考慮運行期不均勻沉降影響的壩下涵洞縱坡設計

李衛鵬

(水利部新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 前 言

在山前洪積扇前沿地區廣泛分布著軟弱黏性土尤其是飽和軟弱黏性土，此類軟土都具有以下特征：含水量高、壓縮性大、滲透性差、靈敏度高、強度低和厚度不均勻等[1]。此類軟土地基不經過處理，在運行期建筑物荷載等作用下地基會發生較大的沉降量和不均勻沉降，而且沉降持續時間會很長，嚴重影響建筑物的正常使用。

文章結合新疆某平原水庫工程，對軟黏土地基上的壩下涵洞進行了施工期縱向底坡設計，設計時充分考慮了水庫蓄水運行后涵洞基礎不均勻沉降和沉降量過大等問題。砂井預壓法能夠排出飽和軟黏土地基中的水分，加速土體固結，具有使地基承載能力和穩定性顯著提高等優點，是一種行之有效的軟土地基加固處理方法[2-6]。因此在涵洞修建前，先對涵洞基礎進行了砂井預壓處理。通過將處理后特征點沉降量差值與涵洞永久設計底坡所需的高差進行疊加，進而得出施工期涵洞各段縱向底坡。此設計思路能夠有效避免運行期不均勻沉降導致涵洞水力學條件發生惡化，進而影響涵洞的正常使用，也可為今后類似工程設計提供借鑒。

1 工程與地質概況

新疆某平原水庫依托山前洪積扇前沿天然地形，通過東、西、南、北四面筑壩而成。壩頂高程689.00 m，最大壩高18 m，壩軸線長度約6.0 km，總庫容2 700萬m3。壩頂寬度8.0 m，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2.0。水庫主要建筑物包含水庫大壩、入庫建筑物、供水兼退水閘井、壩下涵洞等。該水庫位于洪積扇前沿的洼地內，庫區地形較平坦，地勢開闊，總地勢西高東低，地面高程672.00～688.00 m，地下水位埋深為2.5～11.8 m。水庫庫盤內覆蓋層巨厚，巖性主要為第四系全新統～上更新統洪積含土角礫和低液限黏土，夾中-粉細砂和粉土層。含土角礫和低液限黏土在庫盤內分布不均一，其中含土角礫主要分布于西庫盤，低液限黏土廣泛分布于東庫盤。壩下涵洞坐落于水庫東壩段低液限黏土地基上，黏土層巨厚，地勘資料顯示80 m深鉆孔覆蓋層未揭穿。

2 涵洞基礎處理

涵洞基礎采用砂井預壓法處理，用壩體分期填筑代替分級加載預壓過程。根據合同工期要求，初擬壩體分期填筑過程如下：① 壩體分3期填筑，其中1期填筑高程678.00 m，填筑歷時90 d，恒載預壓時間270 d；2期填筑高程684.00 m，填筑歷時90 d，恒載預壓時間270 d；3期填筑高程689.00 m，加載歷時90 d ，恒載預壓時間180 d。② 預壓結束后，在壩體上進行涵洞基坑開挖、混凝土澆筑、涵頂壩體填筑等工作。涵洞基礎分級加載預壓過程如圖1所示。

圖1 涵洞基礎分級加載預壓過程圖

為了提高基礎固結效率，涵洞基礎布設砂井進行排水。砂井采用普通砂井，平面布置采用正方形布置形式，砂井直徑為0.3 m，砂井間距為2.0 m。本工程由于低液限黏土覆蓋層巨厚，80 m深鉆孔覆蓋層未揭穿。因而本工程砂井采用未打穿砂井，砂井深度結合施工能力及施工效率確定為25 m。

3 沉降量計算

3.1 壩基最終沉降量計算

壩基沉降計算[7]按照SL274-2001《碾壓式土石壩設計規范》附錄E的規定進行：壓縮曲線按照E.1.2的規定，整理每層土的平均壓縮曲線；壩基任一點的附加應力由壩基表面矩形分布荷重和三角形分布荷重所引起的豎向應力疊加而得。該附加應力按式(1)～(3)計算：

pz=KTq

(1)

(2)

(3)

式中：pz為壩基任一點的附加應力；q為三角形或矩形分布荷重；b為三角形或矩形分布荷重x軸向寬度；KT為應力系數，按表E.2.4-1和表E.2.4-2查取。

計算土層厚度每層取1 m；計算域深度確定原則如下：壩基附加應力等于自重豎向應力20%處的深度即為計算深度。壩基沉降量可用分層總和法按照下式計算：

(4)

式中：St為壩基總沉降量,mm；ei0第i層的起始孔隙比；eit第i層豎向有效應力作用下的孔隙比；hi第i層土層厚度；n土層分層數。

未經處理天然地基的最終沉降量計算分為2種荷載工況：壩體自重工況、壩體自重+水荷載工況。計算時將壩體自重和水荷載劃分成附加應力可查表確定的矩形區域和三角形區域。壩體橫斷面、涵洞位置、荷載區域劃分、計算點選取(計算點0為庫盤中點)等見圖2。

壩體自重、壩體自重+滿蓄水荷載不同荷載工況下天然地基最終沉降量計算結果見表1。

圖2 壩體橫斷面、涵洞位置、沉降計算點及荷載區域劃分圖

編號荷載工況計算點0沉降量/mm計算點1沉降量/mm計算點2沉降量/mm計算點3沉降量/mm計算點4沉降量/mm計算點5沉降量/mm1壩體自重-190.04865.341322.81877.15189.462壩體自重+滿蓄水荷載801.34919.261322.181699.451186.91292.86

3.2 預壓結束時刻地基平均固結度計算

本工程由于砂井采用未打穿砂井，因而地基固結度計算按照未打穿砂井理論分為砂井處理層和砂井底部下臥層。在進行固結度計算時，砂井范圍內的處理區地基按砂井貫穿整個軟土層的方法計算，取砂井深度作為豎向排水距離；對于砂井以下的下臥層地基按單面排水的一維固結理論計算，并將砂井底面作為排水面。也就是說，處理區地基按三維固結計算，下臥層地基按一維固結計算。計算方法采用改進的高木俊介法(建筑地基處理規范推薦方法)，預壓結束時刻地基各層平均固結度計算結果見表2。

表2 地基各層平均固結度計算結果表

3.3 預壓后壩基運行期沉降量計算

壩基運行期的沉降量通過壩體自重+水荷載引起的天然地基最終沉降量減去砂井預壓處理掉的沉降量確定。砂井預壓處理掉的沉降量包含砂井處理層沉降量和砂井底部下臥層沉降量，大小通過上述2層在預壓荷載下天然地基的最終沉降量與各層在預壓結束時刻的固結度相乘確定。預壓后壩基運行期沉降量計算結果見表3。

4 涵洞縱坡設計

4.1 涵洞基礎運行期沉降量計算

本工程壩下涵洞為無壓泄水洞，斷面尺寸確定時，涵洞過水能力與縱向底坡大小密切相關，水力學計算時選取的涵洞縱向底坡為1/200(即永久設計底坡)。涵洞基礎運行期沉降量計算的目的在于合理設計涵洞施工期底坡，避免施工結束后隨著水庫蓄水涵洞基礎不均勻沉降加劇導致涵洞沿水流向出現逆坡，從而造成涵洞水力學條件惡化，嚴重時影響涵洞的正常使用。因此，本工程涵洞設計時，依據壩基運行期各計算點的沉降量(內插或者直接應用)求得涵基0+000.000 m、0+017.000 m、0+041.000 m和0+090.000 m處涵洞運行期沉降量，涵洞特征樁號處地基運行期沉降量計算結果見表4。

表3 預壓后壩基運行期沉降量計算結果表

表4 涵洞特征樁號處地基運行期沉降量表

4.2 涵洞施工期縱向底坡推求

將涵洞特征樁號處地基運行期沉降量進行連線，以水平面為參考面對沉降量連線進行鏡像，將沉降量連線鏡像線作為涵洞施工期縱向底坡，則在運行期沉降結束后，涵洞縱向底坡將變為零坡。涵洞永久設計底坡為1/200，因此需將沉降量連線鏡像線和永久設計底坡1/200所需的涵洞各特征樁號處的高差進行疊加，進而根據疊加后的高差值推求出涵洞施工期縱向底坡,如表5所示。

表5 涵洞施工期縱向底坡推求結果表

4.3 涵洞在各控制底坡組合下的流速及水面線計算分析

本工程壩下涵洞為無壓泄水洞，涵洞總長90 m，設計流量為32 m3/s。根據沉降量計算結果將涵洞分為3段進行底坡設計。根據設計思路(疊加原理)可知，3段涵洞可能出現的永久底坡范圍分別為1/200～1/170、1/200～1/90和1/200～1/70，即運行期沉降量達到計算值時涵洞底坡為最小值，沉降量為0時涵洞底坡為最大值。現通過計算3段底坡均為1/200和3段底坡分別為1/170、1/90、1/70兩種不同組合工況下涵洞通過設計流量時的水面線來驗算涵洞底坡設計的合理性和運行的安全性。水面線計算結果分別如表6、7所示。

表6 涵洞底坡為組合1工況下的水面線計算表

表7 涵洞底坡為組合2工況下的水面線計算表

通過涵洞在各控制底坡組合下的流速及水面線計算分析可以發現，在各種底坡組合下涵洞過流能力均能滿足要求；涵洞沿程各斷面最大流速均遠小于高速水流的下限值15 m/s，因而各斷面襯砌結構均不會發生空蝕破壞等情況；涵洞每10 m設置1道結構縫，每個結構縫之間均布置了混凝土地墊梁，一定程度避免了縱向不均勻沉降導致涵洞漏水產生接觸面沖刷破壞。此外，為了確保穿壩涵洞運行的安全性，涵洞結構縫之間采用了雙層止水，分別為內層的銅片止水和外層的橡膠止水。

5 結 語

文章結合新疆某平原水庫工程，在考慮運行期涵洞基礎不均勻沉降影響因素下，對軟土地基上的壩下涵洞進行了縱向底坡設計，通過分析計算可以得出以下幾點結論：

(1) 軟基上的此類壩下供水、泄水建筑物，在縱向底坡設計時應充分考慮運行期建筑物基礎的不均勻沉降特性；

(2) 為了避免運行期不均勻沉降導致此類水工建筑物沿水流方向出現逆坡情況的發生，進而影響建筑物的正常使用和運行安全，底坡設計時應將水流向的不均勻沉降差與永久設計底坡所需的高差進行疊加，根據疊加后的綜合高差推求出合理的施工期縱向底坡；

(3) 當運行期建筑物的實際沉降量小于理論計算值時，此時建筑物的實際縱向底坡值均大于建筑物的永久設計底坡，而且各段底坡值沿水流向在逐漸增大，建筑物內不會發生水躍，也能確保在設計流量下建筑物的運行安全；

(4) 為了確保建筑物運行期正常使用，施工期設計底坡的取值應比計算取值稍大，預留合理的安全余量。