水利樞紐廠房整體抗滑穩(wěn)定及地基應(yīng)力分析

朱守虎

【摘要】在我國社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的過程中，水利工程建設(shè)具有重要意義，是開發(fā)利用水資源的重要基礎(chǔ)設(shè)施。在水利工程建設(shè)過程中，水利樞紐廠房是一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)施，所以必須做好整體抗滑穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，并對地基應(yīng)力進(jìn)行妥善處理，從而保證水利樞紐廠房具有良好的抗滑性和穩(wěn)定性，確保水利樞紐使用安全，是全面提高水利工程建設(shè)質(zhì)量的有效方式。因此，本文將對水利樞紐廠房整體抗滑穩(wěn)定及地基應(yīng)力方面進(jìn)行深入地研究與分析，并結(jié)合具體工程案例對其采用的施工技術(shù)進(jìn)行分析，旨在進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)方案質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】水利樞紐廠房;整體抗滑性;穩(wěn)定性;地基應(yīng)力;設(shè)計(jì)優(yōu)化

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.12.052

引言：

在水利工程建設(shè)過程中，受到工程環(huán)境特殊性的影響，水利樞紐廠房在使用過程中需要承受較多的應(yīng)力，比如下游水位以及水利樞紐廠房內(nèi)的水壓力等，整體受力情況較為復(fù)雜，所以為了保證水利樞紐廠房質(zhì)量，在工程設(shè)計(jì)階段必須做好應(yīng)力分析，從而提升水利樞紐廠房整體抗滑穩(wěn)定性以及抗浮穩(wěn)定性及安全性。為此，本文結(jié)合H市某水利工程，對其水利樞紐廠房的設(shè)計(jì)方案以及具體實(shí)施方式進(jìn)行全面闡述。

1、水利樞紐廠房建設(shè)工程概況

H市某水利工程中，水利樞紐廠房建設(shè)在大壩壩腳區(qū)域，整體結(jié)構(gòu)為河床式廠房。該水利工程閘壩的最大流量設(shè)計(jì)為3370m3/s，水電站樁基容量為2200kW，按照國家相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，本次水利樞紐工程為大型水閘，電閘為小型水電站，工程級別為2級，主要建筑物為2級，上游和下游防洪建筑物以及次要建筑物為三級，水電站擋水區(qū)域建筑物為二級建筑物，其他都為五級建筑物。水利樞紐廠房為河床式發(fā)電廠房，最大擋水高度設(shè)計(jì)不超過15m，上游和下游水頭高度差要求不低于10m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇（P=3.33%），校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇（P=1.0%）。電站工程區(qū)域兩岸岸坡陡緩不均勻，地形高低不對稱，工程右岸山體相對高度差超過230m，山頂為三級剝夷面，左岸山地相對高度差超過60m，山頂為四級剝夷面，對本次工程會產(chǎn)生影響的基巖滑坡較多，主要包括右岸的HP1、HP2、HP3以及HP6四個(gè)規(guī)模較大的滑坡，以及左岸的HP4滑坡。其中HP1滑坡規(guī)模較大，處于壩址右岸下游，整體為基巖順層滑動(dòng)構(gòu)成的不穩(wěn)定體，如果將該水利樞紐廠房建設(shè)在右岸，需要對右岸進(jìn)行開挖施工，那么在開挖后將對右岸邊坡產(chǎn)生很大影響，需要采用大規(guī)模的加固處理方式，整體處理難度較大，存在較多的不穩(wěn)定因素和不確定因素，安全隱患較多，工程整體控制難度較大，所以經(jīng)過多方分析，需要將該水利樞紐廠房建設(shè)在大壩左岸區(qū)域[1]。

2、水利樞紐廠房建設(shè)工程地質(zhì)條件分析

為了全面落實(shí)本次水利樞紐廠房建設(shè)工程，相關(guān)單位在前期開展了細(xì)致的地質(zhì)勘察工作。根據(jù)地質(zhì)勘察資料表明，本次水利樞紐廠房工程區(qū)域的地表殘坡積碎石土承載力難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要將其進(jìn)行全部清除，下伏強(qiáng)化清灰、灰黑色薄層狀粉砂巖夾細(xì)巖，整體強(qiáng)度較高，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。因?yàn)楸敬喂こ滩糠珠_挖需要在地下水位以下施工，在開挖過程中靠近河床下游的區(qū)域邊墻碎石土層可能會發(fā)生滲水問題，在河床的影響下容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性變形，導(dǎo)致基坑邊坡穩(wěn)定性不足;強(qiáng)風(fēng)化巖體巖層傾向山內(nèi)偏上游，同時(shí)水利樞紐廠房基礎(chǔ)埋深較大，所以不存在基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定性問題;根據(jù)工程裂隙組合的勘察資料顯示，沒有不利于結(jié)構(gòu)面組合的區(qū)域，開挖邊坡較為穩(wěn)定[2]。因此，在工程方案設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)方案中將強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖夾細(xì)砂巖作為基礎(chǔ)持力層;水利樞紐廠房基坑邊坡需要進(jìn)行整體性加固和防滲處理，山內(nèi)側(cè)邊坡錨桿需要適當(dāng)延長;水利樞紐廠房開挖邊坡比設(shè)計(jì)為：第四系碎石土水位以上設(shè)計(jì)為1：1.0-1：1.25;下伏基巖設(shè)計(jì)為1：0.5-1：0.75。在水利樞紐廠房基坑開挖過程中，需要做好排水工作，采用抽水機(jī)隨時(shí)進(jìn)行排水。

3、水利樞紐廠房基礎(chǔ)處理以及整體抗滑穩(wěn)定性分析

3.1廠房整體抗滑穩(wěn)定性分析

本次工程為河床式水電站，主廠房需要用于擋水，所以主廠房建設(shè)需要對其基面抗滑穩(wěn)定性（抗剪斷和抗剪強(qiáng)度）、基坑應(yīng)力以及廠房抗浮穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。電站廠房為壩后式地面廠房，廠房基礎(chǔ)基本為弱風(fēng)化石英片夾微晶片巖，巖石較為堅(jiān)硬，盡管發(fā)育層間擠壓破碎帶，但是整體較為完整，Kv=0.6-0.8.巖石強(qiáng)度較高，f’=0.8-0.9，c’=0.7-0.9MPa;基礎(chǔ)下方具有局部結(jié)構(gòu)夾泥，但是不具有出現(xiàn)深層滑動(dòng)的可能，所以該水利樞紐廠房滑動(dòng)需要按照混凝土和基巖結(jié)合面作為滑動(dòng)面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

在上述公式中，K’表示為按照抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)，基本組合超過3，特殊組合超過2.5;f’表示滑動(dòng)面上的抗剪斷摩擦系數(shù);c’表示滑動(dòng)面上的抗剪斷凝聚力，104MPA;A表示基礎(chǔ)面受壓區(qū)域的截面積，單位為平方米;∑w表示全部荷載對于滑動(dòng)面的法向分布，主要包括揚(yáng)壓力，取104MPa;∑P表示所有荷載對于滑動(dòng)面的切向分布數(shù)值，主要包括揚(yáng)壓力，取104MPa?？垢》€(wěn)定性計(jì)算公式為：

在上述公式中，Kf表示抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)，在所有情況下都不能低于1.1;∑w表示機(jī)組段的全部重量作用力，單位為kN;U表示作用在機(jī)組段的所有揚(yáng)壓力綜合，單位為kN。

在對本次工程的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算過程中，需要按照基本荷載組合和特殊荷載組合的情況進(jìn)行考慮。首先，基本荷載組合的計(jì)算，主要包括兩種情況，即：（1）正常運(yùn)行的設(shè)計(jì)洪水水位的情況，荷載類別包括結(jié)構(gòu)自重、永久設(shè)備重量、水重量、回填土重量、靜水壓力、揚(yáng)壓力以及土壓力。（2）正常運(yùn)行的設(shè)計(jì)尾水位情況，荷載類別主要包括結(jié)構(gòu)自重、永久設(shè)備重量、水重量、回填土重量、靜水壓力、揚(yáng)壓力以及土壓力[3]。

在特殊荷載組合計(jì)算中，主要包括以下幾種情況：（1）機(jī)組檢修的設(shè)計(jì)尾水位情況，需要計(jì)算一臺機(jī)組重量，其荷載類別主要包括結(jié)構(gòu)自重、永久設(shè)備重量（機(jī)組重量）、水重量、回填土重量、靜水壓力、揚(yáng)壓力以及土壓力。（2）非常運(yùn)行的校核洪水位情況，其荷載類別主要包括結(jié)構(gòu)自重、永久設(shè)備重量、水重量、回填土重量、靜水壓力、揚(yáng)壓力以及土壓力。（3）地震的設(shè)計(jì)尾水位情況，其荷載類別主要包括結(jié)構(gòu)自重、永久設(shè)備重量、水重量、回填土重量、靜水壓力、揚(yáng)壓力、土壓力以及地震作用力。（4）機(jī)組沒有安裝的設(shè)計(jì)洪水位情況，荷載類別主要包括結(jié)構(gòu)自重、水重量、回填土重量、靜水壓力、揚(yáng)壓力以及土壓力。在抗浮計(jì)算過程中，主需要考慮到機(jī)組檢修、非常運(yùn)行以及機(jī)組沒有安裝三種條件。根據(jù)結(jié)合具體參數(shù)的計(jì)算，該結(jié)構(gòu)自重、永久設(shè)備重量、水重量、回填土重量、靜水壓力、揚(yáng)壓力以及土壓力，該水利樞紐廠房的抗滑及抗浮穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如下表1所示。

通過上述表格的計(jì)算結(jié)果可以明確，抗滑穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)最小值為6.71，超過相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的2.5;抗浮穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)最小值為1.36，超過相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的1.1。由此可見，該水利樞紐廠房的抗滑以及抗浮穩(wěn)定計(jì)算都滿足規(guī)定要求。

4、水利樞紐廠房地基應(yīng)力分析

在本次工程中，水利樞紐廠房分為檢修段和主機(jī)段兩個(gè)區(qū)域，通過水利樞紐廠房結(jié)構(gòu)和布置方式可以明確主機(jī)段的地基應(yīng)力最大。為此，在對主機(jī)段的地基應(yīng)力計(jì)算時(shí)，可以采用公式為：

在該公式中，∑G表示向下的垂直力總和;Wφ表示場壓力;∑M表示全部水流方向荷載對于地基產(chǎn)生離距的代數(shù)和;B表示計(jì)算區(qū)域垂直水流方向底板寬度;L表示計(jì)算區(qū)域基礎(chǔ)底板順?biāo)鞣较虻拈L度。通過采用上述計(jì)算方式，對荷載組合與抗滑及抗浮穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如下表2所示。

通過上述計(jì)算結(jié)果可以看出，在不同的工況條件以及壓力條件下， 水利樞紐廠房地基最大應(yīng)力都處于0.2-0.3MPa的允許范圍內(nèi);在沒有揚(yáng)壓力的情況下，水利樞紐廠房地基應(yīng)力會增加0.2MPa-0.3MPa，依然符合地基承載力允許規(guī)定，從而說明該水利樞紐廠房的地基承載力能夠滿足相關(guān)需求，都低于0.2MPa，符合國家相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)[4]。

5、水利樞紐廠房地基以及邊坡處理優(yōu)化措施分析

通過上文的分析可以看出，本次水利樞紐廠房建設(shè)中，抗滑穩(wěn)定性技術(shù)以及地基應(yīng)力都能夠滿足相關(guān)要求規(guī)定，所以工程設(shè)計(jì)方案可以實(shí)施。在考慮到水利樞紐廠房施工對于周圍影響的情況下，需要對工程具體實(shí)施方案進(jìn)行優(yōu)化。因此，結(jié)合本次工程實(shí)際情況，提出如下幾項(xiàng)有效的優(yōu)化措施：

5.1水利樞紐廠地基處理優(yōu)化

按照地址勘察分析，水利樞紐廠房所處區(qū)域的地質(zhì)結(jié)果較為簡單，表層沙壤土為4.2m厚度，砂卵礫石層厚度為4m，碳質(zhì)砂巖夾層露出高程為1107.1m;基層強(qiáng)風(fēng)化厚度為2.0m，巖石強(qiáng)度適中，基層弱風(fēng)化巖層巖石硬度較高，強(qiáng)度適中，在充分考慮到水利樞紐廠房地基高層的情況下，弱風(fēng)化基巖地基承載力設(shè)計(jì)為δ允許承載力=250kPa，強(qiáng)風(fēng)化基巖地基承載力設(shè)計(jì)為δ允許承載力=200kPa。

5.2邊坡處理措施

本次工程中水利樞紐廠房受到位置和地形的限制，在開挖后會產(chǎn)生一定高度的邊坡。因此，在對水利樞紐廠房進(jìn)行布置時(shí)，需要充分考慮到山體挖側(cè)移動(dòng)情況，并對水利樞紐廠房布置情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而盡量降低邊坡開挖高度。邊坡高出河床40m左右的區(qū)域?yàn)?5°陡崖，基巖呈現(xiàn)裸露狀態(tài)，主要為石英片夾微晶片巖;山坡上部區(qū)域坡度較緩，鋪地為15°左右，地面覆蓋10m第三系沙土，下部受到斷裂帶的影響，巖石破碎情況較為嚴(yán)重，能夠明顯觀察到斷層泥、角礫巖以及壓碎巖等，且?guī)r石具有一定的膠結(jié)性，產(chǎn)狀較為平緩，巖層呈現(xiàn)薄層狀態(tài)。山體為反向破結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀對于山坡開挖具有一定有利條件。水利樞紐廠房受到斷裂帶的影響，邊坡高度較高，邊坡巖石包括壓碎巖、角礫巖以及斷層泥構(gòu)成，巖層具有一定的自穩(wěn)能力，整體強(qiáng)度適中，但是如果不對其進(jìn)行特殊處理，會容易出現(xiàn)邊坡不穩(wěn)定的問題[5]。

水利樞紐廠房平臺高度為1119.60m，到安裝間端部預(yù)留3m的寬度施工空間后進(jìn)行起坡施工，如果根據(jù)地質(zhì)建議的坡比進(jìn)行開挖施工，則需要開挖的工程量較大，經(jīng)過深入分析后，決定采用1：0.75的坡比進(jìn)行起坡施工，每10m處高一臺，每臺寬度設(shè)計(jì)為1.5m，分3臺削坡到1150m的高承重，并預(yù)留9m欒杜用于公路建設(shè)，公路按照1：0.75向上進(jìn)行削坡，每10m出高一臺，分為3臺削坡后則能夠與地形線緘滅，最上面的一臺因?yàn)槭窍鞒吰赂采w層，坡度放緩到1：1;在安裝間回車場下游區(qū)域只有尾水建筑物，同時(shí)邊坡基巖受到斷裂帶影響較小，所以邊坡的坡度相對更陡，從1：0.75過渡到1：0.5，最后設(shè)計(jì)為1：0.3與公路相連接;沿著1150m上壩公路修筑高度為2m的混凝土邊坡?lián)鯄Γ瑥亩軌蚍乐惯吰聺L石，保障行車安全;永久邊坡高度最高設(shè)計(jì)為80m，大部分高度為50-60m，在考慮到1150m高程公路對于邊坡的分割影響后，高爐以下的邊坡高度設(shè)計(jì)為30m，公路以上邊坡設(shè)計(jì)為20-50m，除了最上面的兩臺需要開挖到覆蓋層邊坡區(qū)域，采用漿砌石貼坡支護(hù)方式之外，其他邊坡都采用掛網(wǎng)噴錨支護(hù)措施。

在掛網(wǎng)噴錨施工技術(shù)應(yīng)用過程中，掛網(wǎng)噴錨邊坡支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛，主要是因?yàn)樵撝ёo(hù)技術(shù)施工環(huán)節(jié)較少、技術(shù)簡單且需要的成本較低，所以具有良好的適用性。在本次水利樞紐廠房的邊坡支護(hù)施工過程中，噴錨網(wǎng)施工技術(shù)的應(yīng)用流程為：施工人員將土釘固定在邊坡結(jié)構(gòu)中的準(zhǔn)確位置，對該區(qū)域進(jìn)行灌漿作業(yè)，在灌漿作業(yè)完成后，對混凝土強(qiáng)度等性能進(jìn)行檢測，判斷是夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如果不能滿足則對灌漿混凝土進(jìn)行強(qiáng)化，如果滿足要求則開展后續(xù)施工。通過與邊坡實(shí)際情況的結(jié)合，掛網(wǎng)噴錨邊坡支護(hù)方式取得良好的效果，使得邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步提升，是提高本次水利樞紐廠房整體工程質(zhì)量的關(guān)鍵措施。在經(jīng)過整體優(yōu)化后，本次水利樞紐廠房建設(shè)工程效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，抗滑穩(wěn)定性、地基應(yīng)力以及邊坡穩(wěn)定性等，都符合國家相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)，說明設(shè)計(jì)方案以及具體技術(shù)優(yōu)化措施取得良好效果。

結(jié)語：

綜上所述，本文結(jié)合H市某水利樞紐廠房工程的具體案例，對其抗滑及抗浮穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，同時(shí)對地基應(yīng)力進(jìn)行全面分析，最后提出多項(xiàng)有效的施工技術(shù)優(yōu)化措施，結(jié)果證明該水利樞紐廠房設(shè)計(jì)抗滑穩(wěn)定性技術(shù)和地基應(yīng)力都能夠滿足相關(guān)規(guī)定要求，說明本次工程設(shè)計(jì)方案具有良好的效果，能夠全面提高水利樞紐廠房建設(shè)質(zhì)量，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)水利工程建設(shè)起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高我國水利工程建設(shè)質(zhì)量。

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