深厚覆蓋層上的溢洪道設計

(貴州聚龍項目投資咨詢有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 工程概況

貴州省施秉縣黃金樹水庫首部樞紐由混凝土面板堆石壩、右岸開敞式溢洪道、左岸取水兼放空建筑物組成。溢洪道為無閘控制開敞式，共設1孔，溢流前沿凈寬10m，溢洪道長140.85m，最大單寬流量6.75m3/(s·m)，水庫已建成并通過下閘蓄水驗收。

2 溢洪道工程地質

溢洪道布置于大壩右岸，溢洪道邊坡地貌類型為侵蝕-剝蝕地貌，坡頂高程約977m，谷底高程約694m，高差約280m，自然坡度45°～60°，場地附近無大規模滑坡、坍塌等不良地質作用，岸坡為斜向巖質邊坡，坡體主要由覆蓋層、強風化巖體組成，植被較發育，對覆蓋層有一定固結作用，自然邊坡總體穩定性好。

根據地勘鉆孔揭露，邊坡第四系覆蓋層厚約20m，下伏基巖為寒武系下統把榔組(∈1p)灰綠色含云母頁巖、砂質頁巖夾薄層粉砂巖，巖層產狀N20°E/SE∠10°，巖層呈單斜構造，傾下游偏左岸，巖層走向與河流流向斜交，交角約70°～80°。強風化層巖體裂隙發育，松散破碎，巖體質量差；弱風化巖體呈層狀結構，裂隙較發育，巖體質量一般。溢洪道邊坡為二元結構，上部為覆蓋層，下部為強風化及弱風化層，覆蓋層為殘坡積黏土夾碎石，顆粒級配較差，覆蓋層開挖后，邊坡自穩能力差，易發生滑坡。地質專業要求采取相應支護措施，并分級開挖，建議每10m高差設置一級馬道，開挖坡比：覆蓋層1∶1～1∶1.25，強風化層1∶0.75～1∶1，弱風化層1∶0.75～1∶0.5。強風化層允許承載力0.6～0.8MPa，弱風化層上部允許承載力0.8～1.0MPa，弱風化層中下部允許承載力1.0～2.0MPa。

消力池出口沖刷區主要為寒武系下統杷榔組(∈1p)灰綠色含云母頁巖、砂質頁巖夾薄層粉砂巖，巖層產狀為N20°E/SE∠10°。巖石較軟，抗沖能力弱，泄洪建筑物出口易形成沖坑。由于溢洪道末端水流歸槽順暢，且沖刷區距壩腳較遠，水庫泄洪沖刷對岸坡穩定及壩體影響小，采取適當防沖措施即可。抗沖系數：強風化1.8～2.0；弱風化1.4～1.6。

本項目覆蓋層松軟，穩定性差，不能作為溢洪道地基。因此，將溢洪道持力層定在弱風化層上部，符合相關規范的要求。

3 溢洪道方案選擇

由于溢洪道所在山體巖石風化程度深，開挖至設計持力層深度也很深。按常規方法(方案一)整個泄槽需要開挖10m多，并且靠山體一側還需要放坡，以保證邊坡穩定。此外邊坡需要進行支護處理，才能成為永久邊坡，工程量較大。為了尋求最優方案，本項目擬采用樁基礎架空溢洪道泄槽方案[4](方案二)。

方案一：常規方案，開挖山體邊坡形成溢洪道。

方案二：樁基礎架空溢洪道泄槽。

以上兩種溢洪道方案優缺點對比見表1～表2。

表1 溢洪道方案對比

表2 溢洪道工程投資對比

由表1～表2可知，選擇相同建基面的條件下，方案一最大開挖邊坡高度達102.43m，總開挖量達7.01萬m3。開挖后還要進行大量的邊坡支護，以確保岸坡穩定。破壞岸坡原有植被，還要多征岸坡土地，棄渣運往渣場堆放。溢洪道投資達978.71萬元。方案二是將長90m的泄槽做成剛性底板，由挖孔樁支承，將大面積的基礎開挖改變為局部的孔樁開挖，岸坡僅需挖至泄槽底板標高即可，因此最大開挖邊坡高度僅15.95m，邊坡可不支護，保護了岸坡的生態環境。該方案泄槽底板是架空支承于孔樁上的鋼筋混凝土梁板結構，用鋼量比方案一大。經計算，溢洪道投資為458.85萬元，比方案一省519.86萬元，僅相當于方案一的47%，方案二(樁基方案)優勢非常明顯。

兩種溢洪道方案橫剖面見圖1～圖2。從圖2可以看出，常規方法采用深開挖，泄槽要開挖約11～15m深，開挖要自上而下，靠山一側還要放坡，由于岸坡山體高大、坡陡，高差約280m，自然坡度45°～60°。因此放坡的山頂標高是811.0m，而泄槽頂板標高709.58m，高差是101.4m。開挖后的邊坡是永久邊坡，還必須進行支護。采用噴混凝土+錨桿的支護方法沿整個坡面加固。方案一不僅增加了投資，而且還破壞了坡面綠色植被。

圖1 泄槽橫剖面圖(樁基方案)

圖2 泄槽橫剖面圖(常規方案)

優化后的“樁基礎架空溢洪道泄槽”方案將泄槽架空做成剛性底板支承于孔樁上。樁是按端承樁考慮，樁底必須擴孔才能使地基滿足受力要求，因此采用人工挖孔樁方式以便于擴孔。

4 溢洪道結構設計

溢洪道布置于大壩右岸，為無閘控制開敞式溢洪道，溢洪道總長140.85m。溢洪道設一孔，溢流前沿凈寬10.0m。進水渠中軸線長11.00m，底板厚0.3m，底板頂部高程719.30m?？刂贫窝唔敻叱?22.50m，基底高程713.00m，控制段長5.34m。泄槽段長104.51m，泄槽底坡i=30.998%，矩形過流斷面寬10.1m，邊墻厚0.4m，高1.5m，泄槽底板厚0.3m，泄槽底板及邊墻每隔20m設一道伸縮縫，縫寬2cm，內設1道銅止水并塞填瀝青油氈(二氈三油)。消力池長20.00m，深1.50m，護坦厚1.00m，護坦頂高程687.00m。進水渠底板與護坡采用C25混凝土，控制段溢流面、泄槽及消力池邊墻和底板采用C30抗沖磨混凝土，孔樁采用C25混凝土。

4.1 泄槽結構布置及計算

根據現場地形及結構需要，泄槽段布置10排孔樁，泄槽段共9跨，單跨長10.00m，泄槽寬11.00m(凈寬10.10m)。泄槽底板與邊墻每隔20m設一道伸縮縫，縫寬2cm(內設1道銅止水，縫內填瀝青油氈)，當泄槽底板因梁鋼筋布置無法設置止水時，在泄槽底板伸縮縫內填瀝青油氈，并設2道遇水膨脹止水條。

采用PKPM軟件(PKPM2010_v2.1)對泄槽結構進行分析，得出泄槽樁底內力，泄槽底板混凝土梁、板結構在各種工況下的內力，作為結構配筋的依據。

4.2 泄槽挖孔樁基礎設計

根據地質專業勘察的結果，樁基礎地基承載力按800kPa設計?？紤]到孔樁開挖較深，為便于開挖，孔樁直徑取1.20m，經計算，最大樁底軸力Nmax=2623.6kN，樁底壓力2321kPa(樁底不擴孔時)，大于地基承載力800kPa，須擴大樁底直徑[5]。樁底直徑擴大為2.00m時，對應樁底壓力721kPa，地基承載力滿足要求。

泄槽段共布置孔樁20根，單樁深約11～15m[3]，工程量小，若采用機械施工既不經濟也不便于擴孔，選用人工挖孔樁。由于孔樁與覆蓋層之間摩阻力小，孔樁設計為端承樁[1]。泄槽孔樁布置(溢0+047.00～溢0+87.00)見圖3。由于泄槽是架空設置，其布置不受地面起伏的影響，樁號溢0+067.00～溢0+087.00段是高于原地面布置的。樁開挖要求自上而下進行，每挖1m就立即做鋼筋混凝土護壁[2]，防止垮塌確保安全。

圖3 泄槽孔樁布置

4.3 控制段與消力池基礎處理

消力池基礎置于約15m厚覆蓋層上，為避免消力池護坦沉降開裂，須對消力池進行基礎處理。消力池地基采用1.0m厚碾壓塊石置換，置換塊石及下部地基采用振動碾壓實。消力池基礎處理方案見圖4。

圖4 消力池縱剖面

5 結 論

黃金樹水庫溢洪道的順利實施驗證了山區軟弱地基岸邊溢洪道樁基礎方案合理可行，證實了其施工簡便、投資節約的優良特性，避免了岸坡的開挖與支護，目前山上植被發育，保護了環境。在黔南、黔東南地區存在大量類似的工程地質條件，該項目為今后類似地質條件溢洪道建設提供了一套經濟合理的解決方案，并積累了寶貴經驗，具有借鑒意義。水庫工程投資較高，溢洪道方案優化后顯著地節約了投資。本文推薦的溢洪道方案在水利行業研究應用較少，值得進一步深入研究并推廣應用。