考虑运行期不均匀沉降影响的坝下涵洞纵坡设计

李卫鹏

(水利部新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 前 言

在山前洪积扇前沿地区广泛分布着软弱黏性土尤其是饱和软弱黏性土，此类软土都具有以下特征：含水量高、压缩性大、渗透性差、灵敏度高、强度低和厚度不均匀等[1]。此类软土地基不经过处理，在运行期建筑物荷载等作用下地基会发生较大的沉降量和不均匀沉降，而且沉降持续时间会很长，严重影响建筑物的正常使用。

文章结合新疆某平原水库工程，对软黏土地基上的坝下涵洞进行了施工期纵向底坡设计，设计时充分考虑了水库蓄水运行后涵洞基础不均匀沉降和沉降量过大等问题。砂井预压法能够排出饱和软黏土地基中的水分，加速土体固结，具有使地基承载能力和稳定性显著提高等优点，是一种行之有效的软土地基加固处理方法[2-6]。因此在涵洞修建前，先对涵洞基础进行了砂井预压处理。通过将处理后特征点沉降量差值与涵洞永久设计底坡所需的高差进行叠加，进而得出施工期涵洞各段纵向底坡。此设计思路能够有效避免运行期不均匀沉降导致涵洞水力学条件发生恶化，进而影响涵洞的正常使用，也可为今后类似工程设计提供借鉴。

1 工程与地质概况

新疆某平原水库依托山前洪积扇前沿天然地形，通过东、西、南、北四面筑坝而成。坝顶高程689.00 m，最大坝高18 m，坝轴线长度约6.0 km，总库容2 700万m3。坝顶宽度8.0 m，上游坝坡1∶2.5，下游坝坡1∶2.0。水库主要建筑物包含水库大坝、入库建筑物、供水兼退水闸井、坝下涵洞等。该水库位于洪积扇前沿的洼地内，库区地形较平坦，地势开阔，总地势西高东低，地面高程672.00～688.00 m，地下水位埋深为2.5～11.8 m。水库库盘内覆盖层巨厚，岩性主要为第四系全新统～上更新统洪积含土角砾和低液限黏土，夹中-粉细砂和粉土层。含土角砾和低液限黏土在库盘内分布不均一，其中含土角砾主要分布于西库盘，低液限黏土广泛分布于东库盘。坝下涵洞坐落于水库东坝段低液限黏土地基上，黏土层巨厚，地勘资料显示80 m深钻孔覆盖层未揭穿。

2 涵洞基础处理

涵洞基础采用砂井预压法处理，用坝体分期填筑代替分级加载预压过程。根据合同工期要求，初拟坝体分期填筑过程如下：① 坝体分3期填筑，其中1期填筑高程678.00 m，填筑历时90 d，恒载预压时间270 d；2期填筑高程684.00 m，填筑历时90 d，恒载预压时间270 d；3期填筑高程689.00 m，加载历时90 d ，恒载预压时间180 d。② 预压结束后，在坝体上进行涵洞基坑开挖、混凝土浇筑、涵顶坝体填筑等工作。涵洞基础分级加载预压过程如图1所示。

图1 涵洞基础分级加载预压过程图

为了提高基础固结效率，涵洞基础布设砂井进行排水。砂井采用普通砂井，平面布置采用正方形布置形式，砂井直径为0.3 m，砂井间距为2.0 m。本工程由于低液限黏土覆盖层巨厚，80 m深钻孔覆盖层未揭穿。因而本工程砂井采用未打穿砂井，砂井深度结合施工能力及施工效率确定为25 m。

3 沉降量计算

3.1 坝基最终沉降量计算

坝基沉降计算[7]按照SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》附录E的规定进行：压缩曲线按照E.1.2的规定，整理每层土的平均压缩曲线；坝基任一点的附加应力由坝基表面矩形分布荷重和三角形分布荷重所引起的竖向应力叠加而得。该附加应力按式(1)～(3)计算：

pz=KTq

(1)

(2)

(3)

式中：pz为坝基任一点的附加应力；q为三角形或矩形分布荷重；b为三角形或矩形分布荷重x轴向宽度；KT为应力系数，按表E.2.4-1和表E.2.4-2查取。

计算土层厚度每层取1 m；计算域深度确定原则如下：坝基附加应力等于自重竖向应力20%处的深度即为计算深度。坝基沉降量可用分层总和法按照下式计算：

(4)

式中：St为坝基总沉降量,mm；ei0第i层的起始孔隙比；eit第i层竖向有效应力作用下的孔隙比；hi第i层土层厚度；n土层分层数。

未经处理天然地基的最终沉降量计算分为2种荷载工况：坝体自重工况、坝体自重+水荷载工况。计算时将坝体自重和水荷载划分成附加应力可查表确定的矩形区域和三角形区域。坝体横断面、涵洞位置、荷载区域划分、计算点选取(计算点0为库盘中点)等见图2。

坝体自重、坝体自重+满蓄水荷载不同荷载工况下天然地基最终沉降量计算结果见表1。

图2 坝体横断面、涵洞位置、沉降计算点及荷载区域划分图

编号荷载工况计算点0沉降量/mm计算点1沉降量/mm计算点2沉降量/mm计算点3沉降量/mm计算点4沉降量/mm计算点5沉降量/mm1坝体自重-190.04865.341322.81877.15189.462坝体自重+满蓄水荷载801.34919.261322.181699.451186.91292.86

3.2 预压结束时刻地基平均固结度计算

本工程由于砂井采用未打穿砂井，因而地基固结度计算按照未打穿砂井理论分为砂井处理层和砂井底部下卧层。在进行固结度计算时，砂井范围内的处理区地基按砂井贯穿整个软土层的方法计算，取砂井深度作为竖向排水距离；对于砂井以下的下卧层地基按单面排水的一维固结理论计算，并将砂井底面作为排水面。也就是说，处理区地基按三维固结计算，下卧层地基按一维固结计算。计算方法采用改进的高木俊介法(建筑地基处理规范推荐方法)，预压结束时刻地基各层平均固结度计算结果见表2。

表2 地基各层平均固结度计算结果表

3.3 预压后坝基运行期沉降量计算

坝基运行期的沉降量通过坝体自重+水荷载引起的天然地基最终沉降量减去砂井预压处理掉的沉降量确定。砂井预压处理掉的沉降量包含砂井处理层沉降量和砂井底部下卧层沉降量，大小通过上述2层在预压荷载下天然地基的最终沉降量与各层在预压结束时刻的固结度相乘确定。预压后坝基运行期沉降量计算结果见表3。

4 涵洞纵坡设计

4.1 涵洞基础运行期沉降量计算

本工程坝下涵洞为无压泄水洞，断面尺寸确定时，涵洞过水能力与纵向底坡大小密切相关，水力学计算时选取的涵洞纵向底坡为1/200(即永久设计底坡)。涵洞基础运行期沉降量计算的目的在于合理设计涵洞施工期底坡，避免施工结束后随着水库蓄水涵洞基础不均匀沉降加剧导致涵洞沿水流向出现逆坡，从而造成涵洞水力学条件恶化，严重时影响涵洞的正常使用。因此，本工程涵洞设计时，依据坝基运行期各计算点的沉降量(内插或者直接应用)求得涵基0+000.000 m、0+017.000 m、0+041.000 m和0+090.000 m处涵洞运行期沉降量，涵洞特征桩号处地基运行期沉降量计算结果见表4。

表3 预压后坝基运行期沉降量计算结果表

表4 涵洞特征桩号处地基运行期沉降量表

4.2 涵洞施工期纵向底坡推求

将涵洞特征桩号处地基运行期沉降量进行连线，以水平面为参考面对沉降量连线进行镜像，将沉降量连线镜像线作为涵洞施工期纵向底坡，则在运行期沉降结束后，涵洞纵向底坡将变为零坡。涵洞永久设计底坡为1/200，因此需将沉降量连线镜像线和永久设计底坡1/200所需的涵洞各特征桩号处的高差进行叠加，进而根据叠加后的高差值推求出涵洞施工期纵向底坡,如表5所示。

表5 涵洞施工期纵向底坡推求结果表

4.3 涵洞在各控制底坡组合下的流速及水面线计算分析

本工程坝下涵洞为无压泄水洞，涵洞总长90 m，设计流量为32 m3/s。根据沉降量计算结果将涵洞分为3段进行底坡设计。根据设计思路(叠加原理)可知，3段涵洞可能出现的永久底坡范围分别为1/200～1/170、1/200～1/90和1/200～1/70，即运行期沉降量达到计算值时涵洞底坡为最小值，沉降量为0时涵洞底坡为最大值。现通过计算3段底坡均为1/200和3段底坡分别为1/170、1/90、1/70两种不同组合工况下涵洞通过设计流量时的水面线来验算涵洞底坡设计的合理性和运行的安全性。水面线计算结果分别如表6、7所示。

表6 涵洞底坡为组合1工况下的水面线计算表

表7 涵洞底坡为组合2工况下的水面线计算表

通过涵洞在各控制底坡组合下的流速及水面线计算分析可以发现，在各种底坡组合下涵洞过流能力均能满足要求；涵洞沿程各断面最大流速均远小于高速水流的下限值15 m/s，因而各断面衬砌结构均不会发生空蚀破坏等情况；涵洞每10 m设置1道结构缝，每个结构缝之间均布置了混凝土地垫梁，一定程度避免了纵向不均匀沉降导致涵洞漏水产生接触面冲刷破坏。此外，为了确保穿坝涵洞运行的安全性，涵洞结构缝之间采用了双层止水，分别为内层的铜片止水和外层的橡胶止水。

5 结 语

文章结合新疆某平原水库工程，在考虑运行期涵洞基础不均匀沉降影响因素下，对软土地基上的坝下涵洞进行了纵向底坡设计，通过分析计算可以得出以下几点结论：

(1) 软基上的此类坝下供水、泄水建筑物，在纵向底坡设计时应充分考虑运行期建筑物基础的不均匀沉降特性；

(2) 为了避免运行期不均匀沉降导致此类水工建筑物沿水流方向出现逆坡情况的发生，进而影响建筑物的正常使用和运行安全，底坡设计时应将水流向的不均匀沉降差与永久设计底坡所需的高差进行叠加，根据叠加后的综合高差推求出合理的施工期纵向底坡；

(3) 当运行期建筑物的实际沉降量小于理论计算值时，此时建筑物的实际纵向底坡值均大于建筑物的永久设计底坡，而且各段底坡值沿水流向在逐渐增大，建筑物内不会发生水跃，也能确保在设计流量下建筑物的运行安全；

(4) 为了确保建筑物运行期正常使用，施工期设计底坡的取值应比计算取值稍大，预留合理的安全余量。