合溪水库工程高挡墙基础处理设计

郎小燕,余学彦

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

1 合溪水库工程简介1)浙江省水利水电勘测设计院.浙江省长兴县合溪水库工程初步设计报告报告[R],2007.,2)浙江省水利水电勘测设计院.浙江省长兴县合溪水库工程右岸防渗处理等设计调整及有关专题报告[R],2009.

合溪水库工程地处浙江省长兴县,是一座防洪、供水等综合利用的大(2)型水库工程,坝址以上集雨面积235 km2,总库容1.11亿m3,工程等别Ⅱ等,主要建筑物级别2级.水库正常蓄水位24.0 m,设计洪水位29.00 m(P=0.2%),校核洪水位30.44 m(P=0.02%).

枢纽建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物和供水放空建筑物组成.拦河坝总长743 m,由粘土心墙砂砾石坝段和重力坝段组成.最大坝高46.8 m,坝顶宽6 m、高程32.2 m.重力坝段布置在现状主河槽上,总长39.5 m,建于弱风化岩上,最低建基面高程-14.6m,坝顶设3孔泄洪闸,单孔宽均为8m,堰顶高程18 m;坝体内除设有供水放空设施外,还设有2孔4 m×4 m导流底孔,底高程4 m,用于二期围堰施工时导流度汛,施工完毕后封堵.粘土心墙砂砾石坝段布置在溢洪道的两侧,总长703.5 m,其中左侧长546.5 m,右侧长157 m,建基面要求清除表层有机质土、淤泥和粉砂.重力坝段上游为引渠,下游为消力池、海漫和泄洪渠.重力坝段与土石坝段之间采用混凝土挡墙分隔.

2 重力坝段上游混凝土挡墙基础的地质情况

重力坝段上游引渠两侧混凝土挡墙的功能是:将重力坝段与粘土心墙砂砾石坝段有效分隔,并将库水平稳地引入泄洪闸和供水放空管,施工期(二期)还需将上游来水平顺引入导流底孔.该工程的挡墙设计不同于常规工程,其对拦河坝的安全和正常运行至关重要.

由于坝基覆盖层深厚,为尽可能减少挡墙混凝土和高边坡土夹石开挖工程量,并缩短工期,混凝土挡墙建于原状覆盖层地基或重力坝段基坑开挖后回填的砂砾卵石层上.

左侧挡墙原状覆盖层地基为砂砾卵石层,含泥量一般10%左右;右侧挡墙原状覆盖层地基为粘性土夹碎块石,碎块石岩性为石英砂岩,直径一般为5～50 cm,部分达1 m,局部可达2 m以上,总体含量约50%.

上游混凝土挡墙高度大多在10 m以上,尤其是紧邻重力坝段左右各长20 m的挡墙高度更是高达29 m,原状土地基无法满足地基承载力要求,因此,原施工图对较高的混凝土挡墙基础采用了灌注桩处理.

左侧挡墙地基泥夹碎块石中碎块石的比例和粒径均较大,力学参数较难确定,桩基处理投资及施工难度均较大,工期也较长,考虑到高挡墙地基大多置于重力坝段开挖基坑回填料上,为优化地基处理方案,施工图阶段对混凝土挡墙基础进行了现场浅层平板载荷试验.为提高地基承载力及其压缩模量,基坑回填料拟采用砂砾卵石,并在表层掺入5%水泥.

根据试验结果,原状砂砾卵石地基允许承载力为320 kPa,压缩模量为35 MPa;原状粘性土夹碎块石地基允许承载力为325 kPa,压缩模量为15 MPa;原状粘性土夹碎块石地基挖深2 m用掺5%水泥的砂砾卵石置换并压实至相对密度不小于0.85,其承载力特征值为460 kPa,压缩模量为40MPa3)浙江大学土木工程测试中心.长兴县小浦合溪水库工程浅层平板荷载试验[R].,4)浙江大学土木工程测试中心.长兴县小浦合溪水库工程复合地基载荷试验[R]..

3 重力坝段上游高混凝土挡墙施工图阶段基础处理设计优化成果

根据载荷试验和设计成果,原状地基不能满足29 m高的混凝土挡墙承载能力要求,且原状粘性土夹碎块石地基压缩模量过小,需要进行地基处理.鉴于高混凝土挡墙基础均坐落在重力坝段基坑开挖范围内,且用掺5%水泥的砂砾卵石回填可以大幅度提高地基承载力,使取消灌注桩成为可能,因此,根据载荷试验成果和工程实际情况,设计对原施工图进行了调整和优化,并对高29m的混凝土挡墙基础结合重力坝段基坑回填进行了地基土置换,最终取消了所有灌注桩,既缩减了工期,简化了施工,还可节约工程投资约62万元.目前,高混凝土挡墙早已施工完毕,从施工和观测情况看,效果良好.

4 高29 m的混凝土挡墙施工图阶段地基置换计算

高29 m的混凝土挡墙分布范围为坝上0+008 m～坝上0+028m,总长40 m,其基础建于重力坝段基坑回填并碾实的砂砾卵石地基上,对厚2～6 m的面层砂砾石(以下称“置换层”或“垫层”)掺入了5%以上的水泥,以提高挡墙基底承载能力和压缩模量,各部位的置换层厚度和宽度详见表1.

计算内容主要有基底抗滑稳定、应力、抗倾覆稳定和沉降计算.

表1 重力坝段上游侧挡墙基底置换层情况表

(1)计算工况

工况1:正常蓄水位工况,土坝侧及临水侧水位均为24.00 m;

工况2:设计洪水位工况,土坝侧水位取校核洪水位29.00 m,临水侧水位考虑泄洪产生与临坝体侧1.0m的水位差,即水位为28.00 m.

工况3:施工完建期,临水侧水位取4.00 m,土石坝侧水位取5.00 m;

工况4:校核洪水位工况,土坝体侧水位取校核洪水位30.44 m,临水侧水位考虑泄洪产生与临坝体侧1.0 m的水位差,即水位为29.44 m.

(2)主要计算参数

墙底与地基接触面间的抗剪摩擦系数 f值取0.5.

墙背坝体砂砾卵石摩擦角取30.0°.

墙底置换层材料(掺5%水泥的砂砾石的重度)取19.5 kN/m3.

墙底各土层的允许承载力和压缩模量见前,不再重述.

(3)挡墙稳定及基底应力计算成果

挡墙稳定及基底应力计算成果见表2.从表2可知,高29 m的混凝土挡墙稳定及基底应力计算均能满足规范要求.

表2 挡墙各计算断面稳定和基底应力计算成果汇总表

(4)挡墙基底置换层计算成果

根据《水工挡土墙设计规范》(SL379-2007)[1]计算

式中:fz—垫层底面处土层的允许承载力,kPa;

σcz—垫层底面处土的自重应力,kPa;

σz—垫层底面处土的附加应力,kPa;

p—基础底面的平均应力,kPa;

σc—基础底面处土的自重应力,kPa;

b—基础底面的宽度,m;

z—垫层的厚度,m;

θ—墙底掺5%水泥的砂砾石置换垫层的应力扩散角;当 z/b ＜0.25时,取0°;当z/b=0.25时,取20°;当 z/b ≥0.5时,取30°,当0.25 ＜z/b ＜0.5时,用内插法求得.

根据表1中的挡墙基底置换层的层厚和底宽复核最不利工况(工况3)时垫层底面处的总应力(σcz+σz)是否满足垫层底面处土层的允许承载力fz(经修正),计算成果详见表3.从表3可知,各置换层底面的应力值均能满足规范要求.

表3 挡墙基底置换层底面应力计算成果表

另外,根据《水闸设计规范》(SL265-2001)[3]和《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)[4],置换层的厚度和底宽也均能满足规范要求.

(5)挡墙基础沉降估算成果

挡墙基础沉降参考《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)[2]采用分层总和法估算,计算结果表明,左侧挡墙坝上0+008m～坝上0+018m段最大沉降约48 mm,同一断面左右侧最大沉降差13 mm,相邻部位的最大沉降差48 mm(坝上0+008 m处挡墙与建于岩基的重力坝段之间的沉降差);右侧挡墙坝上0+008～坝上0+028段最大沉降约74 mm,同一断面左右侧最大沉降差37 mm,相邻部位的最大沉降差46 mm(仍为坝上0+008 m处挡墙与建于岩基的重力坝段之间的沉降差).能满足最大沉降量不超过150 mm、相邻部位的最大沉降差不超过50 mm且能安全和正常使用的要求.

(6)其他

由于挡墙的高度及其基础垫层的厚度和宽度均超常见规模,为确保工程安全,除按照有关规范进行上述计算使设计满足规范要求外,还参考了《地基及基础》[5]和《土力学地基与基础疑难释义》[6]中的设计参数取值、计算方法、设计和施工要点等,对前述设计参数取值和计算结果进行了全面的斟酌、复核和比照,结果表明,挡墙基础沉降、地基置换层的厚度和底宽也均能满足要求.

5 结 论

(1)与未掺入水泥的压实砂砾卵石相比,若掺入5%水泥,其承载力可大幅度提高,合溪水库工程相关试验表明,幅度可高达40%以上,效果极好.

(2)掺入5%水泥的压实砂砾卵石是极好的地基置换垫层,不仅可大幅度提高地基承载力,若用于粘性土地基表层,还可大幅度减小地基沉降量.(3)一般情况下,垫层法是工程上一种施工最简便、应用最广泛的地基处理方法.垫层设计的主要内容是确定合理的厚度和宽度,不仅应满足变形、应力和稳定等要求,还应符合经济合理的原则,《水工挡土墙设计规范》(SL379-2007)和《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)都指出垫层厚度“不宜大于3 m”.合溪水库工程高混凝土挡墙基底垫层厚达2～6 m,但由于可充分利用挡墙地基为基坑回填砂砾卵石这一有利条件,且受高边坡和原状地基土中夹有大量大块石等条件制约,采用灌注桩方案具有施工难度大、历时长和造价高等缺点,经综合比较,最后采用掺入5%水泥的压实砂砾卵石作地基表面垫层取代原灌注桩方案,既有利于施工,又节约了投资.

[1]江苏省水利勘测设计研究院有限公司.SL 379-2007水工挡土墙设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2007.

[2]水利部水利水电规划设计总院,江苏省水利勘测设计研究院.SL 265-2001水闸设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2001.

[3]中华人民共和国水利部.SL 274-2001碾压式土石坝设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2002.

[4]中国建筑科学研究院.JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[5]华南理工大学,东南大学,浙江大学,等.地基及基础[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.

[6]赵明华,李 刚,曹喜仁,等.土力学地基与基础疑难释义[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.