三排樁支擋結構在排澇泵站樞紐工程中的應用與研究

胡緒寶 ，嚴 勇

(1.中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528403；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019)

排澇泵站樞紐工程一般由排澇泵站和自排水閘等水工建筑物組成。受用地限制及施工導流需要，排澇泵站樞紐工程中泵站與水閘連接部位特別是前池連接段，擋土高度高、設計難度大、投資大、風險高，易發(fā)生傾覆、滑坡等問題[1]，是工程設計的難點。李海道[2]、王鋒[3]對常規(guī)泵站翼墻方案進行研究，提出前池內支撐等優(yōu)化方案；李弋等[4]、袁龍剛[5]研究了護壁樁、排樁在排澇泵站中的應用。但是針對大型泵站前池寬度較大、擋土高度大、泵站與水閘需分期建設等條件制約下，如何進一步優(yōu)化泵站前池翼墻方案的研究不多，本文以中山市鴉雀尾水利樞紐工程前池段泵站與水閘分隔翼墻優(yōu)化后所采用的三排樁支擋結構為例，提出了大型排澇泵站前池翼墻設計新方法。

1 工程概況

鴉雀尾水利樞紐位于中山市阜沙鎮(zhèn)阜沙涌雞鴉水道出口處，是一座集排洪、排澇、防洪潮、灌溉及通航于一體的水利樞紐工程，工程由水閘、船閘和泵站組成。原水閘始建于1957年，水閘共5孔，總凈寬21 m，2012年鑒定為四類閘；原船閘始建于1984年，上下閘首凈寬7.00 m，鑒定為三類閘；原泵站建于1996年，2002年技改，設計流量16 m3/s。2014年對樞紐工程進行整體改擴建設計，具體建設包括重建水閘、增建泵站以及加固船閘。重建水閘總凈寬35 m，布置在原水閘與船閘之間的中心島位置；增建泵站44 m3/s，布置在原水閘位置，排澇總規(guī)模擴建至60 m3/s；船閘原址原規(guī)模加固。改擴建后的樞紐工程包括新增泵站、水閘、船閘、原泵站4座水工建筑物，由北向南依次布置，整體工程布置緊湊。工程建成前后衛(wèi)星影像對比見圖1、2。

圖1 工程建成前衛(wèi)星影像

圖2 工程建成后衛(wèi)星影像

工程泵站采用4臺立式軸流泵機組，堤后式泵房，泵房基坑底標高-6.6 m，最大開挖深度約10 m，泵站前池開挖底標高-6.5 m，最大開挖深度約8.6 m，前池寬度約28 m，前池與水閘分隔島寬度約12 m[6]。

2 主要設計條件

2.1 地質條件

場區(qū)地貌類型為沖積平原地貌，地勢較平坦，表層普遍分布有一定厚度的填筑土層，其下為較厚的海陸交互相成因的淤泥質土夾粉砂、粉細砂夾貝殼及淤泥質土層，深部為粉細砂、中粗砂或圓礫，最下部為弱風化基巖。其中淤泥質土夾粉砂、粉細砂夾貝殼及淤泥質土等軟弱土層在地基土中分布廣，整體層厚約30 m左右，極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)和滲透破壞[7]。工程主要土層物理力學指標見表1。

表1 主要土層物理力學指標

2.2 施工導流分期條件

工程擬在汛后10月份動工，枯水期要保證枯水期洪水導流及圍內養(yǎng)殖換水需求，在每年汛期來臨前(4月15日前)還必須恢復工程抵御外江洪水和排泄圍內洪水功能，據此，擬定工程分期導流方案如下：一期利用原水閘導流，在原中心島位置施工新建的水閘及加固船閘，第二年汛期來臨前實現(xiàn)防洪排水功能；二期在第二年汛后，以新建水閘為導流建筑物，在舊水閘上下游修建圍堰攔斷，拆除舊水閘、新建泵站。兩期施工導流方案分別見圖3、4，本文研究的結構位于泵站前池與水閘之間的分隔翼墻，位置如圖所示。受施工分期導流條件影響，該段翼墻在兩期施工期間均面臨直接擋水工況，否則應另行設置圍堰，結構設計時應進行綜合比較。

圖3 樞紐工程一期施工布置

圖4 樞紐工程二期施工布置

3 前池分隔翼墻設計方案優(yōu)化

水閘和泵站相距較近，中間間隔約12 m左右，原設計前池分隔翼墻為雙側面板扶壁式擋土墻，在前池側和水閘側均設置面板，采用整體式底板、水泥土攪拌樁復合地基處理，并設鋼板樁臨時圍堰，具體結構見圖5。由于原方案需另行設置圍堰施工，存在工程投資大、工期長等不足，在初步設計階段經比選優(yōu)化為排樁擋墻方案。排樁擋墻采用預應力混凝土U型板樁對拉結構，無需另行設置圍堰，由于兩排樁間距較大，在中間再增設一排U型板樁，形成三排樁結構。優(yōu)化后的方案前后兩排均為密排連續(xù)布置起擋土作用，中間一排間隔6 m，主要起支撐框格連系梁作用。U型板樁長度為15 m，樁頂采用C25混凝土冠梁及對拉聯(lián)系梁組成框格體系，連系梁間距6 m，中間梁格交叉部位由中間排樁支撐。板樁墻前設格柵狀水泥土攪拌樁加固土，深度5 m。具體斷面結構見圖6。

圖5 扶壁擋墻方案結構斷面

圖6 三排樁方案結構斷面

表2對2種方案進行技術經濟比較，優(yōu)化后的三排U型板樁方案施工簡單，施工周期縮短一半，工程投資節(jié)省40%，優(yōu)勢明顯，但三排樁受力結構復雜，計算理論不完善，在排澇泵站工程中應用較少，實際工程經驗較少。

表2 扶壁式擋墻方案與三排樁方案比較

U型板樁采用PC400型液壓振動錘進行沉樁施工，為避免沉樁過程對水泥土攪拌樁造成破壞，本工程要求先施工U型板樁、后施工水泥攪拌樁，2種樁型結合部位采用高壓旋噴樁填充擠密，盡可能發(fā)揮墻前加固土支撐作用，減少U型板樁水平位移。

4 三排樁結構計算

設計為三排樁組合式支擋結構，受力相對較復雜，常規(guī)計算手段難以模擬結構實際受力情況[9-10]，先采用理正深基坑支護結構設計軟件進行設計計算，再采用Midas GTS/NX有限元分析軟件建立三維模型進行數值分析驗算。

4.1 計算工況

施工期及運用期均存在兩側擋水情況，兩側同時存在水壓力時結構所受水平力最小，一側有水另一側無水情況相對不利，擋土高度較大的一側無水時最不利。本次結構計算選取泵站側無水、基坑開挖至前池護底墊層底面-6.5 m標高、水閘側為設計水位0.8 m的荷載組合工況為控制性計算工況。

4.2 理正深基坑支護軟件計算

理正深基坑支護軟件是一款專業(yè)的深基坑支護結構設計工具，其采用了經典法土壓力模型和彈性法土壓力模型2種土壓力計算模型，可以按現(xiàn)行規(guī)范要求計算支護結構內力、變形及其穩(wěn)定驗算(包括抗傾覆、抗隆起、抗管涌、抗突涌、整體穩(wěn)定性等)，可以輕松地完成深基坑的設計與數據分析，在基坑工程設計中應用十分廣泛。其缺點是結構模型相對固化，比如計算雙排樁時前后排樁的樁長、間距必須一致，不能計算三排樁，不能添加雙排樁頂超載等限制。

理正基坑支護軟件無三排樁模型，由于本工程中間排樁不是密排，故不考慮中間樁作用，簡化為雙排樁模型計算。本模型中，后排樁直接承受水壓力作用，在軟件中將河底上部土層容重取0，并按水土分算進行模擬，U型板樁按等剛度換算成矩形斷面輸入，排樁內力采用“增量法”計算，并考慮樁頂冠梁剛度影響，計算模型見圖7，位移及內力計算結果見圖8。該軟件計算的前排樁樁身最大水平位移6.92 mm、樁頂最大水平位移5.63 mm、入土處水平位移2.83 mm，滿足SL 379—2007《水工擋土墻設計規(guī)范》關于排樁擋墻入土點的水平位移不超過10 mm的要求[11]。

圖7 理正深基坑支護軟件計算模型

圖8 理正軟件 “增量法”計算排樁位移內力結果

4.3 三維有限元數值計算

采用Midas GTS/NX有限元分析軟件建立三維模型進行數值分析驗算[12]，模擬全階段施工過程，兩側U型板樁采用2D板單元模擬(厚度按等剛度換算)，中間排板樁、冠梁及連系梁采用1D梁單元模擬[13]，土體采用實體單元模擬。U型板樁、冠梁、連系梁等采用彈性本構模型，土體采用修正莫爾庫侖本構模型[14]。各巖土層抗剪強度等主要參數指標按表1輸入，彈性模量按4倍壓縮模量輸入；U型板樁混凝土強度等級為C60，連系梁混凝土強度等級為C25，均按相應等級混凝土參數輸入。

邊界約束條件:模型左右邊界施加水平約束，底部施加豎向約束，1D板樁施加轉動約束，其他位移邊界自由。

三維模型網格尺寸初步按2 m，共劃分單元數量1.33萬個，計算得前排樁樁身最大水平位移5.42 mm；第二次加密核心區(qū)域網格尺寸計算，共劃分單元數量為10.48萬個，計算得相應樁身最大水平位移為5.07 mm，與第一次計算相差5.1%；再進一步加密網格，共劃分單元數量25.11萬，計算得相應樁身最大水平位移為4.95 mm，與第二次計算結果相差2.4%，此時認為計算結果已與網格尺寸基本無關，故樁身最大水平位移取4.95 mm，樁頂水平位移為4.42 mm，樁身入土處水平位移為2.14 mm。三維網格模型見圖9，主要計算結果見圖10—13。

圖9 “數值法”三維網格模型示意

圖10 整體X方向水平位移云圖

圖11 板樁框架X方向水平位移云圖

圖12 板樁X方向水平位移線上圖

圖13 板樁樁身彎矩線上圖

4.4 計算結構比較與分析

將2種方法計算的樁身水平位移計算結果進行對比，見表3。理正深基坑軟件采用的“增量法”計算的水平位移比Midas GTS/NX“數值法”計算結果整體偏大，最大位移相差28%，但位移絕對值相差僅1.97 mm。本工程2018年建成至今已運行4年，三排樁結構除樁頂設有變形觀測點外，樁身未設應力應變觀測設施，實測樁頂最大水平位移為3 mm，比增量法計算結果小2.63 mm，比數值法計算結果小1.42 mm。

表3 結構位移計算結果對比

計算結果與實測數據存在偏差的原因分析如下：①理正深基坑支護軟件的計算模型沒有考慮中間排樁的作用，整體計算結果偏保守，計算的位移值最大；②數值法建立了整體三維模型，更接近實際工程情況，因此計算結果相對接近實測數據；③實測樁頂位移最小，但也僅比數值法計算結果小1.42 mm，一方面存在測量精度問題，另一方面，工程建設和運行過程中，尚未出現(xiàn)設計計算所采用的水位組合工況，將來前池抽干水檢修時可能出現(xiàn)結構變形進一步加大的情形，有待跟蹤觀測驗證。

5 結語

a)三排樁支擋結構可以實現(xiàn)永久建筑物與臨時建筑物相結合，具有節(jié)省工程投資、加快施工進度等優(yōu)勢，在大型泵站樞紐工程中有成功應用案例，在類似水利樞紐工程中具有推廣意義。

b)三排樁支擋結構計算理論不完善，使用有限元數值仿真計算方法能較好模擬結構實際受力情況，建議實際工程采用三排樁方案時，運用有限元等多種手段進行設計計算，并加強施工期及運用期觀測，進一步完善針對三排樁模型的設計計算方法和理論。