南拒馬河倒虹吸進(jìn)出口漸變段抗浮穩(wěn)定措施研究

李文君，張文友

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 工程概況

南拒馬河倒虹吸是南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急工程中的一座大型穿河建筑物，位于河北省淶水縣八岔溝北與北橫岐北的南拒馬河上，建筑物起止樁號220+794.32～221+602.32，全長808m，相應(yīng)口門寬度為600m，建筑物等級為1級；設(shè)計(jì)流量60m3/s，加大流量70m3/s，倒虹吸進(jìn)出口段渠道縱坡1/25000，底寬7.5m，邊坡1∶2.5，水深4.3m。防洪標(biāo)準(zhǔn)為河道100a一遇洪水設(shè)計(jì)，300a一遇洪水校核；建筑物地震設(shè)計(jì)烈度為7°。倒虹吸上游渠底高程56.676m，設(shè)計(jì)水位60.976m，加大水位61.114m；下游渠底高程56.43m，設(shè)計(jì)水位60.73m，加大水位60.869m。

南拒馬河交叉斷面河床底高程58.7m，布置建筑物后100a一遇洪峰流量5174m3/s，相應(yīng)洪水位63.91m；300a一遇洪峰流量7153m3/s，相應(yīng)洪水位64.37m；汛前施工期即枯水期20a一遇洪水流量140m3/s，相應(yīng)洪水位60.63m。

南拒馬河倒虹吸主體工程由進(jìn)口漸變段、進(jìn)口檢修閘段、管身段、出口工作閘段及出口漸變段5部分組成。

進(jìn)口漸變段長40m，分離底板鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底寬7.5～11.4m，底板高程56.68～54m；兩側(cè)邊墻為直線扭曲面，上游始端為貼坡式擋土墻，最大邊坡1∶2.5；末端為直壁半重力式擋土墻。進(jìn)口漸變段一級馬道高程62.48m，堤頂高程66.5m。

進(jìn)口檢修閘室長10m，開敞式鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)2孔，每孔凈寬5.1m，設(shè)疊梁式檢修閘門，底板高程54m。

管身段由進(jìn)口斜坡段、水平管身段和出口反坡段三部分組成，長度分別為38，600，40m，管身均為兩孔一聯(lián)的鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，單孔過水?dāng)嗝?.1m×5.1m，水平管身底高程47.2m。

出口工作閘室長20m，2孔，每孔凈寬5.1m，設(shè)弧型工作鋼閘門和疊梁式檢修閘門，底板高程54.53m。

出口漸變段長60m，結(jié)構(gòu)型式同進(jìn)口漸變段，底板高程54.53～56.43m，一級馬道高程62.18m，堤頂高程67.2m。

倒虹吸上、下游總干渠均為挖方渠段，梯形斷面，設(shè)計(jì)底寬7.5m，邊坡系數(shù)2.5，縱坡1/25000，現(xiàn)澆混凝土襯砌。

2 工程地質(zhì)條件

建筑物區(qū)域?qū)偬猩綎|麓緩丘陵與山前傾斜平原過渡地帶。南拒馬河自北流向南，河床及漫灘寬200m，其中主河床寬40m；左岸漫灘寬100m；右岸漫灘受河流侵蝕較窄。漫灘兩側(cè)普遍分布一級階地，地面高程61.4～63.7m。

建筑物區(qū)域地質(zhì)為土巖多層結(jié)構(gòu)，由第四系卵石層、黃土狀砂壤土、粘土及強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r與砂質(zhì)頁巖互層等組成。建基面范圍除管身段局部分布有小片的透鏡體狀中粗砂、礫砂外，大部為卵石層。卵石的磨圓度較好，其中漂石占10%，主要成分為石英砂巖和灰?guī)r。卵石層分布連續(xù)穩(wěn)定，含水量5.6%～18.6%，濕密度2.2～2.58g/cm3，干密度2.1～2.17g/cm3，內(nèi)摩擦角33°，變形模量25kPa，地基承載力400kPa。卵石層具有較強(qiáng)透水性，滲透系數(shù)260m/d，相應(yīng)于國際標(biāo)準(zhǔn)單位3×10-1cm/s。地下水位枯水期一般在35.0m以下，汛期升至50～52m。

3 設(shè)計(jì)中存在的重大技術(shù)問題

本工程具有兩大特點(diǎn)：一是地基為厚度較大的卵石層，另一個(gè)是河道洪水位較高。隨之帶來的兩個(gè)技術(shù)問題就是地基滲漏問題和建筑物抗浮穩(wěn)定問題。對于建筑物的滲漏問題，一般采用結(jié)構(gòu)措施比如控制混凝土裂縫的產(chǎn)生、加強(qiáng)施工縫和沉降縫止水等方法，可以得到解決；而對于建筑物抗浮穩(wěn)定問題的解決要復(fù)雜得多，尤其是對于進(jìn)出口漸變段，南拒馬河交叉斷面布置建筑物后100a一遇洪水位為63.91m，高于進(jìn)出口渠底7.23～7.48m，因其處于挖方渠段，本身又是分離底板結(jié)構(gòu)，河道洪水透過孔隙較大的卵石直接作用在底板底部。因此解決倒虹吸進(jìn)出口漸變段的抗浮穩(wěn)定問題成為工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)技術(shù)課題。

4 進(jìn)出口漸變段抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算

4.1 計(jì)算方法和計(jì)算模型

進(jìn)出口漸變段是沿程呈變斷面的非規(guī)則棱柱形輸水槽，不但兩側(cè)邊坡沿軸線在不斷變化，而且底板高程也在變化。若將該段做為整體計(jì)算其難度是相當(dāng)大的，因此仍采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)法即切割剖面法進(jìn)行計(jì)算。在同樣水頭作用下，影響結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定的因素是結(jié)構(gòu)布置高程和結(jié)構(gòu)自重。對于底板而言，由于緊臨閘室一端高程較低，底部承受的揚(yáng)壓力較大，抗浮穩(wěn)定性較差。對于扭曲面護(hù)坡而言，由于遠(yuǎn)離閘室一端厚度較薄，自重較小，抗浮穩(wěn)定性也較差。綜合考慮，應(yīng)將緊臨閘室一端的底板和遠(yuǎn)離閘室一端扭曲面護(hù)坡做為重點(diǎn)研究對象。

4.2 計(jì)算工況分析

根據(jù)工程運(yùn)行情況及工程主管部門要求，為保護(hù)總干渠建筑物的安全，在全線通水前要求渠道預(yù)留不小于1.0m的水深，以防因地基凍脹導(dǎo)致結(jié)構(gòu)沉陷、隆起等變形破壞現(xiàn)象的發(fā)生。因此進(jìn)出口漸變段抗浮穩(wěn)定計(jì)算進(jìn)行了4種不利工況的分析比較。

（1）總干渠設(shè)計(jì)水位+河道100a一遇洪水位的工況，在該工況條件下，總干渠內(nèi)外的水位差為2.93～3.18m；

（2）總干渠1.0m水深+河道100a一遇洪水位工況，此時(shí)總干渠內(nèi)外的水位差為6.23～6.48m。

（3）總干渠加大水位+河道300a一遇洪水位的工況，在該工況條件下，總干渠內(nèi)外的水位差為3.26～3.51m。

（4）總干渠建成無水+河道枯水期20a一遇洪水位的工況，在該工況條件下，總干渠內(nèi)外的水位差分別為：遠(yuǎn)離閘室一端為3.95～4.20m，緊鄰閘室一端為6.63～6.88m。

比較上述4種工況下總干渠內(nèi)外水位差不難發(fā)現(xiàn)，其中以第2種工況對結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定最為不利，故以此作為控制計(jì)算工況。

4.3 抗浮穩(wěn)定狀況分析

根據(jù)現(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)布置情況，進(jìn)出口漸變段采用分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在控制計(jì)算工況條件下進(jìn)出口漸變段底板所受到揚(yáng)壓力達(dá)24704～36057kN，遠(yuǎn)大于底板自重+水重11113～15462kN，不能滿足抗浮穩(wěn)定要求。而對于遠(yuǎn)離閘室一端的扭曲面護(hù)坡在同樣條件下承受的揚(yáng)壓力呈梯形分布，進(jìn)出口漸變段兩側(cè)翼墻所受揚(yáng)壓力為40280～62845kN，均大于護(hù)坡自重+水重27834～41751kN，也不能滿足抗浮穩(wěn)定要求。

5 抗浮穩(wěn)定措施方案

滿足建筑物抗浮穩(wěn)定的措施有3個(gè)對策方案：第1方案加大底板厚度，使其自身重量+水重大于底部所承受的揚(yáng)壓力；第2方案在底板底部增設(shè)抗拔樁以分擔(dān)所承受的揚(yáng)壓力；第3方案采用換基措施即將地基表層強(qiáng)透水的卵石層換成滲透系數(shù)較小的礫石土，以形成防滲體削減底部揚(yáng)壓力。

5.1 加厚底板方案設(shè)計(jì)

式中 δ為漸變段底板的厚度（m）；k為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取k=1.1；H1為河道100a洪水位（m），在控制工況條件下H1=63.91m；H0為總干渠水位（m），H0=57.68m；γ0為混凝土容重（kN/m3），γ0=25kN/m3。

將上述各參數(shù)代入（1）式，得到δ=4.89～5.09m。也就是說，只有當(dāng)漸變段底板厚度增加到4.89～5.09m時(shí)才能滿足抗浮穩(wěn)定要求，為此需增加土方開挖6850m3，混凝土量6850m3。該方案投資估算增加277萬元。

欲使?jié)u變段底板滿足控制計(jì)算工況下的抗浮穩(wěn)定要求，其厚度可按式（1）求出：

5.2 抗拔樁方案設(shè)計(jì)

抗拔樁擬采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑0.8m。其單樁抗拔力可按式（2）求出。

式中 Rb為待求的單樁抗拔力（kN）；d為樁徑（m），d=0.8m；γd為混凝土容重（kN/m3），γd=25kN/m3；l為樁長（m），l=8～10m；f為混凝土與地基土層之間摩擦系數(shù)，對砂卵石可取0.45～0.55，這里取f=0.45；γ′0為地基土層浮容重（kN/m3），對砂卵石取γ′0=14kN/m3；φ為地基土層內(nèi)摩擦角（°），對砂卵石取φ=33°。

將上述各參數(shù)代入（2）式，得到單樁抗拔力Rb=249～357kN。

在控制工況下，上游漸變段底板所受揚(yáng)壓力24704kN，底板自重+水重為11113kN，兩者之差即底板承受頂托力為13591kN，按單樁抗拔力249kN計(jì)，需設(shè)置長8m抗拔樁55根，平均4.7m2/根。單側(cè)邊坡底板所受揚(yáng)壓力40280kN，底板自重+水重為27834kN，兩者之差為12446kN，按單樁同等抗拔力計(jì)，需設(shè)50根抗拔樁，平均4.8m2/根。上游漸變段共設(shè)抗拔樁155根。

下游漸變段底板所受揚(yáng)壓力36057kN，底板自重+水重15462kN，兩者之差為20595kN，按單樁抗拔力357kN計(jì)需設(shè)長10m抗拔樁58根，平均5m2/根。單側(cè)邊坡底板所承受的揚(yáng)壓力62845kN，自重+水重41751kN，兩者之差為21094kN，按單樁同等抗拔力計(jì)需設(shè)抗拔樁59根，平均6m2/根。下游漸變段共設(shè)抗拔樁176根。

在增設(shè)抗拔樁的同時(shí)，考慮漸變段底板和護(hù)坡厚度太薄，在剛度上與樁徑不相匹配，應(yīng)在樁頂設(shè)厚度不小于1m的“?！弊中蔚亓?，為此除抗拔樁外需另增混凝土量980m3。該方案投資估算約增加198.21萬元。

5.3 換基方案設(shè)計(jì)

對于換基方案，根據(jù)當(dāng)?shù)亓显辞闆r采用卵石土即基坑開挖的砂卵石經(jīng)篩分與粘性土均勻拌合后的混合料做為防滲體。卵石土的厚度應(yīng)滿足3個(gè)條件：①在控制工況下其最大滲透比降應(yīng)不超過規(guī)范規(guī)定的允許值4～5。按此規(guī)定，卵石土的厚度應(yīng)不小于2m，為安全起見實(shí)際厚度采用2.8m，并沿底部輪廓包裹一層0.5mm厚的土工膜，以加強(qiáng)防滲效果。②漸變段底部增設(shè)防滲體后便形成一個(gè)“軟殼地下航母”。為保證航母的抗浮穩(wěn)定，按照水力學(xué)原理要求自身的重量必須大于所排開水體的重量。通過計(jì)算表明，漸變段首尾兩個(gè)斷面在控制工況下的自重分別為29255kN/m和49314kN/m，100a洪水位以下排開水體的重量分別為22221kN/m和33474kN/m。兩個(gè)斷面的自重均大于所排開水體的重量，說明建筑物在整體抗浮穩(wěn)定方面是安全的。③漸變段底部增設(shè)防滲體后底板兩側(cè)伸縮縫斷面的剪應(yīng)力應(yīng)小于該斷面的抗剪強(qiáng)度，以保證防滲體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全。該斷面的抗剪強(qiáng)度可采用[τ]=σ·tan準(zhǔn)+c計(jì)算，式中σ通過簡單計(jì)算可知σ=25.3kN/m2；卵石土的內(nèi)摩擦角準(zhǔn)=20°；卵石土粘滯力c=10kN/m2。將有關(guān)參數(shù)代入式中得 [τ]=26.4kN/m2。該斷面在控制工況下承擔(dān)的剪應(yīng)力為22.3kN/m2，小于抗剪強(qiáng)度，滿足防滲體的強(qiáng)度安全要求。

該方案增加土方開挖19380m3，卵石土回填16105m3，復(fù)合土工膜6720m2，投資估算約增加71萬元。

5.4 方案比選

通過對上述3個(gè)方案的比選認(rèn)為，對于工程規(guī)模不大的建筑物來說，為提高其抗浮穩(wěn)定性需將底板厚度加大近5m，這無論在經(jīng)濟(jì)上還是在實(shí)用上都是不合理的。對于增設(shè)抗拔樁方案，由于在卵石層中造孔難度較大，若采用機(jī)械施工對地基可能會產(chǎn)生一定的擾動，其次在工程實(shí)踐上應(yīng)用較少。換基方案能充分利用當(dāng)?shù)夭牧希黾油顿Y較少。綜合考慮各種因素推薦采用換基方案。

6 推薦方案布置和技術(shù)要求

為使?jié)u變段混凝土襯砌、礫石土和土工膜形成封閉的防滲體，要求：①兩側(cè)護(hù)坡礫石土回填高程應(yīng)超過100a一遇洪水位0.5m；②土工膜頂部包邊高程至少與一級馬道平；③卵石土回填時(shí)卵石最大直徑不超過40mm；卵石含量不大于50%，粘粒含量不小于11%；小于0.075mm顆粒含量不大于15%；礫石土的壓實(shí)度不得低于0.98，滲透系數(shù)不大于1×10-5cm/s；④為確保防滲體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全性，將底板兩側(cè)伸縮縫由直線形改為折線形，以增加接縫斷面的抗剪強(qiáng)度；⑤為確保建筑物整體抗浮穩(wěn)定安全，在全線通水前每年汛期應(yīng)盡量提高總干渠內(nèi)的水位。

7 結(jié)語

（1）南拒馬河倒虹吸地基為卵石層，汛期100a一遇洪水位較高，在設(shè)計(jì)上存在嚴(yán)重的抗浮穩(wěn)定安全問題。

（2）根據(jù)給出的設(shè)計(jì)指標(biāo)和特殊的地質(zhì)條件，為提高建筑物抗浮穩(wěn)定性，在理論計(jì)算和分析基礎(chǔ)上提出了3個(gè)可行的對策方案，并推薦采用換基方案。

（3）工程實(shí)踐表明，采用換基措施對于建筑物抗浮穩(wěn)定是一個(gè)合理、可行而有效的方案。

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