苗倩 左文涛 孙亮科
中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222
摘要：马高庄水库位于折死沟流域上游，调蓄能力小，产汇流快，洪水流量大，溢洪道工程规模较大。工程位于湿陷性黄土区，本文对马高庄水库溢洪道布置进行了说明，并根据稳定计算成果对湿陷性黄土处理、湿陷性黄土基础上的承载力问题处理进行了具体设计，可为类似工程提供参考。
关键词：溢洪道；稳定计算；湿陷性黄土；基础处理
1、工程概况
马高庄水库位于宁夏回族自治区同心县马高庄乡，清水河一级支流折死沟上游马高庄沟与支沟黑风沟交汇处上游约1700m处，距离同心县县城80km。马高庄水库工程的建设任务为防洪减淤、淤地和灌溉。
水库主要建筑物有均质土坝、溢洪道及取水建筑物，枢纽坝轴线总长246m，水库总库容2388万m3。工程规模为中型水库，工程等别为III等，主要建筑物均质土坝、溢洪道及取水建筑物为3级建筑物。
马高庄水库位于折死沟流域上游，地势波状起伏，植被覆盖率低，调蓄能力小，产汇流快，造峰历时短，洪水多为尖瘦形，陡涨陡落。根据水文洪水计算成果，设计（P=2%）洪峰流量为1150m3/s；校核（P=0.1%）洪峰流量为2231m3/s。洪峰流量较大，导致溢洪道工程规模较大，投资占工程总投资比例较高。
溢洪道建基面位于黄土层上，岩性为重粉质砂壤土，分布连续。本层土具湿陷性，湿陷等级为Ⅲ-Ⅳ自重湿陷性，湿陷量为476.9~700.9mm，自重湿陷量412.2~612.3mm，湿陷深度为19m，应采取消除全部或部分湿陷的措施。承载力[R]=120kPa。
2、溢洪道布置
溢洪道布置在左坝肩，中心线位于桩号0-060.0m处，与坝轴线垂直。溢洪道采用开敞式，共布置4孔，总净宽36m。溢洪道由进口段、宽顶堰控制段、一级泄槽段、一级消力池、明渠段、二级泄槽段和二级消力池组成，总长度为696m。进口土渠段长152m，进口砌护段长40.00m，宽顶堰控制段长20.00m，一级泄槽及消力池长54.00m，泄槽比降为1：4，明渠段长140.00m，二级泄槽及消力池长290.0m。二级消力池末端接出口河道防护段。溢洪道平面布置及纵剖面图见图1。
图1 溢洪道平面布置及纵剖面图
3、溢洪道稳定计算
3.1 控制段稳定计算
溢洪道控制段基础坐落于黄土层上，基础地基承载力特征值为120kPa，内摩擦角为20.6°，凝聚力C=9.55kPa。控制段结构设计荷载组合分为基本组合及特殊组合。基本组合包括设计洪水位工况及完建工况，特殊组合包括校核洪水位工况及地震工况。
经计算，溢洪道控制段各工况下平均基底应力均大于120kPa，其中完建工况平均基底应力为212.7kPa，需要进行基础处理。
3.2 泄槽段、消力池段稳定计算
对溢洪道泄槽段半重力式挡墙和消力池段扶壁式挡墙进行稳定计算。经计算，泄槽段挡墙的基底应力、基底不均匀系数均满足规范要求。消力池段挡墙的基底应力不均匀系数均满足规范要求，最大基地应力在地震工况下最大为191.20kpa，大于地基允许承载力的1.2倍不满足规范要求，需进行基础处理。
4、基础处理
4.1 湿陷性黄土处理
根据地质勘察成果，溢洪道建基面下部土层具湿陷性，湿陷等级为Ⅲ-Ⅳ自重湿陷性，应采取消除全部或部分湿陷的措施。湿陷性黄土具有松散多孔结构状态，孔隙比大，垂直节理发育，遇水后湿陷，强度下降，承载力明显降低的特性。湿陷性黄土在一定压力下受水浸湿，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉。
对湿陷性黄土，目前常用的地基处理方法有：开挖换填法、夯实法（包括重锤表层夯实法和强夯法）、预浸水法、桩基础、土（或灰土）挤密桩综合处理方法等。几种地基处理方法的说明及适用性总结见表1。
对于湿陷性黄土厚度不大，在1～3m左右，设置土（或灰土）垫层（也叫换填法）是比较简单且投资较少的处理方法。对于湿陷性黄土厚度大于3m的地基，强夯法处理地基的有效厚度大，具有施工速度快和造价低等优点。预浸水法适用于湿陷黄土厚度大于10m和自重湿陷量计算值大于500mm的自重湿陷性黄土场地，处理面积大。但预浸水法时间周期较长，且需在地基预浸水结束后，在基础施工前要进行补充勘察，重新评定地基土的湿陷性，并采用垫层或其他方法处理上部湿陷性黄土层，施工周期较长，工程区又缺少水源，不适用于本工程。
桩基础处理方法对地基承载力提高最明显，但投资较高。本次在平均基底应力值最高的溢洪道控制段采用桩基础方案，保证控制段基础稳定性。
土（或灰土）挤密桩可消除湿陷性，灰土挤密桩亦可提高地基土的承载力，减小沉降。填料可以就地取材，价格便宜，施工简单，进度快，是湿陷性黄土地区地基加固的有效方法之一。表层挖除翻压+素土挤密桩综合处理法，首先将上部湿陷性黄土挖除，剩余15m厚度范围内的湿陷性土采用素土挤密桩处理。
本工程溢洪道处湿陷性黄土厚度约为19m，自重湿陷量为412.2~612.3mm。采用表层挖除翻压+土挤密桩综合处理方案较适宜。其中泄槽段及消力池底板等基底应力复核满足规范要求处，采用素土挤密桩。消力池扶壁式挡墙等基底应力复核不满足规范要求处，采用灰土挤密桩，以提高地基承载力。
4.2 溢洪道控制段基础处理
（1）基础处理方案比选
溢洪道控制段地基基底应力不满足要求，同时存在湿陷性黄土问题，采用桩基础处理方法对其进行地基处理。为满足应力和地基沉降要求，根据工程特点，共考虑钻孔灌注桩、水泥土搅拌桩、高压喷射注浆法以及预应力混凝土管桩基础等四种地基处理措施。
比较上述四种地基处理措施：钻孔灌注桩可有效提高承载力，适应性广，适合在各种地层中施工，桩长、桩径选择范围大，单桩承载力高，与预制桩相比，可节约钢材，降低成本，施工噪音小，适应性较好，施工工艺稍复杂，造价相对较高。高压喷射注浆法对各类土适应能力强，但工程造价相对较高。混凝土管桩具有施工速度快、单位承载力造价便宜，经济效益好的优点，但是施工条件具有一定的局限性，施工时震动剧烈，噪音大，挤土量大，会造成一定的环境污染和影响。水泥土深层搅拌桩是用水泥作为固化剂，通过深层搅拌机械在地基深处就地将软土与水泥强制搅拌，利用水泥和软土之间所产生的一系列物理—化学反应，从而使软土硬结成具有整体性和一定强度的优质复合地基。该方案施工方便，造价低，能同时解决地基承载力不足和沉降量过大的问题，但其承载力增加有限，主要用于处理承载力要求增加不大的淤质类软土地基。
根据溢洪道控制段基础的土层和应力要求，溢洪道控制段基础采用混凝土灌注桩处理，灌注桩直径0.8m。
（2）单桩的竖向容许承载力计算
根据建筑桩基设计规范确定管桩单桩竖向极限承载力标准值：
式中：
本次灌注桩的桩径取0.8m，桩间距取2.5m，采用矩形布置，溢洪道控制段底板底部顺水流方向布置8根灌注桩，垂直水流方向布置14根灌注桩，共计112根。经计算，满足地基应力要求的灌注桩的长度为9.9m，设计采用10.0m进行布置。
4.3 泄槽等基底应力满足要求处基础处理
泄槽段及消力池底板等基底应力复核满足规范要求处，采用挖除翻压+素土挤密桩综合处理方案。
处理范围为溢洪道泄槽段及消力池底板坐落于湿陷性黄土上的建筑物基础，以及建筑物基础周边外扩部分。挤密法是用打入桩、冲钻或爆扩等方法在土中成孔，然后用素土分层夯填桩孔而成，用挤密的方法破坏黄土地基的松散、大孔结构，以消除或减轻地基的湿陷性。素土挤密桩桩直径为0.4m，正三角形布置，间距为1.0m。
4.4 消力池段扶壁式挡墙基础处理
（1）灰土挤密桩处理
溢洪道消力池段扶壁式挡墙基础为湿陷性黄土，基底应力大于地基允许承载力的1.2倍，不满足规范要求，采用灰土挤密桩处理。灰土挤密桩施工方法同素土挤密桩一致，填充物采用石灰土或石灰与粉煤灰混合物。灰土挤密桩既可以消除湿陷性又可以提高地基承载力，桩直径为0.4m，正三角形布置，间距为1.0m。
（2）地基承载力复核
对复合地基进行复核，判定是否满足消力池段挡墙基底应力的要求。
复合地基承载力计算
经计算，复合地基承载力特征值为172.25kPa，根据消力池段挡墙稳定计算结果，消力池段平均基底应力最大为157.3kPa，小于复合地基承载力特征值，同时最大基底应力为191.20kPa，小于复合地基承载力特征值的1.2倍，满足规范要求。
5、小结
马高庄水库位于折死沟流域上游，地势波状起伏，植被覆盖率低，调蓄能力小，产汇流快，造峰历时短，洪水多为尖瘦形，陡涨陡落。洪峰流量较大，导致溢洪道工程规模较大，投资占工程总投资比例极高。
工程位于湿陷性黄土区，本文根据稳定计算成果对湿陷性黄土处理、湿陷性黄土基础上的承载力问题处理进行了具体设计，为相关工程提供了具体的思路与方法，可为类似工程提供参考。
作者简介：苗倩（1986-），女，工程师，主要从事水利设计及工程概预算工作。
论文作者:苗倩,左文涛,孙亮科
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年13期
论文发表时间:2019/10/8
标签：溢洪道论文; 地基论文; 黄土论文; 基底论文; 承载力论文; 应力论文; 挡墙论文; 《建筑学研究前沿》2019年13期论文;