清遠(yuǎn)二線船閘典型基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

姜 燕，楊光華，，謝志杰，周沛棟，李 俊

(1. 廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2. 廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635；3. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641；4. 廣東省源天工程有限公司，廣東 增城 511340)

1 概述

水利工程一般地處較偏遠(yuǎn)、開闊地帶，場地富余，以往基坑工程一般采用大放坡形式，造價(jià)低，施工簡單方便。近年來，水利工程升級改造力度不斷加大，出現(xiàn)了大量的擴(kuò)改建工程，由于征地及整體規(guī)劃要求，新建工程往往緊鄰建筑物，且需同時(shí)確保已有建構(gòu)筑物的正常運(yùn)行。水利工程往往水頭高，地質(zhì)復(fù)雜，圍堰基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)需要同時(shí)滿足圍護(hù)期間的防汛要求，新時(shí)期擴(kuò)改建水利工程對水利圍堰及基坑支護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)。

以清遠(yuǎn)二線船閘工程為例，其基坑支護(hù)及圍堰工程技術(shù)復(fù)雜，基坑開挖深度大，水頭高，左右岸存在高差，工程地質(zhì)較差，存在砂層、軟土、溶洞等不良土層，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)距已建一線船閘最近僅1 m，基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)需兼做圍堰，且同時(shí)滿足防洪功能、結(jié)構(gòu)安全、滲透安全等，本工程采用了一種雙排樁(墻)與門架或扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)，雙排樁(墻)用來抵擋基坑外側(cè)的水土壓力，擋墻結(jié)構(gòu)滿足洪水期圍堰的擋水要求，擋墻底板作為雙排樁的連接板，從而將建筑基坑與水利堤岸結(jié)構(gòu)的形式相結(jié)合，在滿足基坑開挖要求的同時(shí)兼做施工擋水圍堰，是一種組合式新形支護(hù)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[1～4]對雙排樁(墻)支護(hù)結(jié)構(gòu)的船閘基坑進(jìn)行了分析計(jì)算，文獻(xiàn)[5～6]對雙排樁計(jì)算模型進(jìn)行了探討和改進(jìn)，以上研究均是針對比較單一的支護(hù)結(jié)構(gòu)，目前，國內(nèi)外對此種組合結(jié)構(gòu)在水利船閘深基坑中的應(yīng)用研究鮮有報(bào)道。

本文結(jié)合清遠(yuǎn)水利樞紐二線船閘升級改造工程，采用MIDAS-GTS軟件，考慮施工全過程，對新建二線船閘的圍堰及基坑支護(hù)新形式進(jìn)行了全過程數(shù)值計(jì)算，通過實(shí)際監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證了圍堰基坑計(jì)算的合理性及方案的可行性，并提出了優(yōu)化建議，以期為復(fù)雜水利基坑工程設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。

2 工程概況及地質(zhì)

2.1 工程布置

為提高北江干流航道的通航能力，在清遠(yuǎn)水利樞紐(大(1)型)新建1 000 t級二線船閘，并將航道等級提高為Ⅲ級。船閘規(guī)模為220 m×34 m×4.5 m。二線船閘布置在一線船閘(已建)右側(cè)，兩閘平行布置，中心間距為90 m。鳥瞰示意見圖1，總平面布置見圖2。

根據(jù)清遠(yuǎn)水利樞紐的防洪標(biāo)準(zhǔn)，二線船閘的上游全年圍堰建筑物級別為2級，洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，堰頂高程為19.82 m。下游全年圍堰建筑物級別為4級，洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，堰頂高程為13.91 m，采用國家85高程系統(tǒng)。圍堰導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)見表1所示。

2.2 二線船閘圍堰基坑支護(hù)形式

二線船閘基坑開挖采用垂直支護(hù)方式，從上游引航道進(jìn)口至下游引航道出口全長約473 m?；又ёo(hù)平面布置如圖3所示[7]。

上游導(dǎo)航墻段、上閘首段采用地下連續(xù)墻+上部門架+混凝土內(nèi)撐垂直支護(hù)結(jié)構(gòu)，墻厚為1.2 m?；蛹把唔敻叱虨?7.52～19.82 m，最低開挖面高程為-1.52～-8.64 m，凈寬為65.5 m?；幼蟀恫捎秒p排墻，墻距5.15 m，右岸采用單排墻，墻底高程為-27.0 m。支撐間距為6 m，沿支撐方向設(shè)置7排立柱，支撐跨度為6.5～8.5 m，對撐截面尺寸為0.95 m×1.3 m；基坑豎向設(shè)置1～3道支撐。典型支護(hù)斷面見圖4所示。

閘室段、下閘首段采用地下連續(xù)墻+上部門架或扶壁式胸墻+混凝土內(nèi)撐結(jié)構(gòu)，基坑及堰頂高程為13.91 m，最低開挖面高程為-11.54 m?；幼蟀恫捎秒p排墻，前排墻厚為1.2 m，后墻厚為1.0 m，墻距為16.0 m，前后墻在5.0 m高程處采用厚1.2 m的混凝土板連接，右岸采用單排地下連續(xù)墻。基坑豎向設(shè)置2道支撐，混凝土支撐橫向間距為6 m，沿支撐方向設(shè)置5排立柱，支撐跨度為13.5 m，對撐截面尺寸為1.2 m×1.2 m，基坑內(nèi)側(cè)采用Φ800高壓旋噴樁加固。典型支護(hù)斷面見圖5所示。

下游引航道段采用雙排連續(xù)墻+扶壁胸墻+坑內(nèi)加固進(jìn)行垂直支護(hù)，墻厚1.2 m，左岸采用雙排地下連續(xù)墻，右岸采用單排墻，堰頂高程為13.91 m，最低開挖面高程為-4.04 m。基坑左岸采用雙排地連墻支護(hù)，前排墻厚為1.2 m，后墻厚為1.0 m，墻距為14.9 m，凈距為13.8 m，前后墻在5.0 m高程以1.2 m厚混凝土板連接，基坑外側(cè)連續(xù)墻上部接C30鋼筋砼胸墻，壁厚為1 m，胸墻后設(shè)置壁厚為0.5 m間距為4 m的鋼筋砼肋板，連續(xù)墻之間采用格構(gòu)式高壓旋噴樁加固，基坑內(nèi)側(cè)采用格構(gòu)式三軸水泥攪拌樁加固；右岸為放坡開挖。典型支護(hù)斷面見圖6所示。

基坑上下游兩端短邊采用放坡開挖的形式。

圖6 下游全年圍堰典型斷面示意(下游引航道段)

2.3 地質(zhì)情況及參數(shù)

根據(jù)勘察資料[8]，場地表層為填砂、填土，稍濕，松散，滲透性中等～強(qiáng)，開挖面以上穩(wěn)定性較差；場地內(nèi)主要巖土層為：

1a層素填土：以粘性土為主，灰褐色，軟塑為主，土質(zhì)不均，含少量生活垃圾，局部含碎石。

1b層填砂：以中粗砂為主，部分為粉細(xì)砂，灰黃色，稍濕，松散～稍密。主要于分布于上游引航道段，揭示層厚約2.1 m。

1-1層粉質(zhì)粘土：軟塑～可塑；1-3層中粗砂：松散，地基承載力一般，中等～強(qiáng)滲透性；2-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：流塑～軟塑，不透水～微透水；2-3層粉細(xì)砂層，稍密～中密，滲透性中等～強(qiáng)，穩(wěn)定性較差；3-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，流塑-軟塑，承載力較差，不透水～微透水；4-1、4-3層圓礫土、卵石土，中密～密實(shí)，承載力較好，滲透性強(qiáng)。

下伏基巖主要為泥盆系天子嶺組中風(fēng)化灰?guī)r(6-3，局部有溶洞)、炭質(zhì)頁巖及砂巖(7-2)，地基承載力較好，透水率大部分小于3 Lu，巖溶管道型漏水問題不突出。

船閘主體結(jié)構(gòu)段地質(zhì)縱剖面見圖7。

二線船閘主體結(jié)構(gòu)建基面位于2-3層粉細(xì)砂層，建基面以上為1-3、1b中粗砂層和2-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土分布較廣，上游引航道段及閘室區(qū)層厚較厚，為2.5～12.1 m，下游引航道埋層厚中等，為0.9～10.4 m。

建基面以下為4-3層卵石層和強(qiáng)、中風(fēng)化巖。

地質(zhì)條件總體上為砂層、卵石層透水性強(qiáng)，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層物理力學(xué)指標(biāo)差。主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

3 圍堰基坑支護(hù)計(jì)算分析

由于工程基坑與圍堰相結(jié)合，支護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在錨筋等預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，且基坑兩岸支護(hù)結(jié)構(gòu)及荷載均不對稱，采用常規(guī)計(jì)算方法無法準(zhǔn)確模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及施工順序，故采用有限元軟件MIDAS-GTS進(jìn)行模擬計(jì)算。同時(shí)，按增量法思想[9],模擬施工過程。

3.1 關(guān)于支撐拆除工況的說明

對于上下游支護(hù)斷面，第二、三層支撐均留在結(jié)構(gòu)地板中不予拆除，第一層水平支撐需待閘首、閘室或?qū)Ш綁Y(jié)構(gòu)底板混凝土澆筑完畢達(dá)到強(qiáng)度后，上游水位為正常蓄水位時(shí)拆除，拆除支撐后水土壓力由二線船閘結(jié)構(gòu)承擔(dān)，在基坑支護(hù)計(jì)算中不考慮支撐拆除工況。

3.2 圍堰基坑位移控制標(biāo)準(zhǔn)

位移控制標(biāo)準(zhǔn)參考廣東省《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T15-20-2016)，當(dāng)基坑開挖范圍內(nèi)有需要保護(hù)的重要建筑物，基坑等級為1級，最大水平位移控制值為30 mm；當(dāng)基坑1倍基坑深度范圍內(nèi)無重要的建筑物，基坑等級為2級，最大水平位移控制值為50 mm。其中二線船閘基坑緊鄰一線船閘位置位移控制值取30 mm，其余按50 mm控制。

3.3 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)取值見表3。

3.4 計(jì)算模型

采用梁單元模擬地下連續(xù)墻及墻之間的連板，采用實(shí)體模擬土層，土體采用修正摩爾-庫倫模型，梁為彈性體，模型左右施加法向約束，底部施加固定約束?？紤]荷載對地下連續(xù)墻的不利影響，砂土層采用水土分算，粘土層采用水土合算，水壓力按全水頭荷載施加，開挖過程中按增量的形式施加上去，水壓力施加在后排連續(xù)墻上。

施工順序模擬過程：①計(jì)算模型自重應(yīng)力場并將位移清零；②進(jìn)行地下連續(xù)墻施工； ③進(jìn)行基坑的開挖和支撐體系的施工。

3.5 計(jì)算結(jié)果

1) 上閘首導(dǎo)航墻段

典型支護(hù)結(jié)構(gòu)模型見圖4所示，上閘首導(dǎo)航墻段有限元模型及地層情況如圖8所示。參數(shù)根據(jù)表3選取。本計(jì)算工況為在圍堰及第一道支撐完成后，水位達(dá)到洪水位12.91 m，然后再進(jìn)行基坑開挖的工況。

洪水位下基坑開挖到底時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移情況見圖9，彎矩情況見圖10所示。基坑各開挖步下連續(xù)墻位移彎矩、支撐位移及軸力情況見表4所示。

注：面向下游方向，基坑左岸為左側(cè)，右岸為右側(cè)。

由圖9、10及表4可知，上游導(dǎo)航墻段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移為23.1 mm，小于位移控制值。左岸連續(xù)墻前墻的最大彎矩計(jì)算值為778 kN·m，小于設(shè)計(jì)值1 069.75 kN·m；后墻的最大彎矩設(shè)計(jì)值為697 kN·m，小于設(shè)計(jì)值958.38 kN·m，單位寬度支撐最大軸力為953 kN，發(fā)生于第三道撐，按支撐間距6 m計(jì)算，支撐軸力計(jì)算值為5 718 kN，小于設(shè)計(jì)值 7 862.25 kN，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

2) 下閘首段

典型支護(hù)結(jié)構(gòu)模型見圖5所示，地層情況見圖11所示。參數(shù)根據(jù)表4選取。 本剖面按設(shè)計(jì)要求在枯水期洪水位下開挖?？紤]2種計(jì)算工況，分別為：

工況1：在圍堰完成后，下游水位到達(dá)枯水期洪水位10.0 m，然后進(jìn)行基坑開挖。

工況2：下游水位到達(dá)枯水期洪水位10.0 m時(shí)完成第一道撐，水位升至設(shè)計(jì)洪水位12.91 m，然后進(jìn)行基坑開挖。

工況1下支護(hù)結(jié)構(gòu)位移情況見圖12，彎矩情況見圖13。工況2下支護(hù)結(jié)構(gòu)位移情況見圖14，彎矩情況見圖15。2種工況下基坑開挖到底時(shí)連續(xù)墻位移彎矩、支撐位移及軸力情況見表5。

注：面向下游方向，基坑左岸為左側(cè)，右岸為右側(cè)。

由圖12～15及表5可知，左岸基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移38.4 mm，右岸基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移為32.0 mm。左岸連續(xù)墻的最大彎矩計(jì)算值為1 630 kN·m，小于設(shè)計(jì)值2 037.5 kN·m，右岸連續(xù)墻的最大彎矩計(jì)算值為1 490 kN·m，小于設(shè)計(jì)值1 862.5 kN·m，支撐最大軸力計(jì)算值為865 kN，按照支撐間距4.25 m考慮，軸力計(jì)算值為3 676.25 kN，小于設(shè)計(jì)值4 595.3 kN，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

3) 下游引航道段

典型支護(hù)結(jié)構(gòu)模型見圖6，上閘首導(dǎo)航墻段有限元模型及地層情況見圖16，參數(shù)根據(jù)表3選取。

下游引航道段進(jìn)行了3種工況計(jì)算，分別是：

工況1：圍堰、高壓旋噴樁及攪拌樁加固完成后，下游水位到達(dá)洪水位12.91 m，然后開挖至基坑底的工況，坑底標(biāo)高為-4.04 m。

工況2：圍堰、高壓旋噴樁及攪拌樁加固完成后，下游水位到達(dá)洪水位12.91 m，基坑不開挖的工況，也即在洪水位下基坑不開挖，坑內(nèi)地面標(biāo)高為5.0 m。

工況3：圍堰、高壓旋噴樁及攪拌樁加固完成后，下游水位到達(dá)枯水期洪水位10.0 m(按照一線船閘下游圍堰枯水期10年一遇洪水計(jì)算水位)，開挖至基坑底的工況，也即在枯水期10年一遇洪水位下開挖到基坑底，坑底標(biāo)高為-4.04 m。

由于下游引航道與下閘首相接斷面設(shè)置了連續(xù)墻封閉，故上述工況的水壓力僅按基坑外洪水水位與基坑內(nèi)開挖面的水頭差計(jì)算，不考慮閘室段開挖對坑內(nèi)水位的影響。

① 工況1計(jì)算結(jié)果

該工況基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算成果見表6，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移見圖17，連續(xù)墻彎矩見圖18。

注：面向下游方向，基坑左岸為左側(cè)，右岸為右側(cè)。

由于在上游水位達(dá)到洪水位12.91 m、開挖到基坑底(-4.04 m)時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)位移較大(83.3 mm)，不能滿足規(guī)范要求，故考慮在洪水來臨時(shí)不開挖基坑，在枯水期開挖基坑(枯水期洪水位按照船閘下游圍堰10年一遇計(jì)算，為10.0 m)。

② 工況2計(jì)算結(jié)果

該工況基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算成果見表7，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移見圖19，連續(xù)墻彎矩見圖20。

注：面向下游方向，基坑左岸為左側(cè)，右岸為右側(cè)。

由圖19～20及表7可見，圍堰頂產(chǎn)生的最大水平位移為18.5 mm，連續(xù)墻頂最大水平位移為17.9 mm，位移較小，滿足規(guī)范要求。連續(xù)墻的最大彎矩計(jì)算值為676 kN·m，小于設(shè)計(jì)值845 kN·m，因此，在洪水位不開挖基坑的工況下，下游引航道的基坑設(shè)計(jì)方案滿足規(guī)范要求。

③ 工況3計(jì)算結(jié)果

該工況基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算成果見表8，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移見圖21，連續(xù)墻彎矩見圖22。由圖21～22可見，圍堰頂產(chǎn)生的最大水平位移為42.5 mm，連續(xù)墻頂最大水平位移為40.4 mm，小于50 mm，位移滿足二級基坑控制要求。連續(xù)墻的最大彎矩為852 kN·m，小于彎矩設(shè)計(jì)值1 065 kN·m，因此，在枯水期洪水位下，開挖至基坑底，下游引航道的基坑設(shè)計(jì)方案滿足規(guī)范要求。

注：面向下游方向，基坑左岸為左側(cè)，右岸為右側(cè)。

根據(jù)以上3種工況計(jì)算結(jié)果，建議下游引航道斷面開挖選擇在枯水期開挖，并在洪水來臨前回填至5.0高程。

4 監(jiān)測結(jié)果

二線船閘圍堰基坑的監(jiān)測點(diǎn)布置見圖23所示，其中上游導(dǎo)航墻左岸前后連續(xù)墻頂位移測點(diǎn)為P28、PA29，右岸測點(diǎn)為PB19；下閘首段左岸前后連續(xù)墻頂位移測點(diǎn)為P13、PA14，右岸測點(diǎn)為PB4；下游引航道段前后連續(xù)墻頂位移測點(diǎn)為P8、PA9。目前，基坑已經(jīng)全部施工完成，船閘已通航，截止2019年5月16日，各測點(diǎn)最大監(jiān)測位移值見表9。

注：左前為左岸前墻；左后為左岸后墻；右為右岸；向坑內(nèi)位移為正。

從表9可以看出，上游導(dǎo)航墻段左岸實(shí)測位移最大值為24.7 mm，右岸實(shí)測最大位移為14.5 mm，與計(jì)算值較為接近；下游引航道左岸實(shí)測最大值為51.6 mm，與計(jì)算值較為接近；下閘首段實(shí)測值最大值僅為6.7 mm，比計(jì)算值小許多，主要是因?yàn)橄麻l首施工時(shí)為枯水期枯水位，與計(jì)算工況的枯水期洪水位相差較多。

將計(jì)算及監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比可知，本設(shè)計(jì)方案是可靠可行的，計(jì)算方法是合理的，可應(yīng)用于類似水利工程圍堰基坑設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

清遠(yuǎn)二線船閘圍堰基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用了一種雙排樁(墻)與門架或扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)，雙排樁(墻)用來抵擋基坑外側(cè)的水土壓力，擋墻結(jié)構(gòu)滿足洪水期圍堰的擋水要求，擋墻底板作為雙排樁的連接板，從而將建筑基坑與水利堤岸結(jié)構(gòu)的形式相結(jié)合，在滿足基坑開挖要求的同時(shí)兼做施工擋水圍堰。本文通過對該圍堰及基坑支護(hù)型式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果對比，得到以下結(jié)論及建議：

1) 雙排樁(墻)+門架或扶壁式擋墻組合式支護(hù)形式在周邊環(huán)境及地質(zhì)均較為復(fù)雜的高水頭水利圍堰基坑中應(yīng)用是可行的，能夠很好地控制位移，并能滿足水利工程大壩的防滲要求，可為類似水利工程圍堰基坑提供借鑒；

2) 圍堰基坑第一道支撐的施工時(shí)間至關(guān)重要，應(yīng)在地面以上圍堰施工前完成第一道支撐的施工，對圍堰的堰腳提供支撐作用。避免先完成圍堰擋水后再開挖施工第一道支撐，從而產(chǎn)生較大位移，對周邊建筑物造成較大影響。從目前計(jì)算成果看，在洪水到來前完成第一道撐的施工，可以較好地控制位移；

3) 采用散體布置的旋噴樁加固粉細(xì)砂層，只對垂直承載力的提高作用大，對水平向土層參數(shù)的提高作用小，基坑開挖對擋土側(cè)土體水平承載力和剛度的要求更高，而且旋噴樁質(zhì)量控制困難。由于加固土體為粉細(xì)砂層，攪拌樁單價(jià)低，質(zhì)量可控，建議采用格構(gòu)式攪拌樁代替旋噴樁加固，并在攪拌樁和地下連續(xù)墻之間加一排旋噴樁，保證攪拌樁和地下連續(xù)墻緊密接觸，共同作用。