文／朱守虎 江蘇省水利勘測設計研究院有限公司 江蘇揚州 225127

引言：

在水利工程建設過程中，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力，比如下游水位以及水利樞紐廠房內的水壓力等，整體受力情況較為復雜，所以為了保證水利樞紐廠房質量，在工程設計階段必須做好應力分析，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，本文結合H 市某水利工程，對其水利樞紐廠房的設計方案以及具體實施方式進行全面闡述。

1、水利樞紐廠房建設工程概況

H 市某水利工程中，水利樞紐廠房建設在大壩壩腳區(qū)域，整體結構為河床式廠房。該水利工程閘壩的最大流量設計為3370m3/s，水電站樁基容量為2200kW，按照國家相關要求標準規(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，最大擋水高度設計不超過15m，上游和下游水頭高度差要求不低于10m，設計洪水標準為30年一遇（P=3.33%），校核洪水標準為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構成的不穩(wěn)定體，如果將該水利樞紐廠房建設在右岸，需要對右岸進行開挖施工，那么在開挖后將對右岸邊坡產生很大影響，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，所以經過多方分析，需要將該水利樞紐廠房建設在大壩左岸區(qū)域[1]。

2、水利樞紐廠房建設工程地質條件分析

為了全面落實本次水利樞紐廠房建設工程，相關單位在前期開展了細致的地質勘察工作。根據(jù)地質勘察資料表明，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到設計要求，需要將其進行全部清除，下伏強化清灰、灰黑色薄層狀粉砂巖夾細巖，整體強度較高，達到設計標準要求。因為本次工程部分開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)結構性變形，導致基坑邊坡穩(wěn)定性不足；強風化巖體巖層傾向山內偏上游，同時水利樞紐廠房基礎埋深較大，所以不存在基礎抗滑穩(wěn)定性問題；根據(jù)工程裂隙組合的勘察資料顯示，沒有不利于結構面組合的區(qū)域，開挖邊坡較為穩(wěn)定[2]。因此，在工程方案設計過程中，設計方案中將強風化粉砂巖夾細砂巖作為基礎持力層；水利樞紐廠房基坑邊坡需要進行整體性加固和防滲處理，山內側邊坡錨桿需要適當延長；水利樞紐廠房開挖邊坡比設計為：第四系碎石土水位以上設計為1:1.0-1:1.25；下伏基巖設計為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，采用抽水機隨時進行排水。

3、水利樞紐廠房基礎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，所以主廠房建設需要對其基面抗滑穩(wěn)定性（抗剪斷和抗剪強度）、基坑應力以及廠房抗浮穩(wěn)定性進行計算。電站廠房為壩后式地面廠房，廠房基礎基本為弱風化石英片夾微晶片巖，巖石較為堅硬，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.巖石強度較高，f’=0.8-0.9，c’=0.7-0.9MPa；基礎下方具有局部結構夾泥，但是不具有出現(xiàn)深層滑動的可能，所以該水利樞紐廠房滑動需要按照混凝土和基巖結合面作為滑動面進行計算，計算公式為：

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

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 表示機組段的全部重量作用力，單位為kN；U 表示作用在機組段的所有揚壓力綜合，單位為kN。

在對本次工程的相關參數(shù)進行計算過程中，需要按照基本荷載組合和特殊荷載組合的情況進行考慮。首先，基本荷載組合的計算，主要包括兩種情況，即：（1）正常運行的設計洪水水位的情況，荷載類別包括結構自重、永久設備重量、水重量、回填土重量、靜水壓力、揚壓力以及土壓力。（2）正常運行的設計尾水位情況，荷載類別主要包括結構自重、永久設備重量、水重量、回填土重量、靜水壓力、揚壓力以及土壓力[3]。

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

表1 水利樞紐廠房抗滑及抗浮穩(wěn)定性計算結果

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

4、水利樞紐廠房地基應力分析

在本次工程中，水利樞紐廠房分為檢修段和主機段兩個區(qū)域，通過水利樞紐廠房結構和布置方式可以明確主機段的地基應力最大。為此，在對主機段的地基應力計算時，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生離距的代數(shù)和；B 表示計算區(qū)域垂直水流方向底板寬度；L 表示計算區(qū)域基礎底板順水流方向的長度。通過采用上述計算方式，對荷載組合與抗滑及抗浮穩(wěn)定性進行計算，詳細計算結果如下表2所示。

表2 水利樞紐廠房地基應力計算結果

通過上述計算結果可以看出，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力都處于0.2-0.3MPa的允許范圍內；在沒有揚壓力的情況下，水利樞紐廠房地基應力會增加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需求，都低于0.2MPa，符合國家相關規(guī)定標準[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中，抗滑穩(wěn)定性技術以及地基應力都能夠滿足相關要求規(guī)定，所以工程設計方案可以實施。在考慮到水利樞紐廠房施工對于周圍影響的情況下，需要對工程具體實施方案進行優(yōu)化。因此，結合本次工程實際情況，提出如下幾項有效的優(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)域的地質結果較為簡單，表層沙壤土為4.2m 厚度，砂卵礫石層厚度為4m，碳質砂巖夾層露出高程為1107.1m；基層強風化厚度為2.0m，巖石強度適中，基層弱風化巖層巖石硬度較高，強度適中，在充分考慮到水利樞紐廠房地基高層的情況下，弱風化基巖地基承載力設計為δ允許承載力=250kPa，強風化基巖地基承載力設計為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，在開挖后會產生一定高度的邊坡。因此，在對水利樞紐廠房進行布置時，需要充分考慮到山體挖側移動情況，并對水利樞紐廠房布置情況進行優(yōu)化調整，從而盡量降低邊坡開挖高度。邊坡高出河床40m 左右的區(qū)域為45°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石具有一定的膠結性，產狀較為平緩，巖層呈現(xiàn)薄層狀態(tài)。山體為反向破結構，巖層產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成，巖層具有一定的自穩(wěn)能力，整體強度適中，但是如果不對其進行特殊處理，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，到安裝間端部預留3m 的寬度施工空間后進行起坡施工，如果根據(jù)地質建議的坡比進行開挖施工，則需要開挖的工程量較大，經過深入分析后，決定采用1:0.75 的坡比進行起坡施工，每10m 處高一臺，每臺寬度設計為1.5m，分3 臺削坡到1150m 的高承重，并預留9m 欒杜用于公路建設，公路按照1：0.75 向上進行削坡，每10m 出高一臺，分為3 臺削坡后則能夠與地形線緘滅，最上面的一臺因為是削除邊坡覆蓋層，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，最后設計為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計為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計為30m，公路以上邊坡設計為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方式之外，其他邊坡都采用掛網噴錨支護措施。

在掛網噴錨施工技術應用過程中，掛網噴錨邊坡支護技術的應用最為廣泛，主要是因為該支護技術施工環(huán)節(jié)較少、技術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施工過程中，噴錨網施工技術的應用流程為：施工人員將土釘固定在邊坡結構中的準確位置，對該區(qū)域進行灌漿作業(yè)，在灌漿作業(yè)完成后，對混凝土強度等性能進行檢測，判斷是夠滿足標準要求，如果不能滿足則對灌漿混凝土進行強化，如果滿足要求則開展后續(xù)施工。通過與邊坡實際情況的結合，掛網噴錨邊坡支護方式取得良好的效果，使得邊坡穩(wěn)定性進一步提升，是提高本次水利樞紐廠房整體工程質量的關鍵措施。在經過整體優(yōu)化后，本次水利樞紐廠房建設工程效果達到預期目標，抗滑穩(wěn)定性、地基應力以及邊坡穩(wěn)定性等，都符合國家相關要求標準，說明設計方案以及具體技術優(yōu)化措施取得良好效果。

結語：

綜上所述，本文結合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)定性進行準確計算，同時對地基應力進行全面分析，最后提出多項有效的施工技術優(yōu)化措施，結果證明該水利樞紐廠房設計抗滑穩(wěn)定性技術和地基應力都能夠滿足相關規(guī)定要求，說明本次工程設計方案具有良好的效果，能夠全面提高水利樞紐廠房建設質量，希望能夠對相關水利工程建設起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高我國水利工程建設質量。