仙臺(tái)水庫(kù)泄洪沖沙閘基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

郝海蛟

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原030024）

1 工程概況

仙臺(tái)水庫(kù)位于陵川縣府城鎮(zhèn)臺(tái)北村南側(cè)的白洋泉河上，為白洋泉河的中下游，距離陵川縣城約45 km。仙臺(tái)水庫(kù)壩型為混凝土面板堆石壩，總庫(kù)容116 萬(wàn)m3，水庫(kù)規(guī)模為小（1）型，工程等別為Ⅳ等。根據(jù)工程等級(jí)，確定主要建筑物大壩、泄洪沖砂閘級(jí)別為4 級(jí)，洪水標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇洪水設(shè)計(jì)，混凝土面板堆石壩300年一遇洪水校核；消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)與擋水建筑物相同。

大壩主要由混凝土面板壩段和泄洪沖砂閘段組成，混凝土面板壩壩頂總長(zhǎng)204 m，壩頂寬6 m，最大壩高17.2 m。泄洪沖砂閘共設(shè)5 孔，采用帶胸墻的寬頂堰，孔口設(shè)有平板事故檢修門和弧形工作門，設(shè)計(jì)泄量599 m3/s，最大泄量1 366 m3/s，采用底流式消能。

2 泄洪沖沙閘的布置

泄洪沖沙閘布置在河床中部，左右兩側(cè)面板堆石壩之間，樁號(hào)為0+090—0+138 m，水閘軸線與壩軸線垂直。泄洪沖沙閘總長(zhǎng)184.8 m，由進(jìn)口段、閘室段、消力池及下游海漫等組成。

泄洪閘進(jìn)口采用漸擴(kuò)式，寬55～44 m，長(zhǎng)23.8 m，左右兩側(cè)翼墻與混凝土面板壩相接，在平面上呈直線布置。閘室段長(zhǎng)26 m，閘孔孔口尺寸6.4 m×4.0 m（寬×高），共5 孔，進(jìn)口為帶胸墻的寬頂堰，閘室總寬48 m。閘室后接漸擴(kuò)式消力池，池長(zhǎng)31.5 m，寬44～54 m，池深1.7 m，擴(kuò)散角9.5°；消力池前段設(shè)一段17.5 m 長(zhǎng)的陡坡，坡度為1∶5.0。消力池后接71 m 長(zhǎng)海漫，其中前15 m 為漿砌石海漫，后56 m 為鉛絲石籠海漫。海漫后接14 m 長(zhǎng)的拋石防沖槽。為防止水庫(kù)泄流時(shí)對(duì)面板壩下游壩腳沖刷破壞，在漿砌石海漫兩側(cè)設(shè)擋墻，擋墻在漿砌石海漫末端轉(zhuǎn)向左右兩岸，與岸坡連接。

3 泄洪沖砂閘基礎(chǔ)處理

3.1 地質(zhì)概況

泄洪沖砂閘位于河床中部、卵石混合土層和低液限粘土層的過渡區(qū)，從左至右，上部卵石混合土層厚度逐漸減小，下部低液限黏土層厚度逐漸增大，直至完全出露，土層總厚約27.0 m。卵石混合土分選較差，局部架空，結(jié)構(gòu)松散，承載力為230～280 kPa，地層滲透系數(shù)為13.7～22.1 m/d，具強(qiáng)透水性。低液限粘土結(jié)構(gòu)松散，承載力較低，為80～120 kPa。下部巖層為奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖，局部巖溶發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化層厚3.0～5.0 m，弱風(fēng)化層厚度5～8 m，根據(jù)鉆孔揭露情況，巖體強(qiáng)、弱風(fēng)化層為主要滲漏層。

泄洪沖沙閘閘室為整體式結(jié)構(gòu)，共設(shè)兩個(gè)閘段—左側(cè)2 孔閘室和右側(cè)3 孔閘室，左側(cè)2 孔閘室下主要為卵石混合土層，右側(cè)3 孔閘室下主要為低液限粘土層。由計(jì)算可知，泄洪沖砂閘地基應(yīng)力較高，在各種工況下，左側(cè)2 孔閘室最大基底平均應(yīng)力σ平均為208 kPa，最大應(yīng)力σmax為315.4 kPa；右側(cè)3 孔閘室最大基底平均應(yīng)力σ平均為195.4 kPa，最大應(yīng)力σmax為280.3 kPa。卵石混合土閘基承載力滿足要求，低液限粘土閘基承載力不滿足應(yīng)力要求，需進(jìn)行加固處理。

3.2 3 孔閘室低液限粘土閘基處理

3孔閘室位于卵石混合土層和低液限粘土層的過渡區(qū)，從左至右，上部卵石混合土層厚度逐漸減小，下部低液限黏土層厚度逐漸增大，直至完全出露，上部卵石混合土層相對(duì)較薄，下部低液限粘土層相對(duì)深厚，閘基承載力不滿足應(yīng)力要求，需進(jìn)行加固處理?？紤]高壓旋噴樁復(fù)合地基既適用于黏性土地基，也適用于碎石土地基，且具有施工簡(jiǎn)便、施工占地少、樁體耐久性較好，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，故地基處理采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固。高壓旋噴樁樁徑1.0 m，間距根據(jù)2 種土層的相對(duì)厚度和承載力計(jì)算確定，右側(cè)3 孔閘室下低液限粘土相對(duì)較厚，初擬樁間距取1.3 m，樁的布置采用梅花型。

1）單樁豎向承載力特征值可按以下兩式計(jì)算：

式中：Ra——單樁豎向承載力特征值，kPa；up——樁的周長(zhǎng)，m；n——樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；li——樁周第i 層土的厚度，m；qsi——樁周第i 層土的樁側(cè)摩阻力特征值，kPa；qp——樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，kPa；Ap——樁端面積，m2；fcu——樁體抗壓強(qiáng)度平均值，kPa；η——樁體強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.33。

若樁長(zhǎng)達(dá)基巖面時(shí)、（1）式計(jì)算的單樁承載力大于（2）式計(jì)算值時(shí)，則將（2）式計(jì)算值代入（1）式來確定單樁樁長(zhǎng)。

當(dāng)旋噴樁達(dá)基巖面時(shí)，樁長(zhǎng)為22 m，樁間距1.3 m，面積置換率m=0.54；根據(jù)地質(zhì)資料樁端阻力qp=300 kPa，低液限粘土中樁側(cè)摩阻力特征值qsi=14 kPa，樁體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu=1.6 MPa。經(jīng)計(jì)算單樁豎向承載力由樁體強(qiáng)度（（2）式）控制，為414 kPa，則由（1）式計(jì)算樁長(zhǎng)，樁端阻力qp=120 kPa，樁長(zhǎng)為10 m。

2）豎向承載旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值，可按下式計(jì)算：

式中：fspk——復(fù)合地基承載力特征值，kPa；m——面積置換率；β——樁間土承載力折減系數(shù)，取0.2；fsk——處理后樁間土承載力特征值，液限粘土取100 kPa。

計(jì)算得復(fù)合地基承載力fspk=293 kPa，計(jì)算結(jié)果滿足基底應(yīng)力要求。

做好決算工作既是財(cái)政部門宏觀監(jiān)督管理的需要，也是高校自身財(cái)務(wù)管理的需要。高校領(lǐng)導(dǎo)層及財(cái)務(wù)人員要充分認(rèn)識(shí)到高質(zhì)量的決算報(bào)表能為高校決策提供重要依據(jù)，能有效促進(jìn)預(yù)算管理的執(zhí)行和監(jiān)督，有利于解決預(yù)算執(zhí)行過程中的實(shí)際問題。決算報(bào)表及文字報(bào)告可以反映財(cái)政資金的使用去向和具體用途。如能對(duì)決算數(shù)據(jù)包含的信息進(jìn)行深層次挖掘、加工和利用，還可以提示項(xiàng)目執(zhí)行的現(xiàn)狀、特征和問題，為制定相應(yīng)的政策措施提供基本依據(jù)。因此學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)層及財(cái)務(wù)人員要以高度負(fù)責(zé)的態(tài)度去對(duì)待決算報(bào)表工作，切實(shí)做到數(shù)字真實(shí)、內(nèi)容完整、分析透徹、報(bào)送及時(shí)。

3）復(fù)合地基下臥土層承載力驗(yàn)算：

右側(cè)閘基低液限粘土層承載力低，根據(jù)上述由樁體強(qiáng)度確定的樁長(zhǎng)，對(duì)下部未處理的土層進(jìn)行承載力驗(yàn)算，計(jì)算采用GB50007—2011《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》提供的公式：

式中：pz——軟弱下臥層頂面處的附加應(yīng)力值，kPa；pcz——軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值，kPa；faz——軟弱下臥層頂面處深度修正后的地基承載力特征值，kPa；b，l——基礎(chǔ)底面寬度（26 m）和長(zhǎng)度（34.3 m）；pk——基礎(chǔ)底面處的平均壓力值，195.4 kPa；pc——基礎(chǔ)底面處土的自重壓力值，kPa；z——基礎(chǔ)底面至軟弱下臥層的頂面的距離，10 m；θ——地基壓力擴(kuò)散線與垂直線的夾角，取20°；fak——復(fù)合地基承載力特征值，100 kPa；γm——基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，14.4 kN/m3。

計(jì)算修正后地基承載力為faz=236 kPa，Pz+Pcz=88.8+163.4=252.2 kPa>236 kPa，下臥土層承載力不滿足設(shè)計(jì)要求。因此將低液限粘土層全部處理，即處理深度達(dá)基巖面。

右側(cè)3 孔閘室在樁號(hào)0+109.5～0+120.8 m 之間閘下地基上部的卵石混合土層相對(duì)較厚，樁號(hào)0+109.5 m 處厚約11 m，樁號(hào)0+120.8 m 處厚約5 m，卵石混合土層承載力滿足要求，下伏低液限粘土層經(jīng)深度修正后的承載力亦滿足要求?？紤]閘下地基處理的連續(xù)性和地基承載力、壓縮模量的相對(duì)均勻性，對(duì)該部分地基亦進(jìn)行旋噴樁處理，旋噴樁樁徑取1.0 m，樁間距取2.0 m，梅花型布置。

以上計(jì)算所用參數(shù)取自相關(guān)資料或類比其他工程，因此所得復(fù)合地基承載力為理論估算值。工程施工前，應(yīng)先試樁，以確定復(fù)合地基承載力和有關(guān)計(jì)算參數(shù)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

3.3 2孔閘室卵石混合土閘基處理

左側(cè)的2 孔閘室下主要為卵石混合土層，卵石混合土閘基承載力滿足要求，因此只對(duì)其進(jìn)行碾壓處理，以消除架空影響，增加閘基強(qiáng)度。

3.4 泄洪沖沙閘翼墻、消力池邊墻地基處理

3.4.1 水閘翼墻地基處理

泄洪沖砂閘上游左右兩側(cè)翼墻分別位于卵石混合土層和低液限粘土層上，經(jīng)計(jì)算，泄洪沖砂閘翼墻最大基底平均應(yīng)力σ平均為267.5 kPa，最大應(yīng)力σmax為384 kPa，翼墻基底應(yīng)力較大，地基采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固，處理深度達(dá)基巖面，旋噴樁樁徑取1.0 m，初擬樁間距在左側(cè)卵石混合土地基中取2.0 m，在右側(cè)低液限粘土地基中取1.1 m，樁的布置采用梅花型。計(jì)算參數(shù)取值：低液限粘土地基同閘基處理；在卵石混合土地基中，面積置換率m=0.22，樁端阻力qp=300 kPa，樁側(cè)摩阻力特征值qsi=60 kPa，樁間土承載力折減系數(shù)取0.5。計(jì)算結(jié)果為：卵石混合土復(fù)合地基承載力fspk=332.74 kPa，低液限粘土復(fù)合地基承載力fspk=401 kPa，計(jì)算結(jié)果均滿足基底應(yīng)力要求。

下游翼墻地基應(yīng)力相對(duì)較小，最大基底平均應(yīng)力σ平均為166.4 kPa，最大應(yīng)力σmax為264.7 kPa，左側(cè)翼墻卵石混合土地基承載力滿足要求，右側(cè)翼墻低液限粘土地基承載力不滿足要求，亦采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固，處理深度達(dá)基巖面，樁徑取1.0 m，樁間距取1.3 m，計(jì)算得復(fù)合地基承載力fspk=293 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4.2 消力池邊墻地基處理

消力池邊墻最大基底平均應(yīng)力σ平均為142.3 kPa，最大應(yīng)力σmax為192.3 kPa，左側(cè)邊墻地基為卵石混合土，卵石混合土地基承載力滿足上述基底應(yīng)力要求，不需要進(jìn)行處理。右側(cè)邊墻地基為低液限粘土，低液限粘土地基承載力不滿足上述應(yīng)力要求，需進(jìn)行加固處理。

低液限粘土地基處理方式采用換填墊層法，換填材料選用碎石，碎石墊層承載力為200～300 kPa，滿足消力池邊墻基地應(yīng)力要求。換填厚度根據(jù)JGJ79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》提供的公式計(jì)算：

式中：pz——墊層底面處的附加應(yīng)力值，kPa；pcz——墊層底面處的自重壓力值，kPa；faz——經(jīng)深度修正后的墊層底面處的地基承載力特征值，kPa；b——基礎(chǔ)底面寬度，7.7m；z——墊層厚度，m；θ——墊層壓力擴(kuò)散角，取23°。

消力池邊墻墻高11.0 m，墻底寬7.7 m，修正后地基承載力為157 kPa，取碎石墊層厚2.5 m。計(jì)算得：pz+pcz=61+52.45=113.5 kPa，小于地基承載力faz=157 kPa。所以墊層厚度取2.5 m，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 基礎(chǔ)防滲處理

由于覆蓋層和下伏基巖強(qiáng)、弱風(fēng)化層透水性較大，為減小閘基滲漏，降低揚(yáng)壓力，保證地基土的滲透穩(wěn)定性，對(duì)閘基進(jìn)行防滲處理，防滲軸線沿閘室底板上游側(cè)和翼墻墻趾前部布置。覆蓋層防滲可采用混凝土防滲墻，也可結(jié)合地基加固處理，采用高壓旋噴防滲墻防滲，混凝土防滲墻防滲效果可靠，但施工占地大、施工工藝復(fù)雜、費(fèi)用較高，而混凝土防滲墻的缺點(diǎn)正是高噴墻的優(yōu)點(diǎn)，且新工藝的應(yīng)用極大提高了高噴墻的整體性和連續(xù)性，增強(qiáng)了高噴墻的防滲性能，因此該工程覆蓋層采用高壓旋噴防滲墻防滲。高噴墻孔距1 m，單排，鉆孔深入基巖0.5 m。防滲墻頂部分別與閘室底板上游側(cè)、翼墻墻趾前部連接，接縫中設(shè)“651”型橡膠止水和銅片止水兩道。覆蓋層下部透水基巖采用灌漿帷幕防滲，灌漿帷幕孔距1.5 m，單排，深入透水率不大于0.1 L/（min·m·m）的弱透水巖層5 m，即深入基巖29.0～34.5 m。閘基防滲結(jié)構(gòu)與左右兩側(cè)堆石壩壩基防滲結(jié)構(gòu)緊密相接。

通過對(duì)泄洪沖砂閘進(jìn)行高壓旋噴樁基礎(chǔ)處理，可以有效地提高基礎(chǔ)的承載力，對(duì)泄洪沖砂閘的安全運(yùn)行提供可靠保障。

［1］ 浙江大學(xué)，浙江中南建設(shè)集團(tuán)有限公司.復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范［M］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012.

［2］ 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［3］ 江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.

［4］ 李煒. 水力計(jì)算手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

［5］ 吳持恭.水力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1983.