淺析某水庫大壩道路路基、路面不均勻沉降設計要點探究

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前言

道路沉降的問題在各類路橋工程中時有發生，發生在不同地點的沉降原因有所區別，不同類別、程度的沉降也有不同的影響。就水庫大壩道路而言，其路基、路面發生的不均勻沉降可以分為兩種，一種是瞬時沉降，另一種是固結沉降，這兩種沉降都會影響道路的使用性能，由于沉降的發生原因較多，且多為可控因素，對其進行分析并討論應對沉降的設計要點有一定的意義。

一、水庫大壩道路概況

本次研究所選大壩位于山東省境內，為當地蓄水壩，屬于圍堵壩體，最大壩高22m，壩軸線長 12.5km，總庫容為1.9億m3，庫區面積較大，達到18.2km2，地勢上呈現北高南低的特點，水流從西面注入，向東方自流，處于汛期或者其他原因導致上游水量較大時，壩前水位可能出現落差。水庫大壩道路全長2.7km，路面平均寬度2.1m，屬混凝土路面。2017年8月，觀測發現路面、路基出現沉降，開始進行研究分析。

二、引起路基、立面不均勻沉降的影響因素

一般來說，水庫大壩道路的不均勻沉降分為瞬時沉降和固結沉降，瞬時沉降是緊隨著加壓之后地基即時發生的沉降，地基土在外荷載作用下快速發生變化，無法恢復、導致沉降，屬于地基土的畸曲變形，也稱初始沉降或畸變沉降。固結沉降一般是由于荷載作用或地下水力壓力變化導致的，會造成超孔隙水壓力的消散、有效應力的增長，沉降因此出現。不均勻沉降的基本狀況如圖1所示。

圖1 不均勻沉降的基本狀況

(一)大壩高度。大壩高度對不均勻沉降的發生有一定影響，這是由于大壩越高，豎向應力往往更集中、壩體的自重也可能越大，在長期的使用中，路面、路基都會出現老化，導致應力集中的作用越來越突出，出現不均勻沉降。

(二)路基寬度。路基的寬度也與不均勻沉降存在一定關系，二者在通常情況下呈現正相關，即路基寬度越寬，路面、路基出現不均勻沉降的可能性越高。一般來說，隨著路堤填土高度的增加，路基加寬后不均勻沉降出現的可能會逐漸增加；隨著加寬寬度的增加，路基加寬后不均勻沉降出現的可能也會逐漸增加。

(三)滲水情況和地基強度。水流的滲入會很大程度上破壞壩體下部結構，水庫大壩的路基也會因此受到影響出現沉降。本次調查出現的路面、路基沉降與水流作用有一定的關系。滲水作用一般不會引起瞬時沉降，但其破壞是長期的。本次研究的大壩屬于舊式大壩，建設之初施工技術尚不夠先進，采用強夯法進行地基處理，應用的設備屬于小型設備，沒有科學的應用化學加固等辦法，因此大壩道路的地基強度也存在一定問題，誘發了不均勻沉降。

三、控制不均勻沉降的設計要點

(一)選取合適的大壩高度。大壩高度需要合理進行選取，主要原則為高于汛期最高水位，一般來說，最高水位的計算可以應用概率學和線性規劃原理。人員取近30年或更長時間的降水量數據，根據河流的流向確定水流匯集的方位，建立分析模型，以年份為約束條件，建立縱軸；以降水量為變量，建立橫軸，每一個年份的降水量以一個點的表示，收集排布最集中的點位建立常規值模型，了解階段時間內平均降水量，并推算庫區水位；收集最大值建立奇異值模型，了解階段時間內最大降水量，并推算庫區水位，在計算大壩高度時，以常規值模型為核心，奇異值模型為參考，確定合理的高度，可以在一定程度上避免沉降[1]。

(二)控制路基寬度。水庫大壩的路面寬度一般較窄，由于路基容易受到水流影響，不宜將寬度無限制擴大，一般的水利工程項目，路面寬度應控制在4m以下，大型工程項目也需要建立分析模型，考慮進出庫區的車輛數目，尤其是載重車輛的數目，計算交通壓力，取X為交通壓力系數，X的影響因素包括載重車輛出入頻率Y以及總量Z，X的數值越大，水庫大壩的路面寬度越高，其上限值為Y和Z的最大值的乘積。在具體進行水庫大壩路面寬度設計時，應盡量限制寬度，避免不均勻沉降。

(三)強化隔水和地基。隔水作業一般通過建立隔水構件實現。要求在進行水庫大壩道路設計時，應用施工導流和圍巖技術避免水流干擾，之后建設混凝土地下連續墻，以此實現地基的強化、控制不均勻沉降[2]。完成圍堰施工后，在泥漿護壁條件下，沿水庫大壩道路開挖土方，形成一條狹長的深槽，在槽內吊放鋼筋籠，之后采用導管灌注法向鋼筋籠位置灌注混凝土，灌注逐段進行，結束階段使所有混凝土連為一體，干凝后即可形成強度較高的鋼筋混凝土墻壁，起到防滲、承重、截水、擋水等作用。混凝土地下連續墻的應用可以有效強化地基，使不均勻沉降問題得到控制。

(四)模擬實驗。應用計算機和虛擬現實技術建立實驗模型，所有參數取實測值，以沉降水平為觀察對象，以大壩高度、路基寬度、滲水情況、地基強度作為四個變量，默認水流量和庫區容量固定，進行模擬實驗。為求快速獲取結果，人工進行變化操作。

實驗共進行12次，第1-3次實驗，大壩高度取固定值22m，分別調整路基寬度、滲水情況、地基強度，結果表明，在大壩高度不變的情況下，路基越寬、滲水越嚴重、地基強度越低，不均勻沉降的發生情況越嚴重。第4-6次實驗，取固定路基寬度，分別調整大壩高度、滲水情況、地基強度，結果表明，在路基寬度不變的情況下，大壩高度越高、滲水越嚴重、地基強度越低，不均勻沉降的發生情況越嚴重。第7-9次實驗，取固定滲水情況，分別調整路基寬度、大壩高度、地基強度，結果表明，在滲水情況不變的情況下，路基越寬、大壩高度越高、地基強度越低，不均勻沉降的發生情況越嚴重。最后三次實驗也證明了相關理論。

四、總結

以某水庫大壩道路為例，分析了路基、路面不均勻沉降設計要點等內容。目前來看，影響水庫大壩道路路基、路面不均勻沉降的因素包括大壩高度、路基寬度、滲水情況、地基強度四個方面，在進行設計時需要加以考慮，可行策略包括選取合適的大壩高度、控制路基寬度、做好隔水作業、強化地基等，通過模擬實驗，上述理論得到證明。后續工作中，應用對應理論有利于控制水庫大壩道路路基、路面的不均勻沉降問題。

【參考文獻】

[1]梁巧秀,張俊濤,袁克強. 溫度對GM(1,1)模型預測大壩沉降值影響的分析[J]. 甘肅水利水電技術,2017,53(06):41-44.

[2]梁景輝. 基于IGGⅢ穩健估計法在大壩沉降監測中的應用[J]. 測繪與空間地理信息,2014,37(05):196-197+207.