深厚覆盖层上的溢洪道设计

(贵州聚龙项目投资咨询有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 工程概况

贵州省施秉县黄金树水库首部枢纽由混凝土面板堆石坝、右岸开敞式溢洪道、左岸取水兼放空建筑物组成。溢洪道为无闸控制开敞式，共设1孔，溢流前沿净宽10m，溢洪道长140.85m，最大单宽流量6.75m3/(s·m)，水库已建成并通过下闸蓄水验收。

2 溢洪道工程地质

溢洪道布置于大坝右岸，溢洪道边坡地貌类型为侵蚀-剥蚀地貌，坡顶高程约977m，谷底高程约694m，高差约280m，自然坡度45°～60°，场地附近无大规模滑坡、坍塌等不良地质作用，岸坡为斜向岩质边坡，坡体主要由覆盖层、强风化岩体组成，植被较发育，对覆盖层有一定固结作用，自然边坡总体稳定性好。

根据地勘钻孔揭露，边坡第四系覆盖层厚约20m，下伏基岩为寒武系下统把榔组(∈1p)灰绿色含云母页岩、砂质页岩夹薄层粉砂岩，岩层产状N20°E/SE∠10°，岩层呈单斜构造，倾下游偏左岸，岩层走向与河流流向斜交，交角约70°～80°。强风化层岩体裂隙发育，松散破碎，岩体质量差；弱风化岩体呈层状结构，裂隙较发育，岩体质量一般。溢洪道边坡为二元结构，上部为覆盖层，下部为强风化及弱风化层，覆盖层为残坡积黏土夹碎石，颗粒级配较差，覆盖层开挖后，边坡自稳能力差，易发生滑坡。地质专业要求采取相应支护措施，并分级开挖，建议每10m高差设置一级马道，开挖坡比：覆盖层1∶1～1∶1.25，强风化层1∶0.75～1∶1，弱风化层1∶0.75～1∶0.5。强风化层允许承载力0.6～0.8MPa，弱风化层上部允许承载力0.8～1.0MPa，弱风化层中下部允许承载力1.0～2.0MPa。

消力池出口冲刷区主要为寒武系下统杷榔组(∈1p)灰绿色含云母页岩、砂质页岩夹薄层粉砂岩，岩层产状为N20°E/SE∠10°。岩石较软，抗冲能力弱，泄洪建筑物出口易形成冲坑。由于溢洪道末端水流归槽顺畅，且冲刷区距坝脚较远，水库泄洪冲刷对岸坡稳定及坝体影响小，采取适当防冲措施即可。抗冲系数：强风化1.8～2.0；弱风化1.4～1.6。

本项目覆盖层松软，稳定性差，不能作为溢洪道地基。因此，将溢洪道持力层定在弱风化层上部，符合相关规范的要求。

3 溢洪道方案选择

由于溢洪道所在山体岩石风化程度深，开挖至设计持力层深度也很深。按常规方法(方案一)整个泄槽需要开挖10m多，并且靠山体一侧还需要放坡，以保证边坡稳定。此外边坡需要进行支护处理，才能成为永久边坡，工程量较大。为了寻求最优方案，本项目拟采用桩基础架空溢洪道泄槽方案[4](方案二)。

方案一：常规方案，开挖山体边坡形成溢洪道。

方案二：桩基础架空溢洪道泄槽。

以上两种溢洪道方案优缺点对比见表1～表2。

表1 溢洪道方案对比

表2 溢洪道工程投资对比

由表1～表2可知，选择相同建基面的条件下，方案一最大开挖边坡高度达102.43m，总开挖量达7.01万m3。开挖后还要进行大量的边坡支护，以确保岸坡稳定。破坏岸坡原有植被，还要多征岸坡土地，弃渣运往渣场堆放。溢洪道投资达978.71万元。方案二是将长90m的泄槽做成刚性底板，由挖孔桩支承，将大面积的基础开挖改变为局部的孔桩开挖，岸坡仅需挖至泄槽底板标高即可，因此最大开挖边坡高度仅15.95m，边坡可不支护，保护了岸坡的生态环境。该方案泄槽底板是架空支承于孔桩上的钢筋混凝土梁板结构，用钢量比方案一大。经计算，溢洪道投资为458.85万元，比方案一省519.86万元，仅相当于方案一的47%，方案二(桩基方案)优势非常明显。

两种溢洪道方案横剖面见图1～图2。从图2可以看出，常规方法采用深开挖，泄槽要开挖约11～15m深，开挖要自上而下，靠山一侧还要放坡，由于岸坡山体高大、坡陡，高差约280m，自然坡度45°～60°。因此放坡的山顶标高是811.0m，而泄槽顶板标高709.58m，高差是101.4m。开挖后的边坡是永久边坡，还必须进行支护。采用喷混凝土+锚杆的支护方法沿整个坡面加固。方案一不仅增加了投资，而且还破坏了坡面绿色植被。

图1 泄槽横剖面图(桩基方案)

图2 泄槽横剖面图(常规方案)

优化后的“桩基础架空溢洪道泄槽”方案将泄槽架空做成刚性底板支承于孔桩上。桩是按端承桩考虑，桩底必须扩孔才能使地基满足受力要求，因此采用人工挖孔桩方式以便于扩孔。

4 溢洪道结构设计

溢洪道布置于大坝右岸，为无闸控制开敞式溢洪道，溢洪道总长140.85m。溢洪道设一孔，溢流前沿净宽10.0m。进水渠中轴线长11.00m，底板厚0.3m，底板顶部高程719.30m。控制段堰顶高程722.50m，基底高程713.00m，控制段长5.34m。泄槽段长104.51m，泄槽底坡i=30.998%，矩形过流断面宽10.1m，边墙厚0.4m，高1.5m，泄槽底板厚0.3m，泄槽底板及边墙每隔20m设一道伸缩缝，缝宽2cm，内设1道铜止水并塞填沥青油毡(二毡三油)。消力池长20.00m，深1.50m，护坦厚1.00m，护坦顶高程687.00m。进水渠底板与护坡采用C25混凝土，控制段溢流面、泄槽及消力池边墙和底板采用C30抗冲磨混凝土，孔桩采用C25混凝土。

4.1 泄槽结构布置及计算

根据现场地形及结构需要，泄槽段布置10排孔桩，泄槽段共9跨，单跨长10.00m，泄槽宽11.00m(净宽10.10m)。泄槽底板与边墙每隔20m设一道伸缩缝，缝宽2cm(内设1道铜止水，缝内填沥青油毡)，当泄槽底板因梁钢筋布置无法设置止水时，在泄槽底板伸缩缝内填沥青油毡，并设2道遇水膨胀止水条。

采用PKPM软件(PKPM2010_v2.1)对泄槽结构进行分析，得出泄槽桩底内力，泄槽底板混凝土梁、板结构在各种工况下的内力，作为结构配筋的依据。

4.2 泄槽挖孔桩基础设计

根据地质专业勘察的结果，桩基础地基承载力按800kPa设计。考虑到孔桩开挖较深，为便于开挖，孔桩直径取1.20m，经计算，最大桩底轴力Nmax=2623.6kN，桩底压力2321kPa(桩底不扩孔时)，大于地基承载力800kPa，须扩大桩底直径[5]。桩底直径扩大为2.00m时，对应桩底压力721kPa，地基承载力满足要求。

泄槽段共布置孔桩20根，单桩深约11～15m[3]，工程量小，若采用机械施工既不经济也不便于扩孔，选用人工挖孔桩。由于孔桩与覆盖层之间摩阻力小，孔桩设计为端承桩[1]。泄槽孔桩布置(溢0+047.00～溢0+87.00)见图3。由于泄槽是架空设置，其布置不受地面起伏的影响，桩号溢0+067.00～溢0+087.00段是高于原地面布置的。桩开挖要求自上而下进行，每挖1m就立即做钢筋混凝土护壁[2]，防止垮塌确保安全。

图3 泄槽孔桩布置

4.3 控制段与消力池基础处理

消力池基础置于约15m厚覆盖层上，为避免消力池护坦沉降开裂，须对消力池进行基础处理。消力池地基采用1.0m厚碾压块石置换，置换块石及下部地基采用振动碾压实。消力池基础处理方案见图4。

图4 消力池纵剖面

5 结 论

黄金树水库溢洪道的顺利实施验证了山区软弱地基岸边溢洪道桩基础方案合理可行，证实了其施工简便、投资节约的优良特性，避免了岸坡的开挖与支护，目前山上植被发育，保护了环境。在黔南、黔东南地区存在大量类似的工程地质条件，该项目为今后类似地质条件溢洪道建设提供了一套经济合理的解决方案，并积累了宝贵经验，具有借鉴意义。水库工程投资较高，溢洪道方案优化后显著地节约了投资。本文推荐的溢洪道方案在水利行业研究应用较少，值得进一步深入研究并推广应用。