歐 勇 吳曉榮 尚俊偉

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 蚌埠 233001）

南水北調(diào)東線八里灣泵站翼墻優(yōu)化設(shè)計(jì)

歐 勇 吳曉榮 尚俊偉

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 蚌埠 233001）

為節(jié)省工程投資，對(duì)八里灣泵站站下和站上翼墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以站下翼墻為例，通過分兩級(jí)平臺(tái)的布置型式、墻后換填水泥土、設(shè)置減壓平臺(tái)等措施，降低了擋土高度，減小了墻后土壓力。并通過計(jì)算確定了墻后二級(jí)平臺(tái)距擋墻的最小距離、換填水泥土的力學(xué)性能指標(biāo)和回填范圍、減壓平臺(tái)的位置和長度，為以后類似工程設(shè)計(jì)問題積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

八里灣泵站 翼墻 凝聚力 內(nèi)摩擦角 水泥土 減壓平臺(tái)

1 工程概況

八里灣泵站南水北調(diào)東線工程的第十三級(jí)泵站，設(shè)計(jì)調(diào)水流量為100m3/s，安裝4臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量2800kW，總裝機(jī)11200kW，為Ⅰ等工程，泵站工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30～1000年一遇。泵站站下、站上設(shè)計(jì)防洪水位分別為43.80m和44.80m，采用堤身式布置，站身直接擋洪，泵站建筑物由泵房（包括副廠房、安裝間）、清污機(jī)橋、前池、進(jìn)出水池、站下和站上翼墻、進(jìn)出水渠、公路橋、堤防與站區(qū)平臺(tái)等組成。工程靜態(tài)總投資約2.7億元。

站下和站上翼墻是連接泵站上下游和站區(qū)平臺(tái)的主要建筑物，級(jí)別均為1級(jí)，分別布置在泵站的前池、進(jìn)水池和出水池兩側(cè)。泵站進(jìn)、出水池底板頂高程分別為27.20m、34.26m，站區(qū)平臺(tái)考慮防洪要求高程確定為46.10m，故進(jìn)、出水池與站區(qū)平臺(tái)的高差分別達(dá)18.90m和11.84m，若采用常規(guī)的思路和方案設(shè)計(jì)站下和站上翼墻，擋土高度勢必會(huì)較大，尤其是站下翼墻，結(jié)構(gòu)尺寸也會(huì)較大，為了節(jié)省工程投資，對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。因此，本文以站下翼墻為例，介紹其優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 總體布置型式優(yōu)化

圖2 站下翼墻擋墻與邊坡結(jié)合布置方案

由于進(jìn)水池和站區(qū)平臺(tái)高程相差較大，設(shè)計(jì)經(jīng)反復(fù)研究，決定采用兩級(jí)平臺(tái)的布置型式來降低擋土墻的擋墻高度，以減小翼墻的斷面尺寸，降低工程投資。根據(jù)八里灣泵站運(yùn)行條件，其站下最高調(diào)水位為37.0m，故第一級(jí)平臺(tái)高程確定為39.3m。一級(jí)平臺(tái)和站區(qū)平臺(tái)采取兩種布置方案。方案一采用垂直擋土墻方案，該方案工程量較大，投資較高，但站區(qū)平臺(tái)頂面積較大，見圖1。方案二采用1∶3的邊坡連接方案，見圖2。方案二與方案一相比，混凝土工程較小，可節(jié)省816m3，投資節(jié)省約80萬元，但站區(qū)平臺(tái)面積縮小2720m2，經(jīng)綜合分析，確定采用方案二。

兩級(jí)平臺(tái)的布置型式，最重要的是確定二級(jí)平臺(tái)對(duì)一級(jí)擋墻的墻后土壓力的影響，根據(jù)朗肯土壓力理論，計(jì)算一級(jí)擋墻穩(wěn)定時(shí)，需考慮二級(jí)平臺(tái)對(duì)墻后土壓力的影響，但二級(jí)平臺(tái)若在一級(jí)擋墻墻后滑動(dòng)土體之外，則其對(duì)土壓力的影響較小，工程上可忽略不計(jì)。墻后滑動(dòng)土體的范圍計(jì)算簡圖見圖3。計(jì)算公式如下：

墻后回填土選用粉質(zhì)粘土或重粉質(zhì)壤土，回填土容重不小于19.5kN/m3，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（直接快剪，下同）不小于c=30kPa、φ=8°，經(jīng)計(jì)算，最小距離L=8.52m。故只要二級(jí)平臺(tái)坡腳位置距離一級(jí)擋墻底板末端鉛直面的水平距離不小于8.52m，其二級(jí)平臺(tái)就不會(huì)對(duì)一級(jí)擋墻產(chǎn)生附加土壓力。

圖3 滑動(dòng)土體范圍計(jì)算簡圖

圖4 站下翼墻斷面圖（普通空箱扶壁結(jié)構(gòu)方案）

圖5 站下翼墻斷面圖（帶減壓平臺(tái)結(jié)構(gòu)方案）

表1 翼墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

3 結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

圖6 墻后土壓力計(jì)算簡圖

在確定了站下翼墻總體布置型式后，其擋土凈高度由18.9m降低到了12.1m，設(shè)計(jì)研究了普通空箱扶壁結(jié)構(gòu)方案和帶減壓平臺(tái)結(jié)構(gòu)方案，兩方案翼墻斷面分別見圖4和圖5。帶減壓平臺(tái)結(jié)構(gòu)方案比普通空箱結(jié)構(gòu)方案節(jié)省混凝土908m3，節(jié)省投資約100萬元，故站下翼墻采用帶減壓平臺(tái)的空箱擋土墻方案。為了進(jìn)一步減小翼墻后土壓力，優(yōu)化翼墻斷面，根據(jù)土壓力理論分析，使作用在擋土墻上的土壓力最小，應(yīng)該選擇抗剪強(qiáng)度高、性質(zhì)穩(wěn)定的材料做填料，設(shè)計(jì)對(duì)墻后墻后高程28.70m以下的回填土采用水泥摻量為8%的水泥土換填，水泥土壓實(shí)度不小于0.96，分層壓實(shí)，分層厚度不大于0.3m，水泥土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（直接快剪，下同）應(yīng)不小于c=80kPa、φ=30°，如圖5所示，水泥土底寬2m，邊坡取素填土穩(wěn)定坡比1∶2.5。

為保證上述確定的設(shè)計(jì)方案安全穩(wěn)定，根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL379-2007）規(guī)定對(duì)站下翼墻進(jìn)行抗滑穩(wěn)定復(fù)核，計(jì)算工況選取完建期和設(shè)計(jì)運(yùn)行期。完建工況時(shí)墻前后無水；設(shè)計(jì)運(yùn)行工況時(shí)，墻前水位比較穩(wěn)定，取泵站進(jìn)水池設(shè)計(jì)運(yùn)行水位36.12m，墻后水位主要受泵站運(yùn)行水位、地下水位及東平湖水位影響，根據(jù)地質(zhì)勘查，地下水位為37.60m，地下水類型為松散巖類孔隙水，主要由溝、渠和大氣降水補(bǔ)給，墻后水位較高，但可以通過工程措施將墻后和墻前水位差控制在1.0m范圍內(nèi)，因此站下翼墻墻后水位取37.12m。

站下翼墻由于設(shè)置了減壓平臺(tái)，其土壓力計(jì)算較為復(fù)雜，為方便計(jì)算，將回填土和水泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)簡化為等效內(nèi)摩擦角。換算時(shí)，墻后回填土的凝聚力和內(nèi)摩擦角計(jì)算值按設(shè)計(jì)值選取，考慮到水泥土現(xiàn)場拌合的不均勻性，水泥土的凝聚力計(jì)算值按設(shè)計(jì)值的一半選取，內(nèi)摩擦角按設(shè)計(jì)值選取。經(jīng)計(jì)算，回填土的等效內(nèi)摩擦角約為30°，水泥土的等效內(nèi)摩擦角約為60°。墻后土壓力分五個(gè)部分計(jì)算：在減壓平臺(tái)以上的土壓力仍然按朗肯主動(dòng)土壓力理論進(jìn)行計(jì)算；減壓平臺(tái)以下，A點(diǎn)以上土壓力計(jì)算不考慮上部填土自重的影響；B點(diǎn)以下土壓力按朗肯主要土壓力理論計(jì)算并考慮上部填土自重的影響；A點(diǎn)和B點(diǎn)之間過渡段，按直線連接；C點(diǎn)以下取水泥土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行土壓力計(jì)算。墻后土壓力計(jì)算簡圖見圖6。圖中φ為填土的等效內(nèi)摩擦角，θ=45°+φ/2。站下翼墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表1。從計(jì)算結(jié)果看，翼墻在各工況下穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

八里灣泵站站下翼墻在能夠滿足工程運(yùn)行條件的情況下，采用分級(jí)布置的型式，降低了擋土墻的高度和設(shè)計(jì)難度，同時(shí)，通過設(shè)置減壓平臺(tái)和墻后回填水泥土，有效減小了墻后土壓力，優(yōu)化了翼墻斷面尺寸，對(duì)今后類似工程問題有一定的參考價(jià)值。站上翼墻擋土高度與站下翼墻接近，也可采取同樣的設(shè)計(jì)方案。站下和站上翼墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案共為八里灣泵站工程節(jié)省投資約280萬元。

為保證翼墻的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，工程施工中應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，水泥土拌合均勻，墻后填土和水泥土壓實(shí)良好，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求檢驗(yàn)其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。完工后，應(yīng)持續(xù)地對(duì)站下和站上翼墻進(jìn)行水平位移和沉降位移觀測，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)墻后水位和不同高程處土壓力的監(jiān)測，為以后設(shè)計(jì)積累基礎(chǔ)資料和經(jīng)驗(yàn)