水利工程基础设计地基承载力的确定与分析

路盘遵

(贵州省盘县水利局，贵州 盘县 553500)

水利工程基础设计地基承载力的确定与分析

路盘遵

(贵州省盘县水利局，贵州 盘县 553500)

水利工程地基的稳定性问题一般都源于地基的变形强度和其所受承载力等因素。其中地基的变形一般不是人为确定的，而是水工建筑物荷载通过基础传递给地基，使天然土层原有的应力状态发生变化，即在基底压力的作用下，地基中产生了附加应力和竖向、侧向或剪切变形，导致建筑物及其周边环境的沉降和位移。

水利工程；基础设计；地基承载力;地质条件；稳定性；沉降计算

1 地基承载力

一般认为地基承载力可分为允许承载力和极限承载力。允许承载力是指地基允许承受荷载的能力，极限承载力是地基在发生剪切破坏而失去整体稳定时的基底最小压力。

确定地基承载力的方法有载荷试验法、理论计算法、规范查表法、经验估算法等许多种[2]。用一种方法估算出的地基承载力的值为承载力的基本值，基本值经标准数理统计后可得地基承载力的标准值，经过对承载力标准值进行修正则得到承载力设计值。

在水利工程设计中为了保证地基土不发生剪切破坏而失去稳定，同时也为使建筑物不致因基础产生过大的沉降和差异沉降，而影响其正常使用，必须限制建筑物基础底面的压力，使其不得超过地基的承载力设计值。因此，确定地基承载力是工程实践中迫切需要解决的问题。

2 工程概况

某水库总干渠是岩石岭水库的配套工程既是渠道沿线2133hm2良田的灌溉渠道，又是二级电站的发电引水渠。渠道总长6276m，其中石渠2598m，土渠3105m，建筑物573m，渠道的设计引水流量为16.5m3/s，设计正常水深2.9m，比降1/7500。

由于受当时施工条件的限制，加上渠道是傍山开挖的半挖半填渠道，地质条件复杂，自通水运行以来一直带病运行，主要问题存在3个方面：

1)渠道沿线渗漏水严重，在单台机组发电时经普查发现有82处。

在水资源综合管理技术方面，地下水管理系统软件及监测设备为山西省地下水动态监测及其变化发展趋势预测提供了技术支撑，流域水资源综合利用信息管理系统提高了太湖流域水资源综合利用信息管理水平，基于3S的民勤绿洲水资源管理技术成果获2012年大禹水利科学技术三等奖。我国地表、地下水资源的信息化管理能力与水平得到有效提升。

2)渠道内坡山体多次发生滑坡、掉块等险情。

3)渠系建筑漏水严重，结构存在安全隐患。

3 水利工程地基地质条件

3.1 中元古界蓟县系雾迷山组白云岩

大坝两岸山体裸露地表。灰白色～灰黑色，地表岩石强风化，风化层厚度4～5m，节理裂隙发育，裂隙发育组数众多，裂隙面参差不齐，裂隙宽度0.5～3.0mm，大多未充填，结晶粒状结构，层理状构造，岩层产状倾向110°～125°、倾角40°～53°。

3.2 第四系冲洪积粉质黏土、砂砾卵石

根据水库大坝筑坝资料，坝址区沉积的砂砾卵石层厚度2～3m，清基时已清除。库区内见有砂砾、卵石，黄褐色—灰褐色，颗粒级配一般，颗粒形状以亚圆形为主，颗粒无序排列，粒径以5～50mm为主，母岩成分以砂岩、灰岩、白云岩为主，砾石间为砂质充填，见有卵、漂石，稍密状态。

3.3 坝址下经钻探揭露见有粉质黏土层

粉质黏土3层：在ZK1号孔026.00～31.90m(标高355.80～349.90m)，见有分布，黄褐色～深褐色，稍湿，可塑状态，切面稍有光滑，无摇震反应，韧性较高，干强度较高。揭露最低建基面高程为355.80m。

4 水利工程基础设计地基承载力的确定

4.1 稳定性计算

本工程地基承载力较高，堤防的整体稳定性应是比较好的。根据地形测量图和地质勘探报告，本次初设选取5+050断面进行分析计算，计算公式为：

(1)

式中：Li、Wi为土条的滑弧长、重量；Ci、φi为土层的抗剪强度指标；αi为土条底面中点的法线与竖直线的交角。

计算工况主要有正常运用工况和特殊运用工况，各种工况的水位组合及稳定安全系数要求见表1。稳定计算结果见表2。

表1 稳定计算工况及安全系数要求

表2 堤防稳定分析计算成果

注：X值以老堤堤线为”0”点，沿河中侧为负值；Y值以老堤底板为”0”点。

从以上分析结果可知，正常运用工况的稳定安全系数>1.20，非常运用工况的稳定安全系数>1.10，皆满足规范要求。

4.2 地基沉降估算

地基最终沉降采用分层总和法，计算式为：

(2)

计算深度至附加应力0.2倍自重处，沉降经验修正系数 ms取1.4，得沉降计算成果。根据求得的最终沉降以及施工期可能完成的沉降，推算堤顶预留加高值见表3。

表3 堤防最终沉降及堤顶预留加高估算值

4.3 挡墙计算

本次渠道沿程挡墙有仰斜重力式挡墙和衡重式挡墙两种。仰斜重力式挡墙适用岩质边坡，岩质边坡按设计要求开挖之后，仰斜重力式挡墙与岩质边坡之间用C15灌砌石填实。衡重式挡墙适用于边坡覆盖层较厚的地方，墙后平台宽度≥4m，山体也按照要求削破(山体开挖边坡：黏土覆盖层≥1∶1.5；全风化软质岩≥1∶1；强风化软质岩≥1∶0.75)，挡墙墙后采用黏土回填，要求压实度≥0.92。仰斜重力式挡墙墙后边坡需能保持自身稳定，挡墙只起护坡作用。衡重式挡墙土压力计算采用库仑公式，基底与粉质黏土的摩擦系数取0.35，墙后采用黏土回填，取φ=17.5°，C=26kPa，γ=18.6kN/ m3。根据计算的土压力和水压力，对挡墙进行抗滑、抗倾覆验算和基底应力计算。详见表4。

表4 挡土墙结构稳定计算成果

计算结果显示，挡土墙的稳定性满足规范要求。

4.4 渗透稳定验算

堤防的闭气土方高程要求高于设计水位0.5m以上。本工程堤身均由黏性土填筑，允许渗透坡降可达0.3，实际渗透坡降均<0.3。因此，防洪堤不会发生渗透稳定破坏。

5 地基防渗方案确定

由于水库总干渠是沿山开挖的半挖半填渠道，渠底地基差异性极大，如选择混凝土板(刚性材料)作为防渗层，不仅需设置大量伸缩缝，造成施工困难，质量难以保证，而且容易受不均匀沉降的影响而开裂，继而在渗流水的长期作用下，渠底下的土颗粒被带走，引发渠底塌陷事故。

通过对土料防渗、水泥土防渗、沥青混凝土防渗等多方案比较，认为选择能适应地基变形、工期短的复合膜防渗方案是合适的，选用二布一膜(150/0.3/150)为防渗材料，砂壤土保护层厚15cm，为防砂壤土受冲刷，在其表面采用厚10cmC20钢筋混凝土面板保护，伸缩缝用SR油膏嵌缝，表面用氯丁乳胶水泥砂浆封口。各材料主要技术控制指标见表5。

在两岸挡墙墙脚设置混凝土齿墙，分两期浇筑，一期混凝土浇筑至复合膜高程，铺上复合膜再浇二期混凝土。混凝土齿墙沿渠道纵向每隔8m设伸缩缝，缝宽2cm，用橡胶止水带止水；除与混凝土接触面外均用氯丁乳胶水泥砂浆封口；混凝土齿墙应分段开挖分段浇筑。

表5 主要技术控制指标

1)3+127～3+535段外侧(右岸)保持原挡墙不变，为保防渗效果，凿去外侧挡墙表层混凝土，接着凿毛、清洗、喷10cm厚C20喷聚丙烯纤维混凝土，喷混凝土防渗层不设伸缩缝，其混凝土级配、外加剂应通过室内和现场试验确定。

2)3+535～3+660段外侧(右岸)边坡较缓，边坡本身能保持稳定，故防渗处理措施与渠底相同。内侧(左岸)新建C20灌砌石挡墙，挡墙顶设50cm高C15混凝土拦碴墙；迎水面喷10cm厚C20喷聚丙烯纤维混凝土，喷混凝土分缝位置同灌砌石挡墙，沿渠道纵向每隔8m设伸缩缝，缝宽2cm，伸缩缝用沥青砂板嵌缝，表面用SR油膏和氯丁乳胶水泥砂浆封口。

若左岸为黏土则采用衡重式挡墙，墙后采用黏土回填；若左岸为岩石山体则采用仰斜式重力式挡墙，挡墙外坡1∶0.3，内坡1∶0.2，墙后采用C15灌砌石填实。山体某些断面坡度较陡，实际已有部分滑坡，需要进行边坡处理。山体开挖边坡控制原则：黏土覆盖层≥1∶1.5；全风化软质岩≥1∶1；强风化软质岩≥1∶0.75。

6 结 语

因地基承载力不足，造成结构物下沉，致使沉降逢处产生裂缝，最后只有返工，重新对基础进行加固处理，不但影响工期，而且对施工单位的声誉造成不良影响，在设计过程中对地基承载能力的确定与分析，对保证水利工程结构物工程质量有着深远的意义。

[1]徐至钧.强夯和强夯置换法加固地基[M].北京：机械工程出社,2004：35-47.

[2]刘玉卓.公路工程软基处理[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

路盘遵(1969-)，男，贵州盘县人，高级工程师，研究方向为水利水电工程设计和施工。

TU47

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