大型調水泵站深基坑支護模型計算分析

許正松 尚俊偉 楊子江

（中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230601）

1 引言

隨著我國綜合國力、城市發展水平的大幅提高，水利工程建設也得到了快速發展。南水北調東線一期工程作為一項關系國計民生的長距離調水工程，可以有效解決我國北方地區水資源緊缺問題。該項工程利用多座大型輸水泵站梯級調水，這些泵站不僅規模大，而且大多數建設條件復雜，受多種因素制約，設計、施工都極具挑戰性。本文以南水北調東線一期工程的第七級泵站—臺兒莊泵站深基坑設計為例，對其支護方案進行數值模擬，對比支護方案理論計算值與實際觀測值的一致性，分析設計中各種計算參數及措施選擇的合理性。

2 工程概況

臺兒莊泵站地處山東省棗莊市臺兒莊區境內，站址位于韓莊運河與月河之間的老船閘處，船閘南側為韓莊運河灘地，場地開闊平坦，北側緊靠韓莊運河大堤（2 級堤防），堤外為臺兒莊城區，韓莊運河大堤堤頂有交通要求，且承擔著臺兒莊城區及魯西南地區防洪任務，地位十分重要[1]。

根據工程設計，泵房及進水池翼墻的建基面高程為8.2m，其中與韓莊運河大堤中心線距離最近的是進水池翼墻，兩者之間的平面尺寸僅為43m，而韓莊運河大堤堤頂高程為33.0m，與建基面高差約25m。根據地質報告，該工程臨時開挖坡比宜在1∶2以上，若放坡開挖基坑，勢必會挖除部分韓莊運河大堤堤身，考慮到韓莊運河大堤為2 級堤防，其堤后即是臺兒莊城區，防洪地位十分重要，且本工程需跨汛期施工，為不影響韓莊運河大堤防洪安全，維持堤頂道路正常交通，施工期間需保持大堤的完整性。

因此，在不影響韓莊運河大堤防洪安全的條件下，為達到施工方便、施工安全的目的，泵房及進水池北側翼墻基坑開挖需采取適當的支護措施。根據主體工程布置及現場地形條件，結合類似工程經驗，進水池北側翼墻基坑開挖采用灌注樁結合雙層預應力錨桿支護。

3 基坑支護設計

由于基坑開挖深度較大，為保證施工安全，減少工程造價，設計的總體原則是在滿足基坑邊坡穩定的前提下，盡量降低支護系統垂直擋土高度。故對該段基坑采用上部放坡開挖結合下部垂直支護開挖的方式，即從高程28.2m 平臺（韓莊運河堤防與臺兒莊船閘之間平臺）按坡比1∶2 放坡開挖至高程18.5m，并在高程22.0m 及高程18.5m 預留寬2～3m 的馬道，高程18.5m 以下采用鉆孔灌注樁及兩道預應力錨桿支護后垂直開挖至建基面，并在高程18.5m 以上的坡面采用50mm 厚水泥砂漿護面。另外為減小基坑支護系統擋土壓力，在高程23.0m 平臺設深井降低基坑地下水位，井距約25～35m。基坑支護系統剖面見圖1。

圖1 基坑支護剖面圖

基坑支護灌注直徑0.8m，間距1.0m，樁頂設冠梁，冠梁頂高程為18.5m，支護樁嵌入基巖1.8m 左右，灌注樁混凝土強度等級為C25，冠梁混凝土強度等級為C30。第一層錨桿錨頭中心高程為15.5m，錨桿材料為3 束7φ5的鋼絞線，第二層錨桿錨頭中心高程為12.2m，錨桿材料 為1 根φ28 的Ⅱ級鋼筋，錨桿與水平方向的夾角為 15°，水平間距2.0m，錨桿鉆孔直徑不小于0.159m，注漿體材料采用水泥砂漿，其強度等級為M20。

4 建模計算

根據臺兒莊泵站進水池基坑支護系統的總體布置情況，采用GTS NX 軟件對基坑設計中最關鍵的邊坡整體穩定以及位移情況進行模擬計算。

4.1 計算方法

4.1.1 邊坡整體穩定分析

土坡的整體穩定性分析一般都是基于巖土塑性理論，邊坡的變形和發展都處于塑性階段，直至坡體破壞，邊坡失穩在力學上主要是一個強度問題[2]。根據以上理論，本次模擬土體選用摩爾-庫倫本構方程，計算邊坡整體穩定采用強度折減法（SRM），其基本思想是折減土體的強度參數c 和tanφ，直至土體發生破壞，最終降低比值即是安全系數FS。

強度折減法不必預先假定滑動面，不需條分，可以自動搜索最危險的潛在滑動面，并且不受復雜的地層狀況、邊坡形狀、材料不均勻性等因素的限制，其核心思想比較符合工程實際。

4.1.2 位移計算

位移計算選擇線性靜力法計算，該方法利用土體所賦予的基本參數直接計算出模型在各個方向上的位移值，由于模型邊界條件和土體材料實際情況有差別，計算值與實測值有所偏差，但基本能夠反映出結果的狀態，同時因其計算快捷，在工程實際中得到廣泛應用。

4.2 參數選取

根據地質報告，工程場區勘探深度內揭露地層自上而下共分七大層，各層土主要物理力學性質參數見表1。第⑦層為基巖，在勘探深度內，場區下伏基巖為奧陶系馬家溝組（Om）石灰巖，灰黑色～黑色，夾少量的黃色泥質灰巖，裂隙發育，其壓縮模量60000MPa，泊松比0.27，粘聚力c=300kPa，內摩擦角φ=22°。

表1 各土層參數表

土的變形模量是在原位現場測得的，是土在無側限的情況下應力與應變的比值，相當于理想彈性體的彈性模量，由于土不是完全意義上的彈性體，故采用變形模量E 是可以比較準確地反映土體在天然狀態下的變形，其一般通過壓縮模量E0和泊松比v 換算得到[3]。

4.3 荷載施加

基坑支護系統中需要提前施加的外荷載就是兩道錨桿的預應力，設計第一道預應力錨索錨固段長7m，自由段長5m，計算設計荷載為185.98kN；第二道預應力錨桿錨固段長5m，自由段長5m，計算設計荷載為130.19kN。由規范規定的張拉控制荷載宜為設計荷載的0.9～1.0 倍，該工程實際施工按1.0 倍控制，最終鎖定值根據土層性質和變端形要求放張后取設計荷載的0.6 倍，分別為111.50kN 和78.11kN。建模時將兩道預應力錨桿模擬為一維植入式桁架單元，分別提前施加相應的鎖定值。

地下水壓力考慮降水井作用，模擬其水位在基面以下0.5m，不考慮水流的滲透作用，按照靜水壓力作用在支護系統上。

5 計算結果

基坑邊坡整體穩定和位移計算主要通過改變支護系統的相關型式和實際支護型式進行對比，分析對整體穩定結果和位移值的影響。

5.1 實際支護

支護系統完全與實際設計相一致進行模擬，其整體抗滑穩定和位移計算結果見圖2 和圖3。

圖2 整體抗滑穩定1 圖

圖3 位移1 圖

5.2 不考慮冠梁作用支護

支護系統不考慮灌注樁頂部冠梁的連接作用進行模擬，其整體抗滑穩定和位移計算結果見圖4 和圖5。

圖4 整體抗滑穩定2 圖

圖5 位移2 圖

5.3 不考慮預應力錨桿作用支護

不考慮預應力錨桿作用，僅依靠灌注樁支護進行模擬，其整體抗滑穩定和位移計算結果見圖6 和圖7。

圖6 整體抗滑穩定3 圖

圖7 位移3 圖

三種支護方式下基坑邊坡的整體抗滑穩定計算值和灌注樁樁頂位移值統計見表2。

表2 整體穩定及位移計算值統計表

6 計算分析

在實際基坑開挖、擋墻施工期間，通過對支護系統的實際監測，灌注樁樁頂最大位移4mm，在規范規定的10mm 范圍內，基坑支護系統為保證工程的順利實施發揮了重要的作用。模擬計算得到的整體抗滑穩定計算大于1.35，滿足規范要求，位移計算結果與實際監測結果相比基本一致，模型的契合度和準確性與實際工程較為相符。

另外，通過對支護系統中冠梁、預應力錨桿的不同組合模擬，可以看出冠梁、預應力錨桿在支護系統中均有利于增加邊坡整體穩定和控制位移量。相比較而言，預應力錨桿的作用要更為顯著、突出，并且其工程投資增加有限。因此在本例的深基坑支護設計中采用“錨桿+灌注樁+冠梁”的聯合支護的方式能夠達到投資增加不多的情況下，更有效地確保工程安全。

7 結論

通過臺兒莊泵站工程深基坑支護設計實例模擬計算分析總結如下：

（1）GTX NX 數值模擬計算是一種不同于傳統基坑支護設計計算的新方法，建模后具有計算快速、直觀的優點，計算結果與實際接近，模型的適用性得到了驗證。

（2）模型計算結果的準確性與邊界條件、材料參數的取值密切相關，尤其是土的變形模量、粘聚力、內摩擦角等主要參數應謹慎選擇，避免出現基礎性錯誤。

（3）深基坑支護系統中，土體中錨桿預應力鎖定值應考慮支護后臨空面變形預留值，根據土體性質綜合確定，從而保證土錨持力和變形的可靠性。

（4）本文模型的位移計算采用線性靜力計算與土體本身的性質有所差別，與工程實際之間存在誤差，需要進一步試驗、修正計算方法，提高計算結果的精度■