兴稷水库导流泄洪闸稳定和应力计算及处理措施
2019-12-23
（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原 030024）
1 工程概况
兴稷水库坝址位于稷山县马壁峪西涧河道上。坝址以上控制流域面积338.8 km2，总库容230.88万m3，为小（Ⅰ）型水库，30年一遇设计，300年一遇校核；该坝为碾压均质土坝，坝高15.50 m，坝长262.50 m。
导流泄洪闸布置在水库大坝右侧，进口布置在大坝上游主河槽内。由进口引渠段、上游铺盖段、闸室段、消力池段和海漫段五部分组成。闸室段顺水流方向长27 m，采用C25钢筋混凝土整体式闸室结构，闸孔净宽3×3.5 m，闸室段上游布置检修闸门、下游布置弧形工作闸门。底板厚2.5 m，闸墩高15.6 m，中墩厚2.0 m，边墩为重力式挡墙断面，顶宽1.0 m，背坡为1∶0.25。闸室上、下游均设齿槽，上游深6.5 m，下游深6.0 m，底宽1.5 m，内侧坡度为 1∶0.5。
工程平面布置如图1所示。
2 导流泄洪闸稳定及应力计算
2.1 稳定计算
1）荷载及其组合
荷载:水闸自重；静水压力；扬压力；浪压力；冰压力；地震力；冰压力。荷载组合表见表1。
2）闸室建基面抗滑稳定计算
根据《水闸设计规范》（SL 265—2001）规定，闸基面抗滑稳定按抗剪公式进行计算。公式如下:
式中:K——泄洪闸沿建基面的抗滑稳定安全系数；
f——泄洪闸与建基面之间的摩擦系数，取f=0.35；
ΣG——作用于泄洪闸上的全部荷载对滑动面的垂直分量，kN；
图1 兴稷水库工程平面布置图
表1 闸室稳定计算的荷载组合
ΣH——作用于泄洪闸上的全部荷载对滑动面的平行分量，kN。
泄洪闸抗滑稳定安全系数K在基本组合时取1.2，特殊载组合（Ⅰ）时取1.05，特殊组合（Ⅱ）时取1.0。
计算简图见图2。
图2 闸室建基面抗滑稳定计算简图
闸室抗滑稳定计算结果见表2。
计算结果表明，计算的抗滑稳定安全系数均大于规范允许值，泄洪闸抗滑满足要求。
2.2 闸基应力计算
泄洪闸基底应力计算按《水闸设计规范》要求，采用下式计算:
表2 闸基抗滑稳定安全系数表
ΣG——作用在泄洪闸上全部竖向荷载，kN；
A——泄洪闸基底面面积，m2；
ΣM——作用在泄洪闸上的全部荷载对于基底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m；
W——泄洪闸基底面对于垂直水流方向的对形心轴的截面矩，m4。
根据规范要求，在各种荷载组合情况下，泄洪闸闸室平均基地应力小于等于地基允许承载力；最大基地应力应小于等于地基允许承载力的1.2倍；对于中等坚实闸基土，基地应力最大值最小值之比的允许值:基本组合不大于2.0，特殊组合不大于2.5。
闸室基地应力计算结果见表3。
表3 闸基垂直应力计算成果表
从表中可见，各种工况下，基本组合最大最小应力比值σmax/σmin最大值为1.98，满足规范要求，特殊组合最大最小应力比值σmax/σmin最大值为2.33，满足规范要求。闸室基底面平均应力σ最大值为219.26 kPa，最大应力 σmax为 241.78 kPa，最小应力σmin为 104.27 kPa。
由地质资料可知，闸室地基土允许承载力第四系全新统洪冲积（Q4pal）低液限黏土为160 kPa，地基承载力不满足设计要求，需要对基底进行加固处理。
3 闸室复合地基承载力计算
3.1 闸室段工程地质
根据地质资料，闸基地基分三层:主要为第四系全新统洪冲积（Q4pal）低液限黏土、级配良好砾及第四系上更新统洪冲积（Q3pal）低液限黏土层。其中（Q4pal）低液限黏土主要分布于河床中，浅灰色，湿，稍密，中压缩性，局部含少量云母碎屑及铁锈斑点，该层厚7.5～11.5 m，层底深度 16.5～18.0 m，承载力特征值为160 kPa。下部为第四系上更新统洪冲积（Q3pal）低液限黏土主要分布于整个河床下部，浅黄色，浅灰色，湿，密实，中压缩性，局部含少量云母碎屑及铁锈斑点，承载力特征值200 kPa，该层在勘探深度30.0 m范围内已揭露最大厚度13.5 m。
考虑由第②层第四系全新统洪冲积（Q4pal）低液限黏土作为持力层，采用高压旋喷桩复合地基提高地基承载力，并对其下低液限黏土层进行地基承载力修正计算。
3.2 复合地基承载力计算
根据《复合地基技术规范》（GB/T50783-2012），单桩抗压承载力特征值计算采用下列两公式计算，计算结果取小值。
式中:Ra——单桩竖向抗压承载力特征值，kN；
up——桩的截面周长，桩径1 m，计算得3.14 m；
n——桩长范围内所划分的土层数，设计为2层；
qsi——第i层的桩侧摩阻力特征值，kPa；低液限黏土层取15 kPa；
li——第i层土的厚度，土层厚21.0 m。
α——桩端端阻力发挥系数，根据规范《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）7.3.3条第 3 款 0.4～0.6，取值 0.5；
qp——桩端地基土未修正的承载力特征值，单位，kPa；根据地质资料，按照最大承载能力160 kPa，设计取130 kPa。
Ap——单桩截面积，设计桩径采用1.0 m，计算得0.785 m2；
η——桩体强度折减系数，根据规范《复合地基技术规范》（GB/T50783-2012）7.2.4条，可取值0.33；
fcu——桩体抗压强度平均值，kPa；参照相关工程经验，取值2 MPa。
计算简图见图3。
复合地基承载力特征值计算公式为:
式中:βp——桩体竖向抗压承载力修正系数，根据规范初步取1.0；
m——复合地基面积置换率，取值0.227；
Ra——单桩竖向抗压承载力特征值，计算得518.1 kPa；
Ap——单桩截面积，m2；设计桩径采用1.0 m，计算得 0.785 m2；
βs——桩间土基承载力修正系数，根据规范初步取0.5。
fsk——桩间土地基承载力特征值，天然土层为120kPa，提高系数取1.1，计算得132kPa；
图3 泄洪闸剖面图
复合地基承载力的基础宽度承载力修正系数取0；基础埋深的承载力修正系数应取1.0。修正后的复合地基承载力特征值（fa）应按下式计算:
式中:fspk——复合地基承载力特征值，单位，kPa；计算得200.8 kPa；
γm——基底面以上全部土层的加权平均重度，单位，kN/m3；取 17.7；
D——基础埋置深度，m；取4.0 m。
根据以上公式计算结果见表4。
表4 复合地基承载力特征值计算表
由计算可知，pk≤fa，Pkmax≤1.2×fa，因此复合地基承载力满足要求。
3.3 下卧层地基承载力计算
根据地质条件，卵石混合土层下部为第四系全新统洪冲积（Q4pal）低液限黏土层，应对此下卧层进行承载力验算。根据《建筑地基基础设计规范》，软弱下卧层承载力公式:
式中:pz——软弱下卧层顶面的附加压力值，kPa；
pcz——软弱下卧层顶面地基土的自重压力值，为202.8 kPa；
faz——软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值，为305.3 kPa；
pk——基底平均最大应力，计算得219.3 kPa；
pc——基础底面处土的自重压力值，为200kPa；
z——基础底面至软弱下卧层顶面的距离，为30 m；
θ——地基压力扩散线与垂直线的夹角，根据规范查表为23.3°；
b——矩形基础底面的宽度，为23.7m；
l——矩形基础底面的长度，为27 m；
计算得软弱下卧层修正后地基承载力特征值见表5。
表5 软弱下卧层修正后地基承载力特征值表
由计算可知，软弱下卧层地基承载力大于附加应力，满足规范要求。
4 结论
闸室底板下采用100 mm厚C15素混凝土垫层，为提高地基承载力，闸室段基础下增设水泥土高压旋喷桩复合地基，处理范围为闸室基础边缘外扩3 m，桩长12.0 m，桩径1.0 m，桩间距2.0 m，正三角形布置。以第②层第四系全新统洪冲积（Q4pal）低液限黏土作为桩端持力层。
