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        考慮運(yùn)行期不均勻沉降影響的壩下涵洞縱坡設(shè)計(jì)

        2018-07-25 02:27:36李衛(wèi)鵬
        西北水電 2018年3期
        關(guān)鍵詞:砂井施工期涵洞

        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(guò)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(kù)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(kù)蓄水運(yùn)行后涵洞基礎(chǔ)不均勻沉降和沉降量過(guò)大等問(wèn)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(guò)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(kù)依托山前洪積扇前沿天然地形,通過(guò)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(kù)容2 700萬(wàn)m3。壩頂寬度8.0 m,上游壩坡1∶2.5,下游壩坡1∶2.0。水庫(kù)主要建筑物包含水庫(kù)大壩、入庫(kù)建筑物、供水兼退水閘井、壩下涵洞等。該水庫(kù)位于洪積扇前沿的洼地內(nèi),庫(kù)區(qū)地形較平坦,地勢(shì)開(kāi)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(kù)庫(kù)盤(pán)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(kù)盤(pán)內(nèi)分布不均一,其中含土角礫主要分布于西庫(kù)盤(pán),低液限黏土廣泛分布于東庫(kù)盤(pán)。壩下涵洞坐落于水庫(kù)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(guò)程。根據(jù)合同工期要求,初擬壩體分期填筑過(guò)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(kāi)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(guò)程如圖1所示。

        圖1 涵洞基礎(chǔ)分級(jí)加載預(yù)壓過(guò)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(kù)盤(pán)中點(diǎn))等見(jiàn)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(jiàn)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(shuō),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(jiàn)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(wú)壓泄水洞,斷面尺寸確定時(shí),涵洞過(guò)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(kù)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(jiàn)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(wú)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?,F(xiàn)通過(guò)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(guò)設(shè)計(jì)流量時(shí)的水面線來(lái)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(guò)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(guò)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(yǔ)

        文章結(jié)合新疆某平原水庫(kù)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(guò)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。

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