南水北調(diào)東線八里灣泵站翼墻優(yōu)化設計

歐 勇 吳曉榮 尚俊偉

（中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司 蚌埠 233001）

南水北調(diào)東線八里灣泵站翼墻優(yōu)化設計

歐 勇 吳曉榮 尚俊偉

（中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司 蚌埠 233001）

為節(jié)省工程投資，對八里灣泵站站下和站上翼墻進行優(yōu)化設計。以站下翼墻為例，通過分兩級平臺的布置型式、墻后換填水泥土、設置減壓平臺等措施，降低了擋土高度，減小了墻后土壓力。并通過計算確定了墻后二級平臺距擋墻的最小距離、換填水泥土的力學性能指標和回填范圍、減壓平臺的位置和長度，為以后類似工程設計問題積累了實踐經(jīng)驗。

八里灣泵站 翼墻 凝聚力 內(nèi)摩擦角 水泥土 減壓平臺

1 工程概況

八里灣泵站南水北調(diào)東線工程的第十三級泵站，設計調(diào)水流量為100m3/s，安裝4臺機組，單機容量2800kW，總裝機11200kW，為Ⅰ等工程，泵站工程設計防洪標準為30～1000年一遇。泵站站下、站上設計防洪水位分別為43.80m和44.80m，采用堤身式布置，站身直接擋洪，泵站建筑物由泵房（包括副廠房、安裝間）、清污機橋、前池、進出水池、站下和站上翼墻、進出水渠、公路橋、堤防與站區(qū)平臺等組成。工程靜態(tài)總投資約2.7億元。

站下和站上翼墻是連接泵站上下游和站區(qū)平臺的主要建筑物，級別均為1級，分別布置在泵站的前池、進水池和出水池兩側。泵站進、出水池底板頂高程分別為27.20m、34.26m，站區(qū)平臺考慮防洪要求高程確定為46.10m，故進、出水池與站區(qū)平臺的高差分別達18.90m和11.84m，若采用常規(guī)的思路和方案設計站下和站上翼墻，擋土高度勢必會較大，尤其是站下翼墻，結構尺寸也會較大，為了節(jié)省工程投資，對其優(yōu)化設計十分必要。因此，本文以站下翼墻為例，介紹其優(yōu)化設計。

2 總體布置型式優(yōu)化

圖2 站下翼墻擋墻與邊坡結合布置方案

由于進水池和站區(qū)平臺高程相差較大，設計經(jīng)反復研究，決定采用兩級平臺的布置型式來降低擋土墻的擋墻高度，以減小翼墻的斷面尺寸，降低工程投資。根據(jù)八里灣泵站運行條件，其站下最高調(diào)水位為37.0m，故第一級平臺高程確定為39.3m。一級平臺和站區(qū)平臺采取兩種布置方案。方案一采用垂直擋土墻方案，該方案工程量較大，投資較高，但站區(qū)平臺頂面積較大，見圖1。方案二采用1∶3的邊坡連接方案，見圖2。方案二與方案一相比，混凝土工程較小，可節(jié)省816m3，投資節(jié)省約80萬元，但站區(qū)平臺面積縮小2720m2，經(jīng)綜合分析，確定采用方案二。

兩級平臺的布置型式，最重要的是確定二級平臺對一級擋墻的墻后土壓力的影響，根據(jù)朗肯土壓力理論，計算一級擋墻穩(wěn)定時，需考慮二級平臺對墻后土壓力的影響，但二級平臺若在一級擋墻墻后滑動土體之外，則其對土壓力的影響較小，工程上可忽略不計。墻后滑動土體的范圍計算簡圖見圖3。計算公式如下：

墻后回填土選用粉質粘土或重粉質壤土，回填土容重不小于19.5kN/m3，抗剪強度指標（直接快剪，下同）不小于c=30kPa、φ=8°，經(jīng)計算，最小距離L=8.52m。故只要二級平臺坡腳位置距離一級擋墻底板末端鉛直面的水平距離不小于8.52m，其二級平臺就不會對一級擋墻產(chǎn)生附加土壓力。

圖3 滑動土體范圍計算簡圖

圖4 站下翼墻斷面圖（普通空箱扶壁結構方案）

圖5 站下翼墻斷面圖（帶減壓平臺結構方案）

表1 翼墻抗滑穩(wěn)定計算成果表

3 結構方案優(yōu)化

圖6 墻后土壓力計算簡圖

在確定了站下翼墻總體布置型式后，其擋土凈高度由18.9m降低到了12.1m，設計研究了普通空箱扶壁結構方案和帶減壓平臺結構方案，兩方案翼墻斷面分別見圖4和圖5。帶減壓平臺結構方案比普通空箱結構方案節(jié)省混凝土908m3，節(jié)省投資約100萬元，故站下翼墻采用帶減壓平臺的空箱擋土墻方案。為了進一步減小翼墻后土壓力，優(yōu)化翼墻斷面，根據(jù)土壓力理論分析，使作用在擋土墻上的土壓力最小，應該選擇抗剪強度高、性質穩(wěn)定的材料做填料，設計對墻后墻后高程28.70m以下的回填土采用水泥摻量為8%的水泥土換填，水泥土壓實度不小于0.96，分層壓實，分層厚度不大于0.3m，水泥土的抗剪強度指標（直接快剪，下同）應不小于c=80kPa、φ=30°，如圖5所示，水泥土底寬2m，邊坡取素填土穩(wěn)定坡比1∶2.5。

為保證上述確定的設計方案安全穩(wěn)定，根據(jù)《水工擋土墻設計規(guī)范》（SL379-2007）規(guī)定對站下翼墻進行抗滑穩(wěn)定復核，計算工況選取完建期和設計運行期。完建工況時墻前后無水；設計運行工況時，墻前水位比較穩(wěn)定，取泵站進水池設計運行水位36.12m，墻后水位主要受泵站運行水位、地下水位及東平湖水位影響，根據(jù)地質勘查，地下水位為37.60m，地下水類型為松散巖類孔隙水，主要由溝、渠和大氣降水補給，墻后水位較高，但可以通過工程措施將墻后和墻前水位差控制在1.0m范圍內(nèi)，因此站下翼墻墻后水位取37.12m。

站下翼墻由于設置了減壓平臺，其土壓力計算較為復雜，為方便計算，將回填土和水泥土抗剪強度指標簡化為等效內(nèi)摩擦角。換算時，墻后回填土的凝聚力和內(nèi)摩擦角計算值按設計值選取，考慮到水泥土現(xiàn)場拌合的不均勻性，水泥土的凝聚力計算值按設計值的一半選取，內(nèi)摩擦角按設計值選取。經(jīng)計算，回填土的等效內(nèi)摩擦角約為30°，水泥土的等效內(nèi)摩擦角約為60°。墻后土壓力分五個部分計算：在減壓平臺以上的土壓力仍然按朗肯主動土壓力理論進行計算；減壓平臺以下，A點以上土壓力計算不考慮上部填土自重的影響；B點以下土壓力按朗肯主要土壓力理論計算并考慮上部填土自重的影響；A點和B點之間過渡段，按直線連接；C點以下取水泥土的抗剪強度指標進行土壓力計算。墻后土壓力計算簡圖見圖6。圖中φ為填土的等效內(nèi)摩擦角，θ=45°+φ/2。站下翼墻抗滑穩(wěn)定計算結果見表1。從計算結果看，翼墻在各工況下穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

4 結語

八里灣泵站站下翼墻在能夠滿足工程運行條件的情況下，采用分級布置的型式，降低了擋土墻的高度和設計難度，同時，通過設置減壓平臺和墻后回填水泥土，有效減小了墻后土壓力，優(yōu)化了翼墻斷面尺寸，對今后類似工程問題有一定的參考價值。站上翼墻擋土高度與站下翼墻接近，也可采取同樣的設計方案。站下和站上翼墻的優(yōu)化設計方案共為八里灣泵站工程節(jié)省投資約280萬元。

為保證翼墻的穩(wěn)定、安全運行，工程施工中應嚴格控制施工質量，水泥土拌合均勻，墻后填土和水泥土壓實良好，嚴格按設計要求檢驗其抗剪強度指標。完工后，應持續(xù)地對站下和站上翼墻進行水平位移和沉降位移觀測，同時應加強對墻后水位和不同高程處土壓力的監(jiān)測，為以后設計積累基礎資料和經(jīng)驗