某水電站擋水壩段圍井技術的研究

呂寶順，高 峻，方 艷

(1.哈爾濱市西泉眼水庫管理處，哈爾濱 150300;2.湯原縣水務局，黑龍江 湯原 154700;3.蘿北縣寶泉嶺農(nóng)場水務局，黑龍江 蘿北 154211)

1 簡介

某水電站擋水壩段基礎覆蓋層開挖擬借鑒工業(yè)與民用建筑及市政工程應用較多的圍井技術進行開挖與混凝土澆筑，圍井就是在覆蓋層基礎上直接造防滲墻，然后采用逆作法挖除防滲墻所圍的覆蓋層，一邊下挖，一邊進行支撐，開挖至建基面后，回填混凝土至設計高程。使用圍井的優(yōu)點是不修筑圍堰即可實現(xiàn)大壩全年施工，圍井技術在水電行業(yè)鮮見應用，因此，對大壩采用圍井技術進行初步計算分析。圍井布置見圖1，圖2。

2 圍井設計標準及原則

1)根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ120-99)規(guī)定，由于本基坑為建筑物基礎開挖過程中的臨時基坑，開挖完畢將以混凝土回填封閉，且基坑位于河床內(nèi)，不存在影響周圍建筑物安全的問題，因此將基坑安全等級定為二級，其重要性系數(shù)取1.0。

2)圍井及支撐的設計方法采用《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ120-99)推薦的平面豎向彈性地基梁分析方法，采用理正深基坑支護設計軟件作為計算工具進行設計計算。

3)圍井的設計標準根據(jù)基坑側向變形以及連續(xù)墻結構受力狀態(tài)進行確定。根據(jù)本工程的計算分析，基坑側向變形較小，不足以影響到基坑的正常使用，因此側重于根據(jù)連續(xù)墻的結構內(nèi)力及配筋狀態(tài)進行設計控制。

4)支撐的設計應結合規(guī)范要求以及施工實施等情況確定布置方案，因此支撐設計中應注意以下一些問題:①相鄰支撐之間的水平距離一般≥4 m;當采用機械挖土時宜≥8 m;②豎向相鄰水平支撐的凈距≥3 m;當采用機械下坑挖土運輸時≥4 m;③由于本工程長條矩形基坑中5個小圍井地質地形情況分布不均，因此根據(jù)計算各段支撐情況布置有一定差別，為了使相鄰基坑支撐結構體系的受力均勻以及基坑穩(wěn)定協(xié)調，應綜合考慮盡量使各層水平支撐在相同高程并且盡量使各基坑的開挖進度保持一致，但對于地質情況或者深度變化較大的部位，水平支撐高程做適當調整。

3 圍井結構計算

3.1 計算內(nèi)容

①圍井連續(xù)墻結構的內(nèi)力和變形計算(考慮分步開挖施工仿真);②圍井連續(xù)墻結構的整體穩(wěn)定性驗算。

3.2 計算方法

本次初步計算采用理正深基坑支護軟件進行平面計算，軟件采用《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ 120-99)建議的豎向彈性地基梁(板)的基床系數(shù)法(m法)進行初步分析計算。由于本工程基坑支護設計其實是一個三維的支撐體系，而該程序的平面計算僅僅能考慮支撐的平面支撐效應，因此采用該方法初步計算結果相對于實際的圍井支撐體系受力情況有較大裕度。

3.3 水土壓力計算原則

根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ 120-99)建議，土壓力，對黏性土按水土合算方法計算;對沙性土按水土分算方法計算。

3.4 計算點的選擇

本工程基坑其5個圍井基坑地質地形沿長度方向變化較大，根據(jù)地勘資料分析，計算選取壩0+000.0m(橫Ⅴ-3剖面)、壩0+030.0 m(B-B剖面)、壩0+060.0 m(C-C剖面)、壩0+092.5 m(D-D 剖面)、壩0+125.0 m(E-E剖面)代表5個圍井進行圍護支撐計算。

3.5 計算參數(shù)選取

3.5.1 土層物理力學參數(shù)采用可行性研究報告中地質提供的參數(shù)(從上至下)

含漂砂卵礫石層:γ=23.2 KN/m3，C=0 kp，φ =arctan(f)=27.7°

粉砂質黏土:γ =19 KN/m3，C=10 kp，φ =arctan(f)=19.8°

Ⅴ類巖石:γ =24 KN/m3，C=150 kp，φ =arctan(f)=33°

Ⅳ類巖石:γ =27 KN/m3，C=250 kp，φ =arctan(f)=38°

3.5.2 土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m

根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ 120-99)，在無試驗資料的的情況下，結合規(guī)程經(jīng)驗公式(C.3.2)，以及參考書籍《深基坑支護結構與主體結構相結合的設計、分析與實例》(P164～P166)列舉的各地各類土的m經(jīng)驗值，本工程各地層m取值:

含漂砂卵礫石層:m=30 MN/m4粉砂質黏土:m=6 MN/m4

Ⅴ類巖石:m=150 MN/m4

Ⅳ類巖石:m=250 MN/m4

3.5.3 支撐布置參數(shù)選取

根據(jù)計算分析，結合連續(xù)墻以及支撐的內(nèi)力及變形分析，初步擬定基坑各段分別采用4～6層水平支撐，其布置見表1。

表1 基坑水平支撐梁布置參數(shù)表 m

其中支撐剛度kT值根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ 120-99)附錄C公式C.2.2計算

式中:kT為支撐結構水平剛度系數(shù);α為與支撐松弛有關的系數(shù)，取0.8～1.0，計算中采用0.8;E為支撐構件材料的彈性模量，采用C35混凝土彈性模量31 500 N/mm2;A為支撐構件斷面面積;L為支撐構件的受壓計算長度;S為支撐的水平間距;Sa為連續(xù)墻的計算寬度，該程序計算采用連續(xù)墻單位寬度1 m作為計算寬度。初步設計方案的kT計算見表2。

3.6 計算結果分析

通過運用理正深基坑設計軟件，對以上各典型設計斷面的水平支撐梁進行初步計算，得出以下計算成果進行分析。

表2 基坑水平支撐梁設計參數(shù)表

根據(jù)以上計算結果，可以看出該設計方案各典型計算斷面的基坑連續(xù)墻變形均較小，內(nèi)力也滿足配筋要求。

3.6.1 圍護支撐結構內(nèi)力位移包絡圖

包絡圖見圖3～圖7。

圖3 0+000～0+030段基坑典型剖面圍護地連墻內(nèi)力位移包絡圖

圖4 0+030～0+060段基坑典型剖面圍護地連墻內(nèi)力位移包絡圖

圖5 0+060～0+090段基坑典型剖面圍護地連墻內(nèi)力位移包絡圖

3.6.2 連續(xù)墻截面及配筋設計

通過計算，各典型剖面連續(xù)墻截面及配筋計算成果見表3。

4 結語

通過計算分析，在水電工程中引入圍井這種技術是基本可行的，該技術的引入，為在窄河床、深覆蓋層特性的河道加快建筑物的施工創(chuàng)造了條件。但由于該技術在水電工程中尚未有應用先例，因此，應結合水電工程特性及建筑物布置，進一步對圍井技術在水電工程中的應用進行研究。

圖6 0+090～0+120段基坑典型剖面圍護地連墻內(nèi)力位移包絡圖

圖7 0+120～0+150段基坑典型剖面圍護地連墻內(nèi)力位移包絡圖

圖1 圍井平面布置圖

圖2 圍井平面剖面圖

表3 典型剖面圍護連續(xù)墻配筋設計參數(shù)表

[1] 中國建筑科學研究院.JGJ120-99建筑基坑支護技術規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[2] 中華人民共和國建設部.GB50007-2002建筑地基基礎設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[3] 中華人民共和國水利部.SL191-2008隊水工混凝土結構設計規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社，2008

[4] 王衛(wèi)東，王建華.深基坑支護結構與主體結構相結合的設計、分析與實例.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.