李文君，張文友

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

1 工程概況

南拒馬河倒虹吸是南水北調(diào)中線京石段應急工程中的一座大型穿河建筑物，位于河北省淶水縣八岔溝北與北橫岐北的南拒馬河上，建筑物起止樁號220+794.32～221+602.32，全長808m，相應口門寬度為600m，建筑物等級為1級；設計流量60m3/s，加大流量70m3/s，倒虹吸進出口段渠道縱坡1/25000，底寬7.5m，邊坡1∶2.5，水深4.3m。防洪標準為河道100a一遇洪水設計，300a一遇洪水校核；建筑物地震設計烈度為7°。倒虹吸上游渠底高程56.676m，設計水位60.976m，加大水位61.114m；下游渠底高程56.43m，設計水位60.73m，加大水位60.869m。

南拒馬河交叉斷面河床底高程58.7m，布置建筑物后100a一遇洪峰流量5174m3/s，相應洪水位63.91m；300a一遇洪峰流量7153m3/s，相應洪水位64.37m；汛前施工期即枯水期20a一遇洪水流量140m3/s，相應洪水位60.63m。

南拒馬河倒虹吸主體工程由進口漸變段、進口檢修閘段、管身段、出口工作閘段及出口漸變段5部分組成。

進口漸變段長40m，分離底板鋼筋混凝土結構，底寬7.5～11.4m，底板高程56.68～54m；兩側邊墻為直線扭曲面，上游始端為貼坡式擋土墻，最大邊坡1∶2.5；末端為直壁半重力式擋土墻。進口漸變段一級馬道高程62.48m，堤頂高程66.5m。

進口檢修閘室長10m，開敞式鋼筋混凝土整體結構2孔，每孔凈寬5.1m，設疊梁式檢修閘門，底板高程54m。

管身段由進口斜坡段、水平管身段和出口反坡段三部分組成，長度分別為38，600，40m，管身均為兩孔一聯(lián)的鋼筋混凝土箱形結構，單孔過水斷面5.1m×5.1m，水平管身底高程47.2m。

出口工作閘室長20m，2孔，每孔凈寬5.1m，設弧型工作鋼閘門和疊梁式檢修閘門，底板高程54.53m。

出口漸變段長60m，結構型式同進口漸變段，底板高程54.53～56.43m，一級馬道高程62.18m，堤頂高程67.2m。

倒虹吸上、下游總干渠均為挖方渠段，梯形斷面，設計底寬7.5m，邊坡系數(shù)2.5，縱坡1/25000，現(xiàn)澆混凝土襯砌。

2 工程地質(zhì)條件

建筑物區(qū)域?qū)偬猩綎|麓緩丘陵與山前傾斜平原過渡地帶。南拒馬河自北流向南，河床及漫灘寬200m，其中主河床寬40m；左岸漫灘寬100m；右岸漫灘受河流侵蝕較窄。漫灘兩側普遍分布一級階地，地面高程61.4～63.7m。

建筑物區(qū)域地質(zhì)為土巖多層結構，由第四系卵石層、黃土狀砂壤土、粘土及強風化白云質(zhì)灰?guī)r與砂質(zhì)頁巖互層等組成。建基面范圍除管身段局部分布有小片的透鏡體狀中粗砂、礫砂外，大部為卵石層。卵石的磨圓度較好，其中漂石占10%，主要成分為石英砂巖和灰?guī)r。卵石層分布連續(xù)穩(wěn)定，含水量5.6%～18.6%，濕密度2.2～2.58g/cm3，干密度2.1～2.17g/cm3，內(nèi)摩擦角33°，變形模量25kPa，地基承載力400kPa。卵石層具有較強透水性，滲透系數(shù)260m/d，相應于國際標準單位3×10-1cm/s。地下水位枯水期一般在35.0m以下，汛期升至50～52m。

3 設計中存在的重大技術問題

本工程具有兩大特點：一是地基為厚度較大的卵石層，另一個是河道洪水位較高。隨之帶來的兩個技術問題就是地基滲漏問題和建筑物抗浮穩(wěn)定問題。對于建筑物的滲漏問題，一般采用結構措施比如控制混凝土裂縫的產(chǎn)生、加強施工縫和沉降縫止水等方法，可以得到解決；而對于建筑物抗浮穩(wěn)定問題的解決要復雜得多，尤其是對于進出口漸變段，南拒馬河交叉斷面布置建筑物后100a一遇洪水位為63.91m，高于進出口渠底7.23～7.48m，因其處于挖方渠段，本身又是分離底板結構，河道洪水透過孔隙較大的卵石直接作用在底板底部。因此解決倒虹吸進出口漸變段的抗浮穩(wěn)定問題成為工程設計的重點技術課題。

4 進出口漸變段抗浮穩(wěn)定驗算

4.1 計算方法和計算模型

進出口漸變段是沿程呈變斷面的非規(guī)則棱柱形輸水槽，不但兩側邊坡沿軸線在不斷變化，而且底板高程也在變化。若將該段做為整體計算其難度是相當大的，因此仍采用傳統(tǒng)的結構力學法即切割剖面法進行計算。在同樣水頭作用下，影響結構抗浮穩(wěn)定的因素是結構布置高程和結構自重。對于底板而言，由于緊臨閘室一端高程較低，底部承受的揚壓力較大，抗浮穩(wěn)定性較差。對于扭曲面護坡而言，由于遠離閘室一端厚度較薄，自重較小，抗浮穩(wěn)定性也較差。綜合考慮，應將緊臨閘室一端的底板和遠離閘室一端扭曲面護坡做為重點研究對象。

4.2 計算工況分析

根據(jù)工程運行情況及工程主管部門要求，為保護總干渠建筑物的安全，在全線通水前要求渠道預留不小于1.0m的水深，以防因地基凍脹導致結構沉陷、隆起等變形破壞現(xiàn)象的發(fā)生。因此進出口漸變段抗浮穩(wěn)定計算進行了4種不利工況的分析比較。

（1）總干渠設計水位+河道100a一遇洪水位的工況，在該工況條件下，總干渠內(nèi)外的水位差為2.93～3.18m；

（2）總干渠1.0m水深+河道100a一遇洪水位工況，此時總干渠內(nèi)外的水位差為6.23～6.48m。

（3）總干渠加大水位+河道300a一遇洪水位的工況，在該工況條件下，總干渠內(nèi)外的水位差為3.26～3.51m。

（4）總干渠建成無水+河道枯水期20a一遇洪水位的工況，在該工況條件下，總干渠內(nèi)外的水位差分別為：遠離閘室一端為3.95～4.20m，緊鄰閘室一端為6.63～6.88m。

比較上述4種工況下總干渠內(nèi)外水位差不難發(fā)現(xiàn)，其中以第2種工況對結構抗浮穩(wěn)定最為不利，故以此作為控制計算工況。

4.3 抗浮穩(wěn)定狀況分析

根據(jù)現(xiàn)有工程結構布置情況，進出口漸變段采用分離式鋼筋混凝土結構，在控制計算工況條件下進出口漸變段底板所受到揚壓力達24704～36057kN，遠大于底板自重+水重11113～15462kN，不能滿足抗浮穩(wěn)定要求。而對于遠離閘室一端的扭曲面護坡在同樣條件下承受的揚壓力呈梯形分布，進出口漸變段兩側翼墻所受揚壓力為40280～62845kN，均大于護坡自重+水重27834～41751kN，也不能滿足抗浮穩(wěn)定要求。

5 抗浮穩(wěn)定措施方案

滿足建筑物抗浮穩(wěn)定的措施有3個對策方案：第1方案加大底板厚度，使其自身重量+水重大于底部所承受的揚壓力；第2方案在底板底部增設抗拔樁以分擔所承受的揚壓力；第3方案采用換基措施即將地基表層強透水的卵石層換成滲透系數(shù)較小的礫石土，以形成防滲體削減底部揚壓力。

5.1 加厚底板方案設計

式中 δ為漸變段底板的厚度（m）；k為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取k=1.1；H1為河道100a洪水位（m），在控制工況條件下H1=63.91m；H0為總干渠水位（m），H0=57.68m；γ0為混凝土容重（kN/m3），γ0=25kN/m3。

將上述各參數(shù)代入（1）式，得到δ=4.89～5.09m。也就是說，只有當漸變段底板厚度增加到4.89～5.09m時才能滿足抗浮穩(wěn)定要求，為此需增加土方開挖6850m3，混凝土量6850m3。該方案投資估算增加277萬元。

欲使?jié)u變段底板滿足控制計算工況下的抗浮穩(wěn)定要求，其厚度可按式（1）求出：

5.2 抗拔樁方案設計

抗拔樁擬采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑0.8m。其單樁抗拔力可按式（2）求出。

式中 Rb為待求的單樁抗拔力（kN）；d為樁徑（m），d=0.8m；γd為混凝土容重（kN/m3），γd=25kN/m3；l為樁長（m），l=8～10m；f為混凝土與地基土層之間摩擦系數(shù)，對砂卵石可取0.45～0.55，這里取f=0.45；γ′0為地基土層浮容重（kN/m3），對砂卵石取γ′0=14kN/m3；φ為地基土層內(nèi)摩擦角（°），對砂卵石取φ=33°。

將上述各參數(shù)代入（2）式，得到單樁抗拔力Rb=249～357kN。

在控制工況下，上游漸變段底板所受揚壓力24704kN，底板自重+水重為11113kN，兩者之差即底板承受頂托力為13591kN，按單樁抗拔力249kN計，需設置長8m抗拔樁55根，平均4.7m2/根。單側邊坡底板所受揚壓力40280kN，底板自重+水重為27834kN，兩者之差為12446kN，按單樁同等抗拔力計，需設50根抗拔樁，平均4.8m2/根。上游漸變段共設抗拔樁155根。

下游漸變段底板所受揚壓力36057kN，底板自重+水重15462kN，兩者之差為20595kN，按單樁抗拔力357kN計需設長10m抗拔樁58根，平均5m2/根。單側邊坡底板所承受的揚壓力62845kN，自重+水重41751kN，兩者之差為21094kN，按單樁同等抗拔力計需設抗拔樁59根，平均6m2/根。下游漸變段共設抗拔樁176根。

在增設抗拔樁的同時，考慮漸變段底板和護坡厚度太薄，在剛度上與樁徑不相匹配，應在樁頂設厚度不小于1m的“?！弊中蔚亓海瑸榇顺拱螛锻庑枇碓龌炷亮?80m3。該方案投資估算約增加198.21萬元。

5.3 換基方案設計

對于換基方案，根據(jù)當?shù)亓显辞闆r采用卵石土即基坑開挖的砂卵石經(jīng)篩分與粘性土均勻拌合后的混合料做為防滲體。卵石土的厚度應滿足3個條件：①在控制工況下其最大滲透比降應不超過規(guī)范規(guī)定的允許值4～5。按此規(guī)定，卵石土的厚度應不小于2m，為安全起見實際厚度采用2.8m，并沿底部輪廓包裹一層0.5mm厚的土工膜，以加強防滲效果。②漸變段底部增設防滲體后便形成一個“軟殼地下航母”。為保證航母的抗浮穩(wěn)定，按照水力學原理要求自身的重量必須大于所排開水體的重量。通過計算表明，漸變段首尾兩個斷面在控制工況下的自重分別為29255kN/m和49314kN/m，100a洪水位以下排開水體的重量分別為22221kN/m和33474kN/m。兩個斷面的自重均大于所排開水體的重量，說明建筑物在整體抗浮穩(wěn)定方面是安全的。③漸變段底部增設防滲體后底板兩側伸縮縫斷面的剪應力應小于該斷面的抗剪強度，以保證防滲體結構的強度安全。該斷面的抗剪強度可采用[τ]=σ·tan準+c計算，式中σ通過簡單計算可知σ=25.3kN/m2；卵石土的內(nèi)摩擦角準=20°；卵石土粘滯力c=10kN/m2。將有關參數(shù)代入式中得 [τ]=26.4kN/m2。該斷面在控制工況下承擔的剪應力為22.3kN/m2，小于抗剪強度，滿足防滲體的強度安全要求。

該方案增加土方開挖19380m3，卵石土回填16105m3，復合土工膜6720m2，投資估算約增加71萬元。

5.4 方案比選

通過對上述3個方案的比選認為，對于工程規(guī)模不大的建筑物來說，為提高其抗浮穩(wěn)定性需將底板厚度加大近5m，這無論在經(jīng)濟上還是在實用上都是不合理的。對于增設抗拔樁方案，由于在卵石層中造孔難度較大，若采用機械施工對地基可能會產(chǎn)生一定的擾動，其次在工程實踐上應用較少。換基方案能充分利用當?shù)夭牧?，增加投資較少。綜合考慮各種因素推薦采用換基方案。

6 推薦方案布置和技術要求

為使?jié)u變段混凝土襯砌、礫石土和土工膜形成封閉的防滲體，要求：①兩側護坡礫石土回填高程應超過100a一遇洪水位0.5m；②土工膜頂部包邊高程至少與一級馬道平；③卵石土回填時卵石最大直徑不超過40mm；卵石含量不大于50%，粘粒含量不小于11%；小于0.075mm顆粒含量不大于15%；礫石土的壓實度不得低于0.98，滲透系數(shù)不大于1×10-5cm/s；④為確保防滲體結構強度的安全性，將底板兩側伸縮縫由直線形改為折線形，以增加接縫斷面的抗剪強度；⑤為確保建筑物整體抗浮穩(wěn)定安全，在全線通水前每年汛期應盡量提高總干渠內(nèi)的水位。

7 結語

（1）南拒馬河倒虹吸地基為卵石層，汛期100a一遇洪水位較高，在設計上存在嚴重的抗浮穩(wěn)定安全問題。

（2）根據(jù)給出的設計指標和特殊的地質(zhì)條件，為提高建筑物抗浮穩(wěn)定性，在理論計算和分析基礎上提出了3個可行的對策方案，并推薦采用換基方案。

（3）工程實踐表明，采用換基措施對于建筑物抗浮穩(wěn)定是一個合理、可行而有效的方案。

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