南水北调东线八里湾泵站翼墙优化设计

欧 勇 吴晓荣 尚俊伟

（中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001）

南水北调东线八里湾泵站翼墙优化设计

欧 勇 吴晓荣 尚俊伟

（中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001）

为节省工程投资，对八里湾泵站站下和站上翼墙进行优化设计。以站下翼墙为例，通过分两级平台的布置型式、墙后换填水泥土、设置减压平台等措施，降低了挡土高度，减小了墙后土压力。并通过计算确定了墙后二级平台距挡墙的最小距离、换填水泥土的力学性能指标和回填范围、减压平台的位置和长度，为以后类似工程设计问题积累了实践经验。

八里湾泵站 翼墙 凝聚力 内摩擦角 水泥土 减压平台

1 工程概况

八里湾泵站南水北调东线工程的第十三级泵站，设计调水流量为100m3/s，安装4台机组，单机容量2800kW，总装机11200kW，为Ⅰ等工程，泵站工程设计防洪标准为30～1000年一遇。泵站站下、站上设计防洪水位分别为43.80m和44.80m，采用堤身式布置，站身直接挡洪，泵站建筑物由泵房（包括副厂房、安装间）、清污机桥、前池、进出水池、站下和站上翼墙、进出水渠、公路桥、堤防与站区平台等组成。工程静态总投资约2.7亿元。

站下和站上翼墙是连接泵站上下游和站区平台的主要建筑物，级别均为1级，分别布置在泵站的前池、进水池和出水池两侧。泵站进、出水池底板顶高程分别为27.20m、34.26m，站区平台考虑防洪要求高程确定为46.10m，故进、出水池与站区平台的高差分别达18.90m和11.84m，若采用常规的思路和方案设计站下和站上翼墙，挡土高度势必会较大，尤其是站下翼墙，结构尺寸也会较大，为了节省工程投资，对其优化设计十分必要。因此，本文以站下翼墙为例，介绍其优化设计。

2 总体布置型式优化

图2 站下翼墙挡墙与边坡结合布置方案

由于进水池和站区平台高程相差较大，设计经反复研究，决定采用两级平台的布置型式来降低挡土墙的挡墙高度，以减小翼墙的断面尺寸，降低工程投资。根据八里湾泵站运行条件，其站下最高调水位为37.0m，故第一级平台高程确定为39.3m。一级平台和站区平台采取两种布置方案。方案一采用垂直挡土墙方案，该方案工程量较大，投资较高，但站区平台顶面积较大，见图1。方案二采用1∶3的边坡连接方案，见图2。方案二与方案一相比，混凝土工程较小，可节省816m3，投资节省约80万元，但站区平台面积缩小2720m2，经综合分析，确定采用方案二。

两级平台的布置型式，最重要的是确定二级平台对一级挡墙的墙后土压力的影响，根据朗肯土压力理论，计算一级挡墙稳定时，需考虑二级平台对墙后土压力的影响，但二级平台若在一级挡墙墙后滑动土体之外，则其对土压力的影响较小，工程上可忽略不计。墙后滑动土体的范围计算简图见图3。计算公式如下：

墙后回填土选用粉质粘土或重粉质壤土，回填土容重不小于19.5kN/m3，抗剪强度指标（直接快剪，下同）不小于c=30kPa、φ=8°，经计算，最小距离L=8.52m。故只要二级平台坡脚位置距离一级挡墙底板末端铅直面的水平距离不小于8.52m，其二级平台就不会对一级挡墙产生附加土压力。

图3 滑动土体范围计算简图

图4 站下翼墙断面图（普通空箱扶壁结构方案）

图5 站下翼墙断面图（带减压平台结构方案）

表1 翼墙抗滑稳定计算成果表

3 结构方案优化

图6 墙后土压力计算简图

在确定了站下翼墙总体布置型式后，其挡土净高度由18.9m降低到了12.1m，设计研究了普通空箱扶壁结构方案和带减压平台结构方案，两方案翼墙断面分别见图4和图5。带减压平台结构方案比普通空箱结构方案节省混凝土908m3，节省投资约100万元，故站下翼墙采用带减压平台的空箱挡土墙方案。为了进一步减小翼墙后土压力，优化翼墙断面，根据土压力理论分析，使作用在挡土墙上的土压力最小，应该选择抗剪强度高、性质稳定的材料做填料，设计对墙后墙后高程28.70m以下的回填土采用水泥掺量为8%的水泥土换填，水泥土压实度不小于0.96，分层压实，分层厚度不大于0.3m，水泥土的抗剪强度指标（直接快剪，下同）应不小于c=80kPa、φ=30°，如图5所示，水泥土底宽2m，边坡取素填土稳定坡比1∶2.5。

为保证上述确定的设计方案安全稳定，根据《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）规定对站下翼墙进行抗滑稳定复核，计算工况选取完建期和设计运行期。完建工况时墙前后无水；设计运行工况时，墙前水位比较稳定，取泵站进水池设计运行水位36.12m，墙后水位主要受泵站运行水位、地下水位及东平湖水位影响，根据地质勘查，地下水位为37.60m，地下水类型为松散岩类孔隙水，主要由沟、渠和大气降水补给，墙后水位较高，但可以通过工程措施将墙后和墙前水位差控制在1.0m范围内，因此站下翼墙墙后水位取37.12m。

站下翼墙由于设置了减压平台，其土压力计算较为复杂，为方便计算，将回填土和水泥土抗剪强度指标简化为等效内摩擦角。换算时，墙后回填土的凝聚力和内摩擦角计算值按设计值选取，考虑到水泥土现场拌合的不均匀性，水泥土的凝聚力计算值按设计值的一半选取，内摩擦角按设计值选取。经计算，回填土的等效内摩擦角约为30°，水泥土的等效内摩擦角约为60°。墙后土压力分五个部分计算：在减压平台以上的土压力仍然按朗肯主动土压力理论进行计算；减压平台以下，A点以上土压力计算不考虑上部填土自重的影响；B点以下土压力按朗肯主要土压力理论计算并考虑上部填土自重的影响；A点和B点之间过渡段，按直线连接；C点以下取水泥土的抗剪强度指标进行土压力计算。墙后土压力计算简图见图6。图中φ为填土的等效内摩擦角，θ=45°+φ/2。站下翼墙抗滑稳定计算结果见表1。从计算结果看，翼墙在各工况下稳定满足规范要求。

4 结语

八里湾泵站站下翼墙在能够满足工程运行条件的情况下，采用分级布置的型式，降低了挡土墙的高度和设计难度，同时，通过设置减压平台和墙后回填水泥土，有效减小了墙后土压力，优化了翼墙断面尺寸，对今后类似工程问题有一定的参考价值。站上翼墙挡土高度与站下翼墙接近，也可采取同样的设计方案。站下和站上翼墙的优化设计方案共为八里湾泵站工程节省投资约280万元。

为保证翼墙的稳定、安全运行，工程施工中应严格控制施工质量，水泥土拌合均匀，墙后填土和水泥土压实良好，严格按设计要求检验其抗剪强度指标。完工后，应持续地对站下和站上翼墙进行水平位移和沉降位移观测，同时应加强对墙后水位和不同高程处土压力的监测，为以后设计积累基础资料和经验