深厚覆蓋層上的溢洪道設(shè)計(jì)

(貴州聚龍項(xiàng)目投資咨詢有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 工程概況

貴州省施秉縣黃金樹水庫首部樞紐由混凝土面板堆石壩、右岸開敞式溢洪道、左岸取水兼放空建筑物組成。溢洪道為無閘控制開敞式，共設(shè)1孔，溢流前沿凈寬10m，溢洪道長140.85m，最大單寬流量6.75m3/(s·m)，水庫已建成并通過下閘蓄水驗(yàn)收。

2 溢洪道工程地質(zhì)

溢洪道布置于大壩右岸，溢洪道邊坡地貌類型為侵蝕-剝蝕地貌，坡頂高程約977m，谷底高程約694m，高差約280m，自然坡度45°～60°，場地附近無大規(guī)?；?、坍塌等不良地質(zhì)作用，岸坡為斜向巖質(zhì)邊坡，坡體主要由覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化巖體組成，植被較發(fā)育，對覆蓋層有一定固結(jié)作用，自然邊坡總體穩(wěn)定性好。

根據(jù)地勘鉆孔揭露，邊坡第四系覆蓋層厚約20m，下伏基巖為寒武系下統(tǒng)把榔組(∈1p)灰綠色含云母頁巖、砂質(zhì)頁巖夾薄層粉砂巖，巖層產(chǎn)狀N20°E/SE∠10°，巖層呈單斜構(gòu)造，傾下游偏左岸，巖層走向與河流流向斜交，交角約70°～80°。強(qiáng)風(fēng)化層巖體裂隙發(fā)育，松散破碎，巖體質(zhì)量差；弱風(fēng)化巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，裂隙較發(fā)育，巖體質(zhì)量一般。溢洪道邊坡為二元結(jié)構(gòu)，上部為覆蓋層，下部為強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化層，覆蓋層為殘坡積黏土夾碎石，顆粒級(jí)配較差，覆蓋層開挖后，邊坡自穩(wěn)能力差，易發(fā)生滑坡。地質(zhì)專業(yè)要求采取相應(yīng)支護(hù)措施，并分級(jí)開挖，建議每10m高差設(shè)置一級(jí)馬道，開挖坡比：覆蓋層1∶1～1∶1.25，強(qiáng)風(fēng)化層1∶0.75～1∶1，弱風(fēng)化層1∶0.75～1∶0.5。強(qiáng)風(fēng)化層允許承載力0.6～0.8MPa，弱風(fēng)化層上部允許承載力0.8～1.0MPa，弱風(fēng)化層中下部允許承載力1.0～2.0MPa。

消力池出口沖刷區(qū)主要為寒武系下統(tǒng)杷榔組(∈1p)灰綠色含云母頁巖、砂質(zhì)頁巖夾薄層粉砂巖，巖層產(chǎn)狀為N20°E/SE∠10°。巖石較軟，抗沖能力弱，泄洪建筑物出口易形成沖坑。由于溢洪道末端水流歸槽順暢，且沖刷區(qū)距壩腳較遠(yuǎn)，水庫泄洪沖刷對岸坡穩(wěn)定及壩體影響小，采取適當(dāng)防沖措施即可?？箾_系數(shù)：強(qiáng)風(fēng)化1.8～2.0；弱風(fēng)化1.4～1.6。

本項(xiàng)目覆蓋層松軟，穩(wěn)定性差，不能作為溢洪道地基。因此，將溢洪道持力層定在弱風(fēng)化層上部，符合相關(guān)規(guī)范的要求。

3 溢洪道方案選擇

由于溢洪道所在山體巖石風(fēng)化程度深，開挖至設(shè)計(jì)持力層深度也很深。按常規(guī)方法(方案一)整個(gè)泄槽需要開挖10m多，并且靠山體一側(cè)還需要放坡，以保證邊坡穩(wěn)定。此外邊坡需要進(jìn)行支護(hù)處理，才能成為永久邊坡，工程量較大。為了尋求最優(yōu)方案，本項(xiàng)目擬采用樁基礎(chǔ)架空溢洪道泄槽方案[4](方案二)。

方案一：常規(guī)方案，開挖山體邊坡形成溢洪道。

方案二：樁基礎(chǔ)架空溢洪道泄槽。

以上兩種溢洪道方案優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1～表2。

表1 溢洪道方案對比

表2 溢洪道工程投資對比

由表1～表2可知，選擇相同建基面的條件下，方案一最大開挖邊坡高度達(dá)102.43m，總開挖量達(dá)7.01萬m3。開挖后還要進(jìn)行大量的邊坡支護(hù)，以確保岸坡穩(wěn)定。破壞岸坡原有植被，還要多征岸坡土地，棄渣運(yùn)往渣場堆放。溢洪道投資達(dá)978.71萬元。方案二是將長90m的泄槽做成剛性底板，由挖孔樁支承，將大面積的基礎(chǔ)開挖改變?yōu)榫植康目讟堕_挖，岸坡僅需挖至泄槽底板標(biāo)高即可，因此最大開挖邊坡高度僅15.95m，邊坡可不支護(hù)，保護(hù)了岸坡的生態(tài)環(huán)境。該方案泄槽底板是架空支承于孔樁上的鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，用鋼量比方案一大。經(jīng)計(jì)算，溢洪道投資為458.85萬元，比方案一省519.86萬元，僅相當(dāng)于方案一的47%，方案二(樁基方案)優(yōu)勢非常明顯。

兩種溢洪道方案橫剖面見圖1～圖2。從圖2可以看出，常規(guī)方法采用深開挖，泄槽要開挖約11～15m深，開挖要自上而下，靠山一側(cè)還要放坡，由于岸坡山體高大、坡陡，高差約280m，自然坡度45°～60°。因此放坡的山頂標(biāo)高是811.0m，而泄槽頂板標(biāo)高709.58m，高差是101.4m。開挖后的邊坡是永久邊坡，還必須進(jìn)行支護(hù)。采用噴混凝土+錨桿的支護(hù)方法沿整個(gè)坡面加固。方案一不僅增加了投資，而且還破壞了坡面綠色植被。

圖1 泄槽橫剖面圖(樁基方案)

圖2 泄槽橫剖面圖(常規(guī)方案)

優(yōu)化后的“樁基礎(chǔ)架空溢洪道泄槽”方案將泄槽架空做成剛性底板支承于孔樁上。樁是按端承樁考慮，樁底必須擴(kuò)孔才能使地基滿足受力要求，因此采用人工挖孔樁方式以便于擴(kuò)孔。

4 溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溢洪道布置于大壩右岸，為無閘控制開敞式溢洪道，溢洪道總長140.85m。溢洪道設(shè)一孔，溢流前沿凈寬10.0m。進(jìn)水渠中軸線長11.00m，底板厚0.3m，底板頂部高程719.30m?？刂贫窝唔敻叱?22.50m，基底高程713.00m，控制段長5.34m。泄槽段長104.51m，泄槽底坡i=30.998%，矩形過流斷面寬10.1m，邊墻厚0.4m，高1.5m，泄槽底板厚0.3m，泄槽底板及邊墻每隔20m設(shè)一道伸縮縫，縫寬2cm，內(nèi)設(shè)1道銅止水并塞填瀝青油氈(二氈三油)。消力池長20.00m，深1.50m，護(hù)坦厚1.00m，護(hù)坦頂高程687.00m。進(jìn)水渠底板與護(hù)坡采用C25混凝土，控制段溢流面、泄槽及消力池邊墻和底板采用C30抗沖磨混凝土，孔樁采用C25混凝土。

4.1 泄槽結(jié)構(gòu)布置及計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場地形及結(jié)構(gòu)需要，泄槽段布置10排孔樁，泄槽段共9跨，單跨長10.00m，泄槽寬11.00m(凈寬10.10m)。泄槽底板與邊墻每隔20m設(shè)一道伸縮縫，縫寬2cm(內(nèi)設(shè)1道銅止水，縫內(nèi)填瀝青油氈)，當(dāng)泄槽底板因梁鋼筋布置無法設(shè)置止水時(shí)，在泄槽底板伸縮縫內(nèi)填瀝青油氈，并設(shè)2道遇水膨脹止水條。

采用PKPM軟件(PKPM2010_v2.1)對泄槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出泄槽樁底內(nèi)力，泄槽底板混凝土梁、板結(jié)構(gòu)在各種工況下的內(nèi)力，作為結(jié)構(gòu)配筋的依據(jù)。

4.2 泄槽挖孔樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)專業(yè)勘察的結(jié)果，樁基礎(chǔ)地基承載力按800kPa設(shè)計(jì)?？紤]到孔樁開挖較深，為便于開挖，孔樁直徑取1.20m，經(jīng)計(jì)算，最大樁底軸力Nmax=2623.6kN，樁底壓力2321kPa(樁底不擴(kuò)孔時(shí))，大于地基承載力800kPa，須擴(kuò)大樁底直徑[5]。樁底直徑擴(kuò)大為2.00m時(shí)，對應(yīng)樁底壓力721kPa，地基承載力滿足要求。

泄槽段共布置孔樁20根，單樁深約11～15m[3]，工程量小，若采用機(jī)械施工既不經(jīng)濟(jì)也不便于擴(kuò)孔，選用人工挖孔樁。由于孔樁與覆蓋層之間摩阻力小，孔樁設(shè)計(jì)為端承樁[1]。泄槽孔樁布置(溢0+047.00～溢0+87.00)見圖3。由于泄槽是架空設(shè)置，其布置不受地面起伏的影響，樁號(hào)溢0+067.00～溢0+087.00段是高于原地面布置的。樁開挖要求自上而下進(jìn)行，每挖1m就立即做鋼筋混凝土護(hù)壁[2]，防止垮塌確保安全。

圖3 泄槽孔樁布置

4.3 控制段與消力池基礎(chǔ)處理

消力池基礎(chǔ)置于約15m厚覆蓋層上，為避免消力池護(hù)坦沉降開裂，須對消力池進(jìn)行基礎(chǔ)處理。消力池地基采用1.0m厚碾壓塊石置換，置換塊石及下部地基采用振動(dòng)碾壓實(shí)。消力池基礎(chǔ)處理方案見圖4。

圖4 消力池縱剖面

5 結(jié) 論

黃金樹水庫溢洪道的順利實(shí)施驗(yàn)證了山區(qū)軟弱地基岸邊溢洪道樁基礎(chǔ)方案合理可行，證實(shí)了其施工簡便、投資節(jié)約的優(yōu)良特性，避免了岸坡的開挖與支護(hù)，目前山上植被發(fā)育，保護(hù)了環(huán)境。在黔南、黔東南地區(qū)存在大量類似的工程地質(zhì)條件，該項(xiàng)目為今后類似地質(zhì)條件溢洪道建設(shè)提供了一套經(jīng)濟(jì)合理的解決方案，并積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，具有借鑒意義。水庫工程投資較高，溢洪道方案優(yōu)化后顯著地節(jié)約了投資。本文推薦的溢洪道方案在水利行業(yè)研究應(yīng)用較少，值得進(jìn)一步深入研究并推廣應(yīng)用。