郎小燕,余學(xué)彥

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院,浙江 杭州 310002)

1 合溪水庫工程簡介1)浙江省水利水電勘測設(shè)計院.浙江省長興縣合溪水庫工程初步設(shè)計報告報告[R],2007.,2)浙江省水利水電勘測設(shè)計院.浙江省長興縣合溪水庫工程右岸防滲處理等設(shè)計調(diào)整及有關(guān)專題報告[R],2009.

合溪水庫工程地處浙江省長興縣,是一座防洪、供水等綜合利用的大(2)型水庫工程,壩址以上集雨面積235 km2,總庫容1.11億m3,工程等別Ⅱ等,主要建筑物級別2級.水庫正常蓄水位24.0 m,設(shè)計洪水位29.00 m(P=0.2%),校核洪水位30.44 m(P=0.02%).

樞紐建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物和供水放空建筑物組成.攔河壩總長743 m,由粘土心墻砂礫石壩段和重力壩段組成.最大壩高46.8 m,壩頂寬6 m、高程32.2 m.重力壩段布置在現(xiàn)狀主河槽上,總長39.5 m,建于弱風(fēng)化巖上,最低建基面高程-14.6m,壩頂設(shè)3孔泄洪閘,單孔寬均為8m,堰頂高程18 m;壩體內(nèi)除設(shè)有供水放空設(shè)施外,還設(shè)有2孔4 m×4 m導(dǎo)流底孔,底高程4 m,用于二期圍堰施工時導(dǎo)流度汛,施工完畢后封堵.粘土心墻砂礫石壩段布置在溢洪道的兩側(cè),總長703.5 m,其中左側(cè)長546.5 m,右側(cè)長157 m,建基面要求清除表層有機質(zhì)土、淤泥和粉砂.重力壩段上游為引渠,下游為消力池、海漫和泄洪渠.重力壩段與土石壩段之間采用混凝土擋墻分隔.

2 重力壩段上游混凝土擋墻基礎(chǔ)的地質(zhì)情況

重力壩段上游引渠兩側(cè)混凝土擋墻的功能是:將重力壩段與粘土心墻砂礫石壩段有效分隔,并將庫水平穩(wěn)地引入泄洪閘和供水放空管,施工期(二期)還需將上游來水平順引入導(dǎo)流底孔.該工程的擋墻設(shè)計不同于常規(guī)工程,其對攔河壩的安全和正常運行至關(guān)重要.

由于壩基覆蓋層深厚,為盡可能減少擋墻混凝土和高邊坡土夾石開挖工程量,并縮短工期,混凝土擋墻建于原狀覆蓋層地基或重力壩段基坑開挖后回填的砂礫卵石層上.

左側(cè)擋墻原狀覆蓋層地基為砂礫卵石層,含泥量一般10%左右;右側(cè)擋墻原狀覆蓋層地基為粘性土夾碎塊石,碎塊石巖性為石英砂巖,直徑一般為5～50 cm,部分達1 m,局部可達2 m以上,總體含量約50%.

上游混凝土擋墻高度大多在10 m以上,尤其是緊鄰重力壩段左右各長20 m的擋墻高度更是高達29 m,原狀土地基無法滿足地基承載力要求,因此,原施工圖對較高的混凝土擋墻基礎(chǔ)采用了灌注樁處理.

左側(cè)擋墻地基泥夾碎塊石中碎塊石的比例和粒徑均較大,力學(xué)參數(shù)較難確定,樁基處理投資及施工難度均較大,工期也較長,考慮到高擋墻地基大多置于重力壩段開挖基坑回填料上,為優(yōu)化地基處理方案,施工圖階段對混凝土擋墻基礎(chǔ)進行了現(xiàn)場淺層平板載荷試驗.為提高地基承載力及其壓縮模量,基坑回填料擬采用砂礫卵石,并在表層摻入5%水泥.

根據(jù)試驗結(jié)果,原狀砂礫卵石地基允許承載力為320 kPa,壓縮模量為35 MPa;原狀粘性土夾碎塊石地基允許承載力為325 kPa,壓縮模量為15 MPa;原狀粘性土夾碎塊石地基挖深2 m用摻5%水泥的砂礫卵石置換并壓實至相對密度不小于0.85,其承載力特征值為460 kPa,壓縮模量為40MPa3)浙江大學(xué)土木工程測試中心.長興縣小浦合溪水庫工程淺層平板荷載試驗[R].,4)浙江大學(xué)土木工程測試中心.長興縣小浦合溪水庫工程復(fù)合地基載荷試驗[R]..

3 重力壩段上游高混凝土擋墻施工圖階段基礎(chǔ)處理設(shè)計優(yōu)化成果

根據(jù)載荷試驗和設(shè)計成果,原狀地基不能滿足29 m高的混凝土擋墻承載能力要求,且原狀粘性土夾碎塊石地基壓縮模量過小,需要進行地基處理.鑒于高混凝土擋墻基礎(chǔ)均坐落在重力壩段基坑開挖范圍內(nèi),且用摻5%水泥的砂礫卵石回填可以大幅度提高地基承載力,使取消灌注樁成為可能,因此,根據(jù)載荷試驗成果和工程實際情況,設(shè)計對原施工圖進行了調(diào)整和優(yōu)化,并對高29m的混凝土擋墻基礎(chǔ)結(jié)合重力壩段基坑回填進行了地基土置換,最終取消了所有灌注樁,既縮減了工期,簡化了施工,還可節(jié)約工程投資約62萬元.目前,高混凝土擋墻早已施工完畢,從施工和觀測情況看,效果良好.

4 高29 m的混凝土擋墻施工圖階段地基置換計算

高29 m的混凝土擋墻分布范圍為壩上0+008 m～壩上0+028m,總長40 m,其基礎(chǔ)建于重力壩段基坑回填并碾實的砂礫卵石地基上,對厚2～6 m的面層砂礫石(以下稱“置換層”或“墊層”)摻入了5%以上的水泥,以提高擋墻基底承載能力和壓縮模量,各部位的置換層厚度和寬度詳見表1.

計算內(nèi)容主要有基底抗滑穩(wěn)定、應(yīng)力、抗傾覆穩(wěn)定和沉降計算.

表1 重力壩段上游側(cè)擋墻基底置換層情況表

(1)計算工況

工況1:正常蓄水位工況,土壩側(cè)及臨水側(cè)水位均為24.00 m;

工況2:設(shè)計洪水位工況,土壩側(cè)水位取校核洪水位29.00 m,臨水側(cè)水位考慮泄洪產(chǎn)生與臨壩體側(cè)1.0m的水位差,即水位為28.00 m.

工況3:施工完建期,臨水側(cè)水位取4.00 m,土石壩側(cè)水位取5.00 m;

工況4:校核洪水位工況,土壩體側(cè)水位取校核洪水位30.44 m,臨水側(cè)水位考慮泄洪產(chǎn)生與臨壩體側(cè)1.0 m的水位差,即水位為29.44 m.

(2)主要計算參數(shù)

墻底與地基接觸面間的抗剪摩擦系數(shù) f值取0.5.

墻背壩體砂礫卵石摩擦角取30.0°.

墻底置換層材料(摻5%水泥的砂礫石的重度)取19.5 kN/m3.

墻底各土層的允許承載力和壓縮模量見前,不再重述.

(3)擋墻穩(wěn)定及基底應(yīng)力計算成果

擋墻穩(wěn)定及基底應(yīng)力計算成果見表2.從表2可知,高29 m的混凝土擋墻穩(wěn)定及基底應(yīng)力計算均能滿足規(guī)范要求.

表2 擋墻各計算斷面穩(wěn)定和基底應(yīng)力計算成果匯總表

(4)擋墻基底置換層計算成果

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》(SL379-2007)[1]計算

式中:fz—墊層底面處土層的允許承載力,kPa;

σcz—墊層底面處土的自重應(yīng)力,kPa;

σz—墊層底面處土的附加應(yīng)力,kPa;

p—基礎(chǔ)底面的平均應(yīng)力,kPa;

σc—基礎(chǔ)底面處土的自重應(yīng)力,kPa;

b—基礎(chǔ)底面的寬度,m;

z—墊層的厚度,m;

θ—墻底摻5%水泥的砂礫石置換墊層的應(yīng)力擴散角;當 z/b ＜0.25時,取0°;當z/b=0.25時,取20°;當 z/b ≥0.5時,取30°,當0.25 ＜z/b ＜0.5時,用內(nèi)插法求得.

根據(jù)表1中的擋墻基底置換層的層厚和底寬復(fù)核最不利工況(工況3)時墊層底面處的總應(yīng)力(σcz+σz)是否滿足墊層底面處土層的允許承載力fz(經(jīng)修正),計算成果詳見表3.從表3可知,各置換層底面的應(yīng)力值均能滿足規(guī)范要求.

表3 擋墻基底置換層底面應(yīng)力計算成果表

另外,根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL265-2001)[3]和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2002)[4],置換層的厚度和底寬也均能滿足規(guī)范要求.

(5)擋墻基礎(chǔ)沉降估算成果

擋墻基礎(chǔ)沉降參考《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)[2]采用分層總和法估算,計算結(jié)果表明,左側(cè)擋墻壩上0+008m～壩上0+018m段最大沉降約48 mm,同一斷面左右側(cè)最大沉降差13 mm,相鄰部位的最大沉降差48 mm(壩上0+008 m處擋墻與建于巖基的重力壩段之間的沉降差);右側(cè)擋墻壩上0+008～壩上0+028段最大沉降約74 mm,同一斷面左右側(cè)最大沉降差37 mm,相鄰部位的最大沉降差46 mm(仍為壩上0+008 m處擋墻與建于巖基的重力壩段之間的沉降差).能滿足最大沉降量不超過150 mm、相鄰部位的最大沉降差不超過50 mm且能安全和正常使用的要求.

(6)其他

由于擋墻的高度及其基礎(chǔ)墊層的厚度和寬度均超常見規(guī)模,為確保工程安全,除按照有關(guān)規(guī)范進行上述計算使設(shè)計滿足規(guī)范要求外,還參考了《地基及基礎(chǔ)》[5]和《土力學(xué)地基與基礎(chǔ)疑難釋義》[6]中的設(shè)計參數(shù)取值、計算方法、設(shè)計和施工要點等,對前述設(shè)計參數(shù)取值和計算結(jié)果進行了全面的斟酌、復(fù)核和比照,結(jié)果表明,擋墻基礎(chǔ)沉降、地基置換層的厚度和底寬也均能滿足要求.

5 結(jié) 論

(1)與未摻入水泥的壓實砂礫卵石相比,若摻入5%水泥,其承載力可大幅度提高,合溪水庫工程相關(guān)試驗表明,幅度可高達40%以上,效果極好.

(2)摻入5%水泥的壓實砂礫卵石是極好的地基置換墊層,不僅可大幅度提高地基承載力,若用于粘性土地基表層,還可大幅度減小地基沉降量.(3)一般情況下,墊層法是工程上一種施工最簡便、應(yīng)用最廣泛的地基處理方法.墊層設(shè)計的主要內(nèi)容是確定合理的厚度和寬度,不僅應(yīng)滿足變形、應(yīng)力和穩(wěn)定等要求,還應(yīng)符合經(jīng)濟合理的原則,《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》(SL379-2007)和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2002)都指出墊層厚度“不宜大于3 m”.合溪水庫工程高混凝土擋墻基底墊層厚達2～6 m,但由于可充分利用擋墻地基為基坑回填砂礫卵石這一有利條件,且受高邊坡和原狀地基土中夾有大量大塊石等條件制約,采用灌注樁方案具有施工難度大、歷時長和造價高等缺點,經(jīng)綜合比較,最后采用摻入5%水泥的壓實砂礫卵石作地基表面墊層取代原灌注樁方案,既有利于施工,又節(jié)約了投資.

[1]江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司.SL 379-2007水工擋土墻設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,2007.

[2]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院,江蘇省水利勘測設(shè)計研究院.SL 265-2001水閘設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,2001.

[3]中華人民共和國水利部.SL 274-2001碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,2002.

[4]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[5]華南理工大學(xué),東南大學(xué),浙江大學(xué),等.地基及基礎(chǔ)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[6]趙明華,李 剛,曹喜仁,等.土力學(xué)地基與基礎(chǔ)疑難釋義[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.