大型沉井在柘林第二溢洪道副坝基础保护中的应用

陶柏强 张李荪

(江西省水利规划设计院 ,南昌 330029)

1 工程概况

柘林水利枢纽工程总库容79.2亿m3,当时为全国最大库容的土坝水库 (相当于鄱阳湖总库容的1/3)。1958年动工兴建,三年自然灾害困难时期(1962年)停工缓建,1970年底复工续建,当时正处在文革期间,随意降低洪水标准,取消校核标准,缩小工程规模,降低大坝高度,只设了一座泄量32l0m3/s的三孔溢洪道 (仅相当于校核洪水标准泄量的1/4.8),且片面追求施工进度,不顾施工质量。1971年底,大坝虽己建成,但因洪水标准太低,大坝施工质量太差,水库严重威胁着下游数百万人民生命财产安全,曾列为全国特等危险水库,一直限制在最低水位运行。

1974年水电部领导及专家曾多次亲临现场,研究柘林工程的除险加固方案,最终确定按千年一遇洪水标准设计 (下泄流量Q=12650m3/s),保坝洪水标准校核 (下泄流量Q=15880m3/s)。经反复分析论证,确定在第一副坝兴建第二溢洪道,并明确指出,简化消能设施,采用挑流消能,不挖尾渠,让其自行冲刷成渠。在当时的情况下,尽快建成第二溢洪道,尽早摘掉危险水库帽子,确保下游数百万人民生命财产安全,是当务之急,重中之重,迫在眉睫。

要使第二溢洪道在最短时间内建成,具有泄洪条件,不单取决于闸首的建成,也取决于下游尾渠的泄洪能力和副坝坝脚的保护。距闸首约500多m处的杨垅地段是尾水的必经之地,山垅地面较高,两岸为山丘,过流宽度较小 (约90m)。经模型试验,当宣泄保坝洪水流量时,下游水位高于挑流鼻坎,淹没鼻坎及陡槽,根本无法形成挑流,要满足挑流的下游水位 (低于48.5m)必须开挖杨垅山口,需挖上石方305万m3,不仅造价高,且施工期长,仍难以使水库尽早脱险。针对这一主要矛盾,经反复探讨,最后决定改挑流消能为面流消能,以将水流推出鼻坎为原则,确定下游水位。经动床模型试验,形成面流的最高下游水位为59.5m,尾渠地面高程为48.0m,杨垅山口适当挖深挖宽即可满足泄11270m3/s流量要求,开挖量仅49.0万m3,减少开挖量256万m3,大大缩短了施工工期,降低了造价,为水库尽早脱险创造了条件。

可是,因面流消能下游水位高,又出现了新的矛盾。一是陡槽底板承受下游水位的扬压力大,底板厚度需3～8m,混凝土量和石方开挖量都很大,不经济,施工期也很长。为了解决这一矛盾,鼻坎下设深齿墙封堵下游水位,陡槽底板下面设计了一套较完善的排水系统,减少扬压力。由于采用了封堵下游水位,陡槽底板排水减载等措施,底板厚度减至0.7m,节省混凝土及石方开挖各10万多m3,取得了显著的经济效果。二是由于面流消能回流冲刷岸坡及副坝基础,必须确保副坝安全,采用何种防护措施,需深入研究探讨。

2 地形、地质概况

一副坝地区为低山丘陵地貌,上覆粘土,以下为炭质页岩。溢洪道布置在一副坝左端,溢洪道闸室右边墙与副坝相连,紧临溢洪道右侧的副坝基础有F152、F154、F156三条大断层横穿坝基,因剧烈的造山运动,使总宽度100多m的坝基岩石挤压成煤炭状粉末,抗冲流速仅0.8m/s,很容易受泄洪回流的淘刷,危及副坝安全,必须防护,详见图1。

图1 平面示意图

3 坝基保护结构形式的选择

坝脚保护曾考虑过两种方案:一是依据动床试验成果,副坝下游山丘将被冲刷掉,冲刷高程30.0m,按此高程进行大开挖,然后用钢筋混凝土护底扩坡;二是在副坝基础平台的坡脚用YKC造墙,墙顶以上用钢筋混凝土护坡。前者因工程量太大不经济,被否定:后者因墻厚度太薄,仅0.8m,当墙前冲刷至30.0m高程,墙背承受12.5m高的土压力,墙太单薄,很难满足坝基抗滑稳定及墙自身强度要求。另外,在槽孔护壁泥浆中安装20m高的钢筋网,即使分段,吊装、焊接施工都存在一定困难,因此,YKC造墙方案也不理想,必须进一步探索其他技术上可靠、施工上可行、经济上合理的防护方案。经对地质资料深入分析,觉得坝基虽为岩基,但已变成极细的粉末,如果采用大型沉井,抗沉阻力不会很大,如遇孤石,刃脚用钢板保护,孤石可炸碎后清除,不致影响沉井下沉,最终决定采用大型沉井方案。

4 沉井设计、布置及施工

断层破碎带总宽度101m,在破碎带中布置了四个长24m,宽8m,深20.5m的大型沉井。沉井之间预留1.5m空隙,防止沉井施工过程中歪斜碰撞。当沉井沉至设计高程后,将预留的1.5m空隙挖竖井浇混凝土封堵。沉井顶面为地面高程42.5m,底面高程22.0m,动床试验冲刷高程30.0m,沉井深入冲刷高程以下8.0m。沉井沉至设计高程后即回填石碴,填碴后沉井总重量应满足坝基滑弧稳定最小安全系数要求,同时也应满足作为挡土墙抗滑抗倾稳定要求。按此计算确定沉井宽度为8m。横剖面示意图详见图2。沉井既是防冲墙,也是确保坝基稳定的阻滑体和挡土墙。

图2 横剖面示意图

4.1 沉井结构设计

a沉井结构尺寸的确定。

沉井自重应大于四周上压力所产生的摩擦力。

抗沉:K沉 =G/Rf≥1.15～1.25;

抗浮:K浮 =G/P浮 ≥1.05。

式中:Rf=S(h-2.5)f0;

F0=(flhi+f2h2+......+fnhn)/(h1+h1+……+hn);

h=h1+h1+……+hn;

C——沉井自重 (包括井内填碴)(t);

R——沉井侧面总摩擦力 (t);

S——沉井侧面周长 (m);

f0——沉井单位面积摩擦力的加权平均值(t/m2);

f0……fn——沉井通过的各土层对井壁的单位面积容许摩擦力 (t/m2);

h1……hn——沉井通过的各土层厚度 (m);

P浮 ——沉井所受的浮托力 (T);

K沉——沉井自重满足顺利下沉要求的安全系数;

K浮——在不计井壁与土的摩擦力的情况下,抗浮安全系数。

当有地下水时,沉井重量应减去水下部分沉井的浮托力。

根据上式求得的沉井自重,确定外墙和内隔墙的最小厚度,如重量不够,可加密横隔墙或增加纵向隔墙,后者有利于减小两端外墙的计算跨度。

侧面摩擦力分布:摩擦力沿深度成梯形分布,距地面5m范围内按三角形分布,5m以下为常数,详见图3。

图3 侧面摩擦力图

4.2 沉井结构布置

单个沉并长度24m,为减小外墙的计算跨度,全长分成四格,设二个中隔墙,中隔墙底面设计成“—∏—”形,中部高出刃脚底面1.5m,便于开挖人员自由通行,调整开挖位置。

刃脚比外墙面凸出15cm,以减少接触面摩擦力,四周15cm的空隙,必要时可用来灌入黄泥浆润滑接触面,减少下沉抗力。

刃脚外测为垂直面,内测为倾斜60°的斜面,使刃脚下端成尖形,便于切入土中,减少端阻力。内斜面便于施工人员靠近外边缘挖土,详见图4。

图4 沉井平面图及刃脚大样图

4.3 沉井应力分析

沉井平面上为一四孔箱型结构,按四孔闭合型框架分析应力。不同时期作用在沉并上的荷截为:

(1)施工期:尚未填土,内空,外侧四周承受饱和土压力,详见图5。

图5 沉井施工期受力图

(2)运行期:井内己填土,下游侧已冲刷至30.0m高程,下游侧外墙承受并内土压力,其余三面近似假定内外土压力平衡,详见图6。

图6 沉井运行期受力图

刃脚按悬臂梁计算,外侧荷载按主动土压力计算,详见图7。

图7 刃脚受力图

4.4 沉井施工

沉井必须连续施工,一气呵成,不宜中途停顿,因停顿时间过长,外围土体在不断变形,会将外侧15cm空隙挤满土,固结,增加摩擦力,当摩擦力大于沉井自重时,产生抗沉现象。一副坝坝脚4个大型沉井,1#、3#、4#沉井连续施工很顺利,2#沉井施工完第1节时,因故停工一个多月,该沉井对面的山丘己开裂下滑,沉井继续施工时,因抗力太大,即使在井顶加载,也很难下沉,最后只好在井底放爆,沉井受震后才下沉。

沉井太高时,可以分节施工,每节高度 4～5m。

沉井在施工过程中,应随时加强观测,在井外架设水准仪,井顶四角设观测点,如发现某个角沉降太快,应及时调整开挖位置,使整个沉井均衡下沉。

5 结 语

沉井一般多用于民用建筑的土基或砂基,在水利工程断层破碎带中使用在当时还是第一次。沉井能否应用于其他地基,取决于地质资料的精度和可靠性,以及对地质资料的深入分析和判断。沉井在断层破碎带中成功应用,给设计人员开阔了思路,沉井作为水利工程中的防冲和挡土建筑物,具有受力明确、结构简单、施工安全、造价低廉的优点,是值得推广应用的。