水利工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)地基承載力的確定與分析

路盤(pán)遵

(貴州省盤(pán)縣水利局，貴州 盤(pán)縣 553500)

水利工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)地基承載力的確定與分析

路盤(pán)遵

(貴州省盤(pán)縣水利局，貴州 盤(pán)縣 553500)

水利工程地基的穩(wěn)定性問(wèn)題一般都源于地基的變形強(qiáng)度和其所受承載力等因素。其中地基的變形一般不是人為確定的，而是水工建筑物荷載通過(guò)基礎(chǔ)傳遞給地基，使天然土層原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，即在基底壓力的作用下，地基中產(chǎn)生了附加應(yīng)力和豎向、側(cè)向或剪切變形，導(dǎo)致建筑物及其周邊環(huán)境的沉降和位移。

水利工程；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；地基承載力;地質(zhì)條件；穩(wěn)定性；沉降計(jì)算

1 地基承載力

一般認(rèn)為地基承載力可分為允許承載力和極限承載力。允許承載力是指地基允許承受荷載的能力，極限承載力是地基在發(fā)生剪切破壞而失去整體穩(wěn)定時(shí)的基底最小壓力。

確定地基承載力的方法有載荷試驗(yàn)法、理論計(jì)算法、規(guī)范查表法、經(jīng)驗(yàn)估算法等許多種[2]。用一種方法估算出的地基承載力的值為承載力的基本值，基本值經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)理統(tǒng)計(jì)后可得地基承載力的標(biāo)準(zhǔn)值，經(jīng)過(guò)對(duì)承載力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行修正則得到承載力設(shè)計(jì)值。

在水利工程設(shè)計(jì)中為了保證地基土不發(fā)生剪切破壞而失去穩(wěn)定，同時(shí)也為使建筑物不致因基礎(chǔ)產(chǎn)生過(guò)大的沉降和差異沉降，而影響其正常使用，必須限制建筑物基礎(chǔ)底面的壓力，使其不得超過(guò)地基的承載力設(shè)計(jì)值。因此，確定地基承載力是工程實(shí)踐中迫切需要解決的問(wèn)題。

2 工程概況

某水庫(kù)總干渠是巖石嶺水庫(kù)的配套工程既是渠道沿線(xiàn)2133hm2良田的灌溉渠道，又是二級(jí)電站的發(fā)電引水渠。渠道總長(zhǎng)6276m，其中石渠2598m，土渠3105m，建筑物573m，渠道的設(shè)計(jì)引水流量為16.5m3/s，設(shè)計(jì)正常水深2.9m，比降1/7500。

由于受當(dāng)時(shí)施工條件的限制，加上渠道是傍山開(kāi)挖的半挖半填渠道，地質(zhì)條件復(fù)雜，自通水運(yùn)行以來(lái)一直帶病運(yùn)行，主要問(wèn)題存在3個(gè)方面：

1)渠道沿線(xiàn)滲漏水嚴(yán)重，在單臺(tái)機(jī)組發(fā)電時(shí)經(jīng)普查發(fā)現(xiàn)有82處。

在水資源綜合管理技術(shù)方面，地下水管理系統(tǒng)軟件及監(jiān)測(cè)設(shè)備為山西省地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及其變化發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供了技術(shù)支撐，流域水資源綜合利用信息管理系統(tǒng)提高了太湖流域水資源綜合利用信息管理水平，基于3S的民勤綠洲水資源管理技術(shù)成果獲2012年大禹水利科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)。我國(guó)地表、地下水資源的信息化管理能力與水平得到有效提升。

2)渠道內(nèi)坡山體多次發(fā)生滑坡、掉塊等險(xiǎn)情。

3)渠系建筑漏水嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)存在安全隱患。

3 水利工程地基地質(zhì)條件

3.1 中元古界薊縣系霧迷山組白云巖

大壩兩岸山體裸露地表。灰白色～灰黑色，地表巖石強(qiáng)風(fēng)化，風(fēng)化層厚度4～5m，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙發(fā)育組數(shù)眾多，裂隙面參差不齊，裂隙寬度0.5～3.0mm，大多未充填，結(jié)晶粒狀結(jié)構(gòu)，層理狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀傾向110°～125°、傾角40°～53°。

3.2 第四系沖洪積粉質(zhì)黏土、砂礫卵石

根據(jù)水庫(kù)大壩筑壩資料，壩址區(qū)沉積的砂礫卵石層厚度2～3m，清基時(shí)已清除。庫(kù)區(qū)內(nèi)見(jiàn)有砂礫、卵石，黃褐色—灰褐色，顆粒級(jí)配一般，顆粒形狀以亞圓形為主，顆粒無(wú)序排列，粒徑以5～50mm為主，母巖成分以砂巖、灰?guī)r、白云巖為主，礫石間為砂質(zhì)充填，見(jiàn)有卵、漂石，稍密狀態(tài)。

3.3 壩址下經(jīng)鉆探揭露見(jiàn)有粉質(zhì)黏土層

粉質(zhì)黏土3層：在ZK1號(hào)孔026.00～31.90m(標(biāo)高355.80～349.90m)，見(jiàn)有分布，黃褐色～深褐色，稍濕，可塑狀態(tài)，切面稍有光滑，無(wú)搖震反應(yīng)，韌性較高，干強(qiáng)度較高。揭露最低建基面高程為355.80m。

4 水利工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)地基承載力的確定

4.1 穩(wěn)定性計(jì)算

本工程地基承載力較高，堤防的整體穩(wěn)定性應(yīng)是比較好的。根據(jù)地形測(cè)量圖和地質(zhì)勘探報(bào)告，本次初設(shè)選取5+050斷面進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算公式為：

(1)

式中：Li、Wi為土條的滑弧長(zhǎng)、重量；Ci、φi為土層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；αi為土條底面中點(diǎn)的法線(xiàn)與豎直線(xiàn)的交角。

計(jì)算工況主要有正常運(yùn)用工況和特殊運(yùn)用工況，各種工況的水位組合及穩(wěn)定安全系數(shù)要求見(jiàn)表1。穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 穩(wěn)定計(jì)算工況及安全系數(shù)要求

表2 堤防穩(wěn)定分析計(jì)算成果

注：X值以老堤堤線(xiàn)為”0”點(diǎn)，沿河中側(cè)為負(fù)值；Y值以老堤底板為”0”點(diǎn)。

從以上分析結(jié)果可知，正常運(yùn)用工況的穩(wěn)定安全系數(shù)>1.20，非常運(yùn)用工況的穩(wěn)定安全系數(shù)>1.10，皆滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.2 地基沉降估算

地基最終沉降采用分層總和法，計(jì)算式為：

(2)

計(jì)算深度至附加應(yīng)力0.2倍自重處，沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù) ms取1.4，得沉降計(jì)算成果。根據(jù)求得的最終沉降以及施工期可能完成的沉降，推算堤頂預(yù)留加高值見(jiàn)表3。

表3 堤防最終沉降及堤頂預(yù)留加高估算值

4.3 擋墻計(jì)算

本次渠道沿程擋墻有仰斜重力式擋墻和衡重式擋墻兩種。仰斜重力式擋墻適用巖質(zhì)邊坡，巖質(zhì)邊坡按設(shè)計(jì)要求開(kāi)挖之后，仰斜重力式擋墻與巖質(zhì)邊坡之間用C15灌砌石填實(shí)。衡重式擋墻適用于邊坡覆蓋層較厚的地方，墻后平臺(tái)寬度≥4m，山體也按照要求削破(山體開(kāi)挖邊坡：黏土覆蓋層≥1∶1.5；全風(fēng)化軟質(zhì)巖≥1∶1；強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖≥1∶0.75)，擋墻墻后采用黏土回填，要求壓實(shí)度≥0.92。仰斜重力式擋墻墻后邊坡需能保持自身穩(wěn)定，擋墻只起護(hù)坡作用。衡重式擋墻土壓力計(jì)算采用庫(kù)侖公式，基底與粉質(zhì)黏土的摩擦系數(shù)取0.35，墻后采用黏土回填，取φ=17.5°，C=26kPa，γ=18.6kN/ m3。根據(jù)計(jì)算的土壓力和水壓力，對(duì)擋墻進(jìn)行抗滑、抗傾覆驗(yàn)算和基底應(yīng)力計(jì)算。詳見(jiàn)表4。

表4 擋土墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算成果

計(jì)算結(jié)果顯示，擋土墻的穩(wěn)定性滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.4 滲透穩(wěn)定驗(yàn)算

堤防的閉氣土方高程要求高于設(shè)計(jì)水位0.5m以上。本工程堤身均由黏性土填筑，允許滲透坡降可達(dá)0.3，實(shí)際滲透坡降均<0.3。因此，防洪堤不會(huì)發(fā)生滲透穩(wěn)定破壞。

5 地基防滲方案確定

由于水庫(kù)總干渠是沿山開(kāi)挖的半挖半填渠道，渠底地基差異性極大，如選擇混凝土板(剛性材料)作為防滲層，不僅需設(shè)置大量伸縮縫，造成施工困難，質(zhì)量難以保證，而且容易受不均勻沉降的影響而開(kāi)裂，繼而在滲流水的長(zhǎng)期作用下，渠底下的土顆粒被帶走，引發(fā)渠底塌陷事故。

通過(guò)對(duì)土料防滲、水泥土防滲、瀝青混凝土防滲等多方案比較，認(rèn)為選擇能適應(yīng)地基變形、工期短的復(fù)合膜防滲方案是合適的，選用二布一膜(150/0.3/150)為防滲材料，砂壤土保護(hù)層厚15cm，為防砂壤土受沖刷，在其表面采用厚10cmC20鋼筋混凝土面板保護(hù)，伸縮縫用SR油膏嵌縫，表面用氯丁乳膠水泥砂漿封口。各材料主要技術(shù)控制指標(biāo)見(jiàn)表5。

在兩岸擋墻墻腳設(shè)置混凝土齒墻，分兩期澆筑，一期混凝土澆筑至復(fù)合膜高程，鋪上復(fù)合膜再澆二期混凝土。混凝土齒墻沿渠道縱向每隔8m設(shè)伸縮縫，縫寬2cm，用橡膠止水帶止水；除與混凝土接觸面外均用氯丁乳膠水泥砂漿封口；混凝土齒墻應(yīng)分段開(kāi)挖分段澆筑。

表5 主要技術(shù)控制指標(biāo)

1)3+127～3+535段外側(cè)(右岸)保持原擋墻不變，為保防滲效果，鑿去外側(cè)擋墻表層混凝土，接著鑿毛、清洗、噴10cm厚C20噴聚丙烯纖維混凝土，噴混凝土防滲層不設(shè)伸縮縫，其混凝土級(jí)配、外加劑應(yīng)通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

2)3+535～3+660段外側(cè)(右岸)邊坡較緩，邊坡本身能保持穩(wěn)定，故防滲處理措施與渠底相同。內(nèi)側(cè)(左岸)新建C20灌砌石擋墻，擋墻頂設(shè)50cm高C15混凝土攔碴墻；迎水面噴10cm厚C20噴聚丙烯纖維混凝土，噴混凝土分縫位置同灌砌石擋墻，沿渠道縱向每隔8m設(shè)伸縮縫，縫寬2cm，伸縮縫用瀝青砂板嵌縫，表面用SR油膏和氯丁乳膠水泥砂漿封口。

若左岸為黏土則采用衡重式擋墻，墻后采用黏土回填；若左岸為巖石山體則采用仰斜式重力式擋墻，擋墻外坡1∶0.3，內(nèi)坡1∶0.2，墻后采用C15灌砌石填實(shí)。山體某些斷面坡度較陡，實(shí)際已有部分滑坡，需要進(jìn)行邊坡處理。山體開(kāi)挖邊坡控制原則：黏土覆蓋層≥1∶1.5；全風(fēng)化軟質(zhì)巖≥1∶1；強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖≥1∶0.75。

6 結(jié) 語(yǔ)

因地基承載力不足，造成結(jié)構(gòu)物下沉，致使沉降逢處產(chǎn)生裂縫，最后只有返工，重新對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，不但影響工期，而且對(duì)施工單位的聲譽(yù)造成不良影響，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)地基承載能力的確定與分析，對(duì)保證水利工程結(jié)構(gòu)物工程質(zhì)量有著深遠(yuǎn)的意義。

[1]徐至鈞.強(qiáng)夯和強(qiáng)夯置換法加固地基[M].北京：機(jī)械工程出社,2004：35-47.

[2]劉玉卓.公路工程軟基處理[M].北京：人民交通出版社,2002：56-71.

DeterminationandAnalysisonBearingCapacityofFoundationDesignforHydraulicFoundationEngineering

LU Pan-zun

(Guizhou Province Pan County Water Conservancy Bureau，Pan County 553500，China)

The stability problems of a hydraulic engineering generally stem from the deformation of the foundation and the

bearing capacity.The foundation deformation in general is not arbitrary，but the hydraulic structures of load transfer to the ground through the foundation，making natural soil of original stress state changes，i.e.in the basal pressure，leading to additional stress and vertical，lateral and shear deformation and resulting in the ettlement and displacement of the building and its surrounding environment.

hydraulic engineering；foundation design；foundation bearing capacity；geological condition；stability，sediment calculation

1007-7596(2014)03-0026-03

2013-09-27

路盤(pán)遵(1969-)，男，貴州盤(pán)縣人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗姽こ淘O(shè)計(jì)和施工。

TU47

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