滇中引水工程軟土地基輸水暗涵結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計

韓 雪 丹

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

·水利工程·

滇中引水工程軟土地基輸水暗涵結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計

韓 雪 丹

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

以滇中引水工程為例，結(jié)合滇中引水現(xiàn)場地形地質(zhì)條件，對軟土地基大流量輸水暗涵的結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及軟基處理方案進(jìn)行了研究分析，以供類似工程參考借鑒。

輸水暗涵，結(jié)構(gòu)選型，結(jié)構(gòu)設(shè)計，軟土地基

1 工程概況

滇中引水工程是從根本上解決滇中區(qū)水資源短缺的基礎(chǔ)性工程，工程從金沙江上游干流奔子欄筑壩引水，輸水工程自奔子欄至紅河蒙自全長842.56 km，總投資約1 068.49億元。

輸水暗涵是滇中引水工程中重要的交叉輸水建筑物之一，總共有28座，總長11.21 km，尤其是昆明以前段輸水暗涵的規(guī)模較大，設(shè)計流量在140 m3/s～100 m3/s。輸水暗涵布置于溝谷之中，地質(zhì)條件相對較差，大部分處于第四系覆蓋層，暗涵結(jié)構(gòu)形式選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和基礎(chǔ)處理方案對整個工程安全運(yùn)行尤為重要，為此，本文以滇中引水工程某一軟土地基上到流量暗涵為代表對輸水暗涵的結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及基礎(chǔ)處理方案進(jìn)行研究，提出了技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的輸水暗涵結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

某暗涵是滇中引水工程輸水線路楚雄段中的一段，全長為155.93 m，建筑物等級Ⅰ級，設(shè)計流量為115 m3/s，坡降為：1/5 000。萬家暗涵位于紅梅水庫大壩下游河谷，河谷總體呈“U”形，暗涵所在位置有紅梅水庫壩下水池，東側(cè)有溢洪道，兩側(cè)谷坡地形坡度25°～40°。萬家暗涵布置于溝谷內(nèi)，均為第四系沖洪積層覆蓋，厚約10 m，沖洪積層組成物質(zhì)為砂、卵礫石，卵礫石成分主要為泥巖，部分為砂巖，粒徑一般1 cm～5 cm，含量約40%～60%，松散～稍密。下伏基巖為第三系上新統(tǒng)石灰壩組(N2s)和上白堊統(tǒng)江底河組第一段(K2j1)地層，前者主要為泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖，底部常見礫巖及不穩(wěn)定煤層，主要分布于溝谷沖洪積層之下，厚度3 m～6 m，低壓縮性，具膨脹性；后者主要為紫紅、灰綠、灰黃色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾砂巖、泥灰?guī)r，弱風(fēng)化。泥質(zhì)巖遇水易軟化、泥化，失水易崩解，透水率6 Lu～8 Lu，弱透水，飽和抗壓強(qiáng)度5 MPa～15 MPa，屬軟巖，軟化系數(shù)0.4～0.5，易軟化巖石。該地域地震設(shè)防烈度為7度，地震動峰值加速度為0.15g。

2 輸水暗涵的結(jié)構(gòu)選型

2.1 暗涵斷面形式比選

暗涵斷面形式一般有圓形、城門形和矩形3種形式，經(jīng)對上述3種形式采用相同的設(shè)計流量、縱坡、糙率、寬高比及凈空率進(jìn)行計算比較，其中圓形混凝土截面積最大、矩形次之、城門形最?。欢诮Y(jié)構(gòu)形式及施工條件上，則矩形最簡單、城門形次之、圓形最復(fù)雜。因此，暗涵斷面采用矩形暗涵結(jié)構(gòu)形式。

2.2 暗涵單、雙孔比選

以所對應(yīng)的單孔和雙孔暗涵結(jié)構(gòu)尺寸為代表進(jìn)行比較。

單孔暗涵結(jié)構(gòu)斷面尺寸為8.0 m×10.0 m(凈寬×凈高)，流量Q=115 m3/s，底坡i=1/5 000，混凝土強(qiáng)度等級為C25，邊墻、底板、頂板均為1.4 m厚。為改善矩形斷面角點(diǎn)處的受力狀態(tài)，四個角設(shè)0.5 m的貼角，頂部全部進(jìn)行回填土覆蓋，綜合楚雄段暗涵回填厚度，選用2 m為代表。

雙孔暗涵結(jié)構(gòu)斷面尺寸為2-5.0 m×10.0 m(凈寬×凈高)(見圖1)，流量Q=115 m3/s，底坡i=1/5 000，混凝土強(qiáng)度等級為C25，邊墻、底板、頂板及中墩均為1.0 m厚，為改善矩形斷面角點(diǎn)處的受力狀態(tài)，四個角設(shè)0.5 m的貼角，頂部全部進(jìn)行回填土覆蓋，綜合楚雄段暗涵回填厚度，選用2 m為代表。

表1列出了雙孔暗涵方案和單孔暗涵方案的單位長度工程量。

表1 雙孔暗涵方案與單孔暗涵方案每米主要工程量表

根據(jù)表1可知，雙孔箱方案開挖量比單箱方案大，但鋼筋混凝土用量和鋼筋量要小，投資相對略省，雙孔暗涵方案比單孔暗涵方案每米投資減少約4%。另外結(jié)合輸水線路穿越的地形地質(zhì)條件，由于地質(zhì)條件較差，基礎(chǔ)大部分為第四系覆蓋層或湖積層，因此，從安全角度分析，選雙孔暗涵方案也較為合適。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1)計算主要參數(shù)及工況。作用于暗涵的荷載有回填土的垂直土壓力和側(cè)向土壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力、結(jié)構(gòu)自重、覆土頂部活荷載(汽車荷載)。a.作用于暗涵上的一切垂直荷載將由底板下的地基反力平衡，因暗涵跨徑不大，假定地基反力按均勻分布。b.暗涵頂部回填土要求夯實，壓實度不小于90%?；靥钔寥葜厝ˇ?16.5 kN/m3，回填土內(nèi)摩擦角取30°。萬家暗涵回填到原始地面線的最大覆土厚度為2 m。因此本暗涵頂?shù)母餐梁穸热? m。c.暗涵穿越公路部位的車輛荷載考慮到其穿越的公路等級不高，按照J(rèn)TG D60-2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范的規(guī)定，采用公路—Ⅱ級荷載，其最不利狀況。d.地震荷載萬家暗涵的設(shè)計地震加速度為0.15g，地震設(shè)計烈度為7度。根據(jù)SL 203-97水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定，本級工程渠道工程抗震設(shè)防類別屬于乙級。

各荷載組合見表2。

表2 荷載組合表

2)有限元分析。使用ANSYS結(jié)構(gòu)分析程序計算內(nèi)力，計算模型為管身橫剖面沿軸線取單位長度作為擱置在地基的靜力框架。由于該結(jié)構(gòu)系彈性地基上的框架結(jié)構(gòu)，用平面應(yīng)變單元模擬地基，基礎(chǔ)深度取結(jié)構(gòu)高度2倍以上，同時考慮邊荷載的影響?；A(chǔ)與管底間設(shè)接觸單元以模擬兩者之間的摩擦效果(見圖2～圖10)。

根據(jù)以上計算方法，按照SL 191-2008水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對雙孔矩形暗涵進(jìn)行配筋、抗裂計算，最大裂縫寬度允許值為0.25 mm。

4 軟基處理方案

結(jié)合已建類似工程成功經(jīng)驗，鳳屯隧洞可能發(fā)生大變形洞段主要是由于圍巖本身強(qiáng)度與變形模量較低，向開挖臨空面發(fā)生非線性擠壓大變形，并可能呈現(xiàn)出明顯的塑性和流變性質(zhì)。對于該類圍巖洞段常有以下支護(hù)處理與措施：1)采用臺階法開挖，必要時預(yù)留核心土。2)預(yù)留一定的圍巖周邊相對位移變形量避免二次擴(kuò)挖。3)支護(hù)設(shè)計要遵循重視監(jiān)控量測、分期支護(hù)、先柔后剛的指導(dǎo)思想。初期支護(hù)應(yīng)采用既具有一定柔性又能快速實施的噴錨支護(hù)，包括可縮式鋼拱架及錨桿，使圍巖塑性區(qū)得到一定的發(fā)展，以完成適度的巖體應(yīng)力釋放和卸壓作用，二次支護(hù)的作用是承受長期蠕變階段的圍巖壓力，以保證洞室圍巖的長期穩(wěn)定，可采用現(xiàn)澆或預(yù)制塊鋼筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)。支護(hù)處理時需注意以下幾方面：a.初步噴錨支護(hù)參數(shù)主要采用監(jiān)控量測，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)，使“圍巖—支護(hù)”的變形協(xié)調(diào)發(fā)展。初期噴錨支護(hù)應(yīng)盡快實施，一般在開挖后2 h內(nèi)施作噴混凝土，8 h～16 h內(nèi)完成噴錨支護(hù)，以迅速提供連續(xù)的支承抗力，確保一次支護(hù)同圍巖緊密接觸，以充分保證一次支護(hù)同圍巖的整體受力，避免支護(hù)與圍巖之間出現(xiàn)空腔而造成局部圍巖產(chǎn)生附加應(yīng)力。為了有效控制圍巖變形，系統(tǒng)錨桿長度應(yīng)穿透整個圍巖松動區(qū)的厚度，宜采用恒阻讓壓式錨桿，有必要時減小開挖循環(huán)進(jìn)尺。b.對圍巖含水量較大且不能形成施工斷面的洞段，應(yīng)對圍巖采取超前預(yù)灌漿的支護(hù)方法，使之超前固結(jié)，及時實施軟巖的變形超前控制措施，采取超前小導(dǎo)管(φ48，L=6 m @0.25 m×4 m)、超前大管棚(50%洞段φ108，L=20 m @0.4 m×15 m；50%洞段φ108，L=12 m @0.4 m×10 m)和超前固結(jié)灌漿等超前加固措施。c.二次支護(hù)的施作時機(jī)是保證大變形圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵，通過洞室收斂變形和圍巖位移量測，合理確定二次支護(hù)的施作時機(jī)，一般應(yīng)考慮同時滿足三項標(biāo)準(zhǔn)：隧洞圍巖的變形收斂速度明顯下降；隧洞位移相對值已達(dá)到總相對位移量的90%以上；隧洞周邊水平收斂速率小于0.2 mm/d，拱頂或底板垂直位移速率小于0.1 mm/d。d.采用仰拱封底，形成全封閉結(jié)構(gòu)，避免隧洞底部沒有約束，圍巖裸露，形成膨脹和應(yīng)力釋放的集中部位，產(chǎn)生底鼓，造成隧洞墻腳內(nèi)移和支護(hù)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。4)施工過程中應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報和安全監(jiān)測，超前地質(zhì)預(yù)報主要包括：地下水情況，包括有無地下水、涌水位置和水量；斷層破碎帶、斷層影響帶，裂隙密集帶的位置、規(guī)模和性狀；軟弱夾層，軟弱結(jié)構(gòu)面的位置、規(guī)模和性狀；隧洞圍巖級別變化等。及時發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)問題，采取合理的開挖支護(hù)方式或預(yù)加固措施。

[1] 熊啟鈞.取水輸水建筑物叢書——涵洞[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[2] DL/T 5057-2009，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] SL 265-2001，水閘設(shè)計規(guī)范[S].

[4] SL 430-2008，調(diào)水工程設(shè)計導(dǎo)則[S].

Structural selection and design of buried water discharge culvert with soft foundation of Dianzhong water diversion engineering

HAN Xue-dan

(China Electricity Construction Group Kunming Survey & Design Institute Co., Ltd, Kunming 650051, China)

Taking Dianzhong water diversion engineering as an example, combining with its field morphology conditions, the paper analyzes structural selection, structural design and soft foundation treatment scheme of buried water discharge culvert, with a view to provide some guidance for similar engineering.

buried water discharge culvert, structural selection, structural design, soft foundation

1009-6825(2014)36-0227-03

2014-10-14

韓雪丹(1982- )，女，工程師

TV554

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