承載力特征值為160 kPa。下部為第四系上更新統(tǒng)洪沖積（Q3pal）低液限黏土主要分布于整個(gè)河床下部，淺黃色，淺灰色，濕，密實(shí)，中壓縮性，局部含少量云母碎屑及鐵銹斑點(diǎn)，承載力特征值200 kPa，該層在勘探深度30.0 m范圍內(nèi)已揭露最大厚度13.5 m。

考慮由第②層第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）低液限黏土作為持力層，采用高壓旋噴樁復(fù)合地基提高地基承載力，并對(duì)其下低液限黏土層進(jìn)行地基承載力修正計(jì)算。

3.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算

根據(jù)《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》（GB/T50783-2012），單樁抗壓承載力特征值計(jì)算采用下列兩公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果取小值。

式中:Ra——單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；

up——樁的截面周長(zhǎng)，樁徑1 m，計(jì)算得3.14 m；

n——樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)，設(shè)計(jì)為2層；

qsi——第i層的樁側(cè)摩阻力特征值，kPa；低液限黏土層取15 kPa；

li——第i層土的厚度，土層厚21.0 m。

α——樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)規(guī)范《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）7.3.3條第 3 款 0.4～0.6，取值 0.5；

qp——樁端地基土未修正的承載力特征值，單位，kPa；根據(jù)地質(zhì)資料，按照最大承載能力160 kPa，設(shè)計(jì)取130 kPa。

Ap——單樁截面積，設(shè)計(jì)樁徑采用1.0 m，計(jì)算得0.785 m2；

η——樁體強(qiáng)度折減系數(shù)，根據(jù)規(guī)范《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》（GB/T50783-2012）7.2.4條，可取值0.33；

fcu——樁體抗壓強(qiáng)度平均值，kPa；參照相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，取值2 MPa。

計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算公式為:

式中:βp——樁體豎向抗壓承載力修正系數(shù)，根據(jù)規(guī)范初步取1.0；

m——復(fù)合地基面積置換率，取值0.227；

Ra——單樁豎向抗壓承載力特征值，計(jì)算得518.1 kPa；

Ap——單樁截面積，m2；設(shè)計(jì)樁徑采用1.0 m，計(jì)算得 0.785 m2；

βs——樁間土基承載力修正系數(shù)，根據(jù)規(guī)范初步取0.5。

fsk——樁間土地基承載力特征值，天然土層為120kPa，提高系數(shù)取1.1，計(jì)算得132kPa；

圖3 泄洪閘剖面圖

復(fù)合地基承載力的基礎(chǔ)寬度承載力修正系數(shù)取0；基礎(chǔ)埋深的承載力修正系數(shù)應(yīng)取1.0。修正后的復(fù)合地基承載力特征值（fa）應(yīng)按下式計(jì)算:

式中:fspk——復(fù)合地基承載力特征值，單位，kPa；計(jì)算得200.8 kPa；

γm——基底面以上全部土層的加權(quán)平均重度，單位，kN/m3；取 17.7；

D——基礎(chǔ)埋置深度，m；取4.0 m。

根據(jù)以上公式計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算表

由計(jì)算可知，pk≤fa，Pkmax≤1.2×fa，因此復(fù)合地基承載力滿(mǎn)足要求。

3.3 下臥層地基承載力計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)條件，卵石混合土層下部為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）低液限黏土層，應(yīng)對(duì)此下臥層進(jìn)行承載力驗(yàn)算。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，軟弱下臥層承載力公式:

式中:pz——軟弱下臥層頂面的附加壓力值，kPa；

pcz——軟弱下臥層頂面地基土的自重壓力值，為202.8 kPa；

faz——軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值，為305.3 kPa；

pk——基底平均最大應(yīng)力，計(jì)算得219.3 kPa；

pc——基礎(chǔ)底面處土的自重壓力值，為200kPa；

z——基礎(chǔ)底面至軟弱下臥層頂面的距離，為30 m；

θ——地基壓力擴(kuò)散線(xiàn)與垂直線(xiàn)的夾角，根據(jù)規(guī)范查表為23.3°；

b——矩形基礎(chǔ)底面的寬度，為23.7m；

l——矩形基礎(chǔ)底面的長(zhǎng)度，為27 m；

計(jì)算得軟弱下臥層修正后地基承載力特征值見(jiàn)表5。

表5 軟弱下臥層修正后地基承載力特征值表

由計(jì)算可知，軟弱下臥層地基承載力大于附加應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

閘室底板下采用100 mm厚C15素混凝土墊層，為提高地基承載力，閘室段基礎(chǔ)下增設(shè)水泥土高壓旋噴樁復(fù)合地基，處理范圍為閘室基礎(chǔ)邊緣外擴(kuò)3 m，樁長(zhǎng)12.0 m，樁徑1.0 m，樁間距2.0 m，正三角形布置。以第②層第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）低液限黏土作為樁端持力層。