KEWZK水電站渠道工程濕陷性地基處理措施研究

于云飛

(新疆伊犁特克斯河水電開發有限公司，新疆 伊寧 835000)

0 引 言

地基穩定性是影響構筑物安全的重要因素。特殊地基土需要采取相關的治理措施，保障承載力和變形滿足要求。濕陷性黃土是一種常見的特殊地基土，其濕陷性對構筑物安全威脅較大，為了保證結構安全，對該類型土采取治理措施是十分必要的。在寒冷地區，地基土凍脹是造成構筑物破壞的原因。KEWZK水電站位于寒冷區域，針對渠道的濕陷性黃土需要采取綜合治理措施[1]。

1 工程概況

KEWZK水電站設計發電流量58.01m3/s。依據灌區規劃，電站引水渠承擔1873hm2耕地的灌溉任務，灌溉流量1.70m3/s；XY縣“兩鎮一鄉”規劃水平年供水區人口為7.27萬人，人飲引水流量為0.13m3/s；前池沖沙流量按照5%控制初步確定為3.00m3/s；渠道蒸發滲漏損失按0.7%考慮，為0.41m3/s，合計渠道設計流量為63.25m3/s。依據渠道沿線地質條件，引水渠2+500-4+300段渠基所在的坡積物和7+450-10+886.69段渠基所在的風積黃土具濕陷性，引水渠為該電站工程的重要建筑物，引水渠的安全性關系著電站工程的安全性，因此需加強對不良地質渠段的處理，提高渠道成功安全性。

2 渠基濕陷性處理方案

地基土濕陷性處理通常采用的方法有:浸水法、強夯法、灰土擠密樁法和翻夯法。為提出經濟合理的黃土處理方案，提出濕陷性黃土處理的建議：推薦坡積物渠段采用原土翻夯處理，黃土段采用“墊層法+翻夯法”。

針對各渠段擬處理渠基的地質特性、濕陷成因、厚度及范圍分布以及對其它重要建筑物的威脅程度確定適合的處理方案。

樁號2+500-4+300段渠基位于具強濕陷性的坡積物地層，屬自重濕陷，考慮渠基以下濕陷性坡積物厚度較小，擬采用翻壓措施，對渠基下坡積物全部挖除，調整至最優含水率后再分層碾壓填筑渠堤。

樁號7+450-10+640渠基位于深厚濕陷性黃土地層，經計算渠水及襯砌結構產生的荷載小于渠基黃土濕陷起始壓力，因此該段主要考慮加強防滲設計，減少渠道滲漏導致渠基黃土濕陷沉降。

前池連接段渠基處理：電站引水渠末端接前池，前池基礎采用樁基，考慮連接段渠道與前池變形的協調性以及加強對廠區建筑物的保護，對前池前連接段渠道渠基應加強處理，進一步減少連接段渠道沉降變形的風險，避免渠道失事危及廠區建筑物安全。結合渠道沿線地形地質條件，距前池最近處的沖洪溝位于渠道末端前約250m處，該沖洪溝沿Ⅳ級階段前坡面匯至河道[2-4]。考慮極端條件下若渠道發生險情，渠道水可沿該沖洪溝退至河道，該沖洪溝至電站前池及廠房具有較大的安全距離(大約200m)，因此渠道末端加強處理段范圍確定為前池至該沖洪溝段(樁號10+640-10+886.69)，對該段的具體處理方案研究了整體式鋼筋混凝土箱涵+灌注樁基礎、梯形渠道鋼筋混凝土筏板基礎+灌注樁基礎和梯形渠道+灰土擠密樁渠基等方案，經比較，前兩種方案工程投資較大(整體式鋼筋混凝土箱涵+灌注樁基礎方案該段渠道總投資1130萬元，梯形渠道鋼筋混凝土筏板基礎+灌注樁基礎該段渠道總投資1538萬元)，灰土擠密樁渠基處理方案投資相對較小(該段渠道總投資約249萬元)，設計擬對該段渠道采用灰土擠密樁處理方案，具體方案為將渠基開挖至設計渠底高程，開挖寬度為渠道開口寬度加兩側渠堤寬度范圍，對開挖成型后的渠基進行灰土擠密樁處理，灰土擠密樁樁徑45cm，樁距1.6m，樁長約21m，處理深度為渠基至濕陷性黃土底面(1186m高程)，渠基處理方案完成后按照設計斷面分層碾壓填筑渠堤，再在渠道內邊坡鋪設30cm厚灰土墊層，灰土墊層之上防凍脹砂礫石墊層、復合土工膜及渠道襯砌板同7+450-10+640渠段。

3 渠道結構分析計算

3.1 渠道抗凍脹設計

3.1.1 凍脹性渠基分布

根據引水渠沿線地質情況結合渠道縱橫斷面設計，引水渠樁號1+030-2+500渠基所在的低液限粉土，樁號2+500-4+300段渠基所在的含卵石粉土層坡積物，樁號7+450-10+887段渠基所在的風積黃土層均為凍脹性土，對以上渠段渠基需進行抗凍脹設計。

3.1.2 抗凍脹計算及設計

由氣象資料可知，工程區歷年最大凍土深度為0.69m，根據《渠系工程抗凍脹設計規范》(SL23-2006)，計算各渠段凍脹量。

1)設計凍深：

Zd=ψdψwZm

(1)

ψd=α+(1-α)ψi

(2)

(3)

式中：Zd為設計凍深，m；ψd為考慮日照及遮蔭程度的修正系數；ψw為地下水影響系數；Zm為歷年最大凍深，取0.69m；ψi為修正系數，根據規范查圖取1.10；α、β系數，α根據不同計算點查表得，β根據規范取0.79；Zwo為鄰近氣象臺(站)凍前地下水位深度，取2m；Zwi為計算點的地下水位深度，取6-50m。

2)基礎設計凍深：

根據《渠系工程抗凍脹設計規范》(SL23—2006)規定，當基礎板厚度δc≤0.5m時，基礎設計凍深可按下式計算：

Zf=Zd-0.35δ-1.6δw

(4)

式中:Zf為設計凍深，m；δω為冰層厚度，m；δw=0；δc為基礎板厚度，0.08m。

3)凍脹量計算：

基礎結構下凍土層產生的凍脹量hf按下式計算：

hf=hZf/Zd

(5)

式中：h為天然凍土凍脹量，cm；hf為基礎下凍土凍脹量，cm

計算結果詳見表1。

表1 凍脹量計算表

4)防凍脹設計：

根據表中計算可知：渠道底板和邊坡土的凍脹量為Ⅰ級，渠道工程必須采取抗凍脹措施。從計算結果看，渠道襯砌板下的基土凍脹量最大1.90cm，不滿足渠道混凝土襯砌允許法向位移值<1cm的要求，因此，渠道襯砌需要選用適宜的基土換填，以滿足渠道抗凍脹要求。

結合當地的工程實踐經驗，確定混凝土襯砌渠道采用砂礫石換填的防凍脹措施。換填深度計算公式為：

Ze=εZd-δo

(6)

式中：Ze為置換深度，cm；δo為襯砌板厚度，cm；ε為置換比，%，坡面上部取60%，坡面下部和底部取70%。

置換深度計算結果詳見表2。

表2 置換深度計算表

通過以上方法計算可知，換填厚度最大為56cm，通過對北疆近年來抗凍脹渠道護坡的調查，護坡下砂礫石防凍墊層的置換厚度約50cm左右，工程經過多年的運行，情況良好。因此，本次設計考慮襯砌影響，混凝土護坡下防凍墊層的置換厚度取50cm，抗凍材料利用當地砂礫石。

4 結 論

結合KEWZK水電站渠道工程地質條件和氣象條件，渠道地基土具有濕陷性，且存在凍脹破壞性。結合工程經驗和場地實際情況，采取坡積物渠段采用原土翻夯處理，黃土段采用“墊層法+翻夯法”對濕陷性黃土進行處理，針對不同的濕陷性黃土厚度以及和前池連接部位采取不同的處理手段。結合當地的凍脹條件，經計算確定護坡下砂礫石防凍墊層的置換厚度約50cm左右可滿足防凍需求，可為區域類似工程設計提供參考。