鄭小芳 桂 重 李忠洪

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

·水利工程·

牛欄江引水工程盤(pán)龍江入口段瀑布堰體設(shè)計(jì)

鄭小芳 桂 重 李忠洪

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

以牛欄江引水工程盤(pán)龍江入口段防洪工程為例，介紹了該工程瀑布堰體的設(shè)計(jì)方案，著重對(duì)瀑布堰體的穩(wěn)定性、應(yīng)力及沉降變形進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明：南段直坎段和北段三跌坎段瀑布在各荷載組合工況下，均能滿(mǎn)足抗滑移、抗傾覆穩(wěn)定性要求。

瀑布堰體，穩(wěn)定，應(yīng)力，計(jì)算，沉降

1 工程概況

牛欄江引水工程盤(pán)龍江入口段防洪工程位于昆明市盤(pán)龍區(qū)北部山水新城核心區(qū)，該片區(qū)的規(guī)劃主要依托牛欄江—滇池補(bǔ)水工程的引水，方能匹配其山水新城中“水”。

與此同時(shí)，牛欄江—滇池補(bǔ)水工程兼顧作為城市備用水源和應(yīng)急水源功能的要求，輸水線路末端的控制性高程——大五山隧洞出口底板高程為EL.1 912 m，比盤(pán)龍江底高10 m，利用該豐富而獨(dú)有的水力資源打造昆明市獨(dú)一無(wú)二的瀑布、濕地景觀，可以更加凸顯山水新城的“水之靈動(dòng)”，提升盤(pán)龍區(qū)山水新城、盤(pán)龍江乃至昆明城市形象，大大促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，打造盤(pán)龍區(qū)對(duì)外形象的一張新名片。項(xiàng)目建成后將與盤(pán)龍區(qū)園博園相互輝映，形成盤(pán)龍區(qū)北部、盤(pán)龍江沿岸新景觀。

2 瀑布堰體設(shè)計(jì)

瀑布堰體三維模型見(jiàn)圖1。

瀑布堰體直線幅寬300 m，展開(kāi)面總長(zhǎng)400 m，過(guò)水段長(zhǎng)度340 m。根據(jù)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)及水力計(jì)算結(jié)果，瀑布總體分為北段、南段兩段進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。北段瀑布展開(kāi)面長(zhǎng)度225 m，過(guò)水堰頂長(zhǎng)度約190 m，南段瀑布展開(kāi)面長(zhǎng)度175 m，過(guò)水堰頂長(zhǎng)度約150 m，瀑布落差為12.5 m。

北段瀑布堰體采用重力式寬頂堰，堰頂平均高程1 914.94 m，堰頂水頭初估0.06 m，堰頂寬度3 m。堰面上游側(cè)鉛直，下游側(cè)折算坡比1∶0.85，內(nèi)部為埋石混凝土結(jié)構(gòu)，外部采用鋪砌天然石造景。下游砌石采用三臺(tái)疊水，臺(tái)寬按水力學(xué)三維計(jì)算成果設(shè)置為2 m～5 m，臺(tái)高4 m，可根據(jù)景觀要求靈活建筑，力求體現(xiàn)自然景觀。

南段瀑布堰體采用重力式寬頂堰，堰頂平均高程1 914.90 m，堰頂水頭初估0.1 m，堰頂寬度3 m。重力式單臺(tái)堰高13.9 m，下游面鉛直，上游坡比1∶0.85，堰體采用埋石混凝土結(jié)構(gòu)，外立面采用人工天然石砌貼。重力式寬頂堰底部設(shè)置擴(kuò)大式底板，以均布堰體應(yīng)力，增加堰體整體穩(wěn)定。底板寬出堰體上、下游各3 m。

北段瀑布堰頂平均高程比南段瀑布堰頂平均高程高0.04 m，經(jīng)水力學(xué)計(jì)算成果分析，當(dāng)來(lái)流量小于6.3 m3/s時(shí)，分流后北段瀑布也能保證有貼壁水流，大部分流量將集中自南段瀑布傾瀉，保證南段直跌瀑布景觀。

南直段三維模型見(jiàn)圖2，北跌坎段三維模型見(jiàn)圖3。

3 瀑布堰體穩(wěn)定、應(yīng)力及沉降計(jì)算

3.1 瀑布堰體穩(wěn)定與應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)相應(yīng)場(chǎng)地地質(zhì)條件對(duì)北、南段瀑布堰體進(jìn)行抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力分析，堰體穩(wěn)定計(jì)算各荷載組合分成基本組合和特殊組合，按表1進(jìn)行采用。

表1 堰體荷載組合工況

根據(jù)SL 379-2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范重力式擋墻抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定及基底應(yīng)力相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算成果匯總表

3.2 深層抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

根據(jù)目前已經(jīng)完成的地勘成果，瀑布堰體基底以下土層分布如表3所示。

表3 瀑布堰體基底以下土層分布

南段地基僅在上部2 m深度范圍內(nèi)存在軟弱夾層，可采用換填法或強(qiáng)夯擠於法進(jìn)行處理，不存在軟弱下臥層穩(wěn)定問(wèn)題；而北段在基底下5.8 m～11.2 m范圍存在軟弱夾層，按照規(guī)范要求，需進(jìn)行深層抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算。基底以下各土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 瀑布堰體基底以下土層物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，⑥層卵石土綜合內(nèi)摩擦角取39°，⑦層圓礫綜合內(nèi)摩擦角取35°，粘聚力均為0。計(jì)算考慮地震作用，基底超載按照特殊工況下基底應(yīng)力添加，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。

計(jì)算方法為圓弧滑動(dòng)法。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，滑面最低點(diǎn)位于基底以下7.7 m處，即穿過(guò)⑦1層淤泥質(zhì)粘土，最小安全系數(shù)Fs=1.91，表明不存在深層抗滑穩(wěn)定安全問(wèn)題。

北段三跌坎瀑布深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果圖見(jiàn)圖5。

3.3 瀑布堰體沉降變形計(jì)算

根據(jù)目前已經(jīng)完成的地勘成果，瀑布堰體基底以下土層分布見(jiàn)表4。

根據(jù)規(guī)范，土質(zhì)地基擋墻最終沉降量計(jì)算公式如下：

式中：n——地基壓縮層計(jì)算深度范圍內(nèi)的土層數(shù)；e1i——基底以下第i層土在平均自重應(yīng)力下，由壓縮曲線查得的響應(yīng)孔隙比；

e2i——基底以下第i層土在平均自重應(yīng)力加附加應(yīng)力作用下，由壓縮曲線查得的響應(yīng)孔隙比；

hi——基底以下第i層的厚度；

ms——地基沉降量修正系數(shù)。

根據(jù)規(guī)范要求，最終沉降量不宜超過(guò)150 mm，相鄰部位最大沉降差不宜超過(guò)50 mm。計(jì)算深度，按照計(jì)算層面處附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比為0.15控制。

根據(jù)第三節(jié)堰體基底壓力計(jì)算結(jié)果，南段直坎段堰底平均壓力相對(duì)比較大，σm=217.5 kPa，因此沉降計(jì)算時(shí)以南段直坎段為準(zhǔn)。

基底處自重應(yīng)力σcz=140 kPa，則附加壓力Pz=77.5 kPa，求得計(jì)算深度為20 m處附加應(yīng)力σz=43 kPa，自重應(yīng)力為σcz=298 kPa，σz/σcz=0.14，滿(mǎn)足計(jì)算深度要求。

因圓礫和卵石土層沒(méi)有壓縮試驗(yàn)資料，因此采用下式進(jìn)行近似估算：

式中：σ——基底以下計(jì)算土層平均應(yīng)力，σ=130 kPa；E——平均壓縮模量，取E=20 MPa。

則可求得S=13 cm，基本滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)堰體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，南段直坎段和北段三跌坎段瀑布在各荷載組合工況下，均能滿(mǎn)足抗滑移、抗傾覆穩(wěn)定性要求，地基應(yīng)力和結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力均低于允許值，瀑布堰體體型、結(jié)構(gòu)尺寸和材料是合適的。

2)為滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求，地基土應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：壓實(shí)后修正承載力應(yīng)不低于300 kPa，持力層范圍內(nèi)平均壓縮模量達(dá)到20 MPa。

3)瀑布地基基本為圓礫土層，淺層局部存在軟弱土層，應(yīng)進(jìn)行處理，以滿(mǎn)足承載力要求。

瀑布堰體為本工程的核心所在，堰體為大型重力式擋墻結(jié)構(gòu)，堰體設(shè)計(jì)的成敗關(guān)乎整個(gè)工程及昆明市北部山水新城的形象面貌(見(jiàn)圖6)。目前瀑布堰體工程已經(jīng)完工將近一年，觀測(cè)資料顯示，一年多時(shí)間里瀑布堰體累計(jì)沉降9 mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

[1] SL 379-2007，水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 徐建新,劉英利,劉顏江.重力式擋土墻在高邊坡治理中的應(yīng)用[A].第十二屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(第Ⅱ冊(cè))[C].2003.

[3] 王俊奇.重力式擋土墻的可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)[A].第七屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(第Ⅰ卷)[C].1998.

[4] 鄭旻晟,陳 燃,張季超.水泥攪拌樁重力式擋土墻在基坑支護(hù)中的應(yīng)用[A].第16屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(第Ⅱ冊(cè))[C].2007.

ThewaterfallweirdesigninPanlongriverentrancesectionofCowshedriverwaterdiversionproject

ZHENGXiao-fangGUIZhongLIZhong-hong

(KunmingSurveyDesignResearchInstituteCo.,Ltd,ChineseElectricPowerConstructionGroup,Kunming650051,China)

Taking the flood control project in Panlong river entrance section of Cowshed river water diversion project as an example, this paper introduced the design scheme of the project waterfall weir, emphatically calculated and analyzed the stability, stress and sedimentary deformation of waterfall weir, the calculation results showed that: the southern section straight ridge segment and north three drop ridge segment waterfall weir in various load combination condition, could meet the requirements of anti slip and anti overturning stability.

waterfall weir, stability, stress, calculation, settlement

1009-6825(2014)33-0217-03

2014-09-14

鄭小芳(1982- )，男，工程師

TV551.3

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