重力式集水池抗滑抗傾穩(wěn)定的探討

史仁朋

（山東省棗莊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 山東棗莊 277800）

棗莊市勝利渠灌區(qū)是我市唯一的大型灌區(qū)，位于我市嶧城區(qū)、臺(tái)兒莊區(qū)和薛城境內(nèi)。灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積3.53萬(wàn)hm2，其中提水灌區(qū)2.4萬(wàn)余hm2。大小泵站62 個(gè)，其中規(guī)模以上的中型泵站18 座，鑒于當(dāng)?shù)氐叵滤蛔兓^大，前池和進(jìn)水池的優(yōu)化設(shè)計(jì)直接影響到工程的造價(jià)。

前池及進(jìn)水池多采用重力式擋土墻結(jié)構(gòu)。由于進(jìn)水池內(nèi)的水位并非一直保持在設(shè)計(jì)水位，同時(shí)墻后水位也存在較大的波動(dòng)，如果我們采用較保守的荷載組合（池中無(wú)水，墻后水位較高），勢(shì)必造成截面尺寸非常大，既不經(jīng)濟(jì)也不合理。鑒于此，我們采用在池中間設(shè)檢測(cè)井（也叫排水井）來(lái)降低擋土墻墻后的水位，以順應(yīng)池內(nèi)的水位，使擋土墻的抗滑、抗傾覆以及底板的抗浮處于安全工況。

1 集水池?fù)跬翂Φ脑O(shè)計(jì)

擋土墻基礎(chǔ)坐落在新鮮巖石之上，采用C20、F100 的素混凝土結(jié)構(gòu)，頂寬1.0m，迎水側(cè)邊坡1：0.35，背水側(cè)采用直立墻，底板采用0.9m 厚的鋼筋混凝土。墻頂高程 39.50m，突出地面0.20m，底板頂高程33.50m。假定池內(nèi)水位為H，墻后水位為h，集水池?fù)跬翂Ψ€(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。按照上述計(jì)算斷面和擋墻前后水位的計(jì)算工況，列表計(jì)算該墻的垂直力和水平力，從而確定其對(duì)墻趾A 點(diǎn)的力矩，集水池?fù)跬翂Ψ€(wěn)定計(jì)算表見(jiàn)表1。

圖1 集水池?fù)跬翂Ψ€(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

2 集水池?fù)跬翂Ψ€(wěn)定性分析

根據(jù)表1 的計(jì)算結(jié)果，確定擋土墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)和底板的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)。

（1）抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：

利用求解公式解得Kc=1.0、1.1、1.2、1.3、1.4 時(shí)的H 與h 的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從中可知：在墻后水位一定的前提下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨池內(nèi)水位的增加而增大。當(dāng)池內(nèi)水位穩(wěn)定時(shí)，安全系數(shù)隨墻后水位的增加而降低。

表1 集水池?fù)跬翂Ψ€(wěn)定計(jì)算

（2）抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)為：

利用牛頓迭代法解得Kf=1.0、1.1、1.2、1.3、1.4 時(shí)H 與h 的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從中可知：抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)與抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨擋墻前后水位的變化趨勢(shì)是一致的，但是相同工況下抗傾安全系數(shù)遠(yuǎn)大于抗滑安全系數(shù)。

3 集水池底板的抗浮穩(wěn)定計(jì)算

抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計(jì)算：

圖2 進(jìn)水池?fù)跬翂Φ装宸€(wěn)定曲線圖

可解得Kp=1.0、1.1、1.2、1.3、1.4 時(shí)H與h 的對(duì)應(yīng)關(guān)系。我們把不同安全系數(shù)下解得的數(shù)值繪在一張圖中，見(jiàn)圖2。由圖2 可以看出，只要合理控制墻后水位在安全區(qū)范圍內(nèi)，集水池底板與擋土墻均為穩(wěn)定安全。通過(guò)計(jì)算得到的Kc、Kf、Kp曲線可以看出：集水池底板的穩(wěn)定取決于池內(nèi)水位和墻后水位的差值，只要墻后水位與池內(nèi)水位的差值小于2.16m，底板即可抗浮穩(wěn)定。在實(shí)際運(yùn)行中，即便是泵站不運(yùn)行，仍然需要保證池內(nèi)有一定的水深。欲保證集水池兩側(cè)擋土墻的抗滑穩(wěn)定，必須按曲線圖嚴(yán)格控制墻后水位。當(dāng)池中水位較低時(shí)，可按 Kc≮1.1 的要求來(lái)控制墻后水位；當(dāng)池中水位較高時(shí)，可按Kc≥1.2 來(lái)控制墻后水位。集水池?fù)跬翂Φ目箖A覆對(duì)擋土墻的穩(wěn)定不起控制作用，只要其抗滑穩(wěn)定，則其抗傾和底板抗浮也就必然穩(wěn)定。

因此，池中水位和墻后水位差是關(guān)系集水池安全的關(guān)鍵因素。實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)密切監(jiān)測(cè)和控制墻后水位和池中水位，合理調(diào)度、科學(xué)運(yùn)行，確保集水池的穩(wěn)定安全。我們把各種安全系數(shù)下的墻后水位與池內(nèi)水位的對(duì)應(yīng)關(guān)系一一輸入微機(jī)（程序），通過(guò)檢測(cè)井及進(jìn)水池中水位計(jì)（通過(guò)傳感器傳遞給微機(jī)）的指示，計(jì)算機(jī)自動(dòng)判斷運(yùn)行狀況，當(dāng)墻后水位位于曲線上方時(shí)，檢測(cè)井內(nèi)的潛水泵會(huì)自動(dòng)合閘，向外排水，達(dá)到自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制的效果。