某水電站擋水壩段圍井技術(shù)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(wù)局，黑龍江 湯原 154700;3.蘿北縣寶泉嶺農(nóng)場水務(wù)局，黑龍江 蘿北 154211)

1 簡介

某水電站擋水壩段基礎(chǔ)覆蓋層開挖擬借鑒工業(yè)與民用建筑及市政工程應(yīng)用較多的圍井技術(shù)進(jìn)行開挖與混凝土澆筑，圍井就是在覆蓋層基礎(chǔ)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(jìn)行支撐，開挖至建基面后，回填混凝土至設(shè)計(jì)高程。使用圍井的優(yōu)點(diǎn)是不修筑圍堰即可實(shí)現(xiàn)大壩全年施工，圍井技術(shù)在水電行業(yè)鮮見應(yīng)用，因此，對大壩采用圍井技術(shù)進(jìn)行初步計(jì)算分析。圍井布置見圖1，圖2。

2 圍井設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及原則

1)根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-99)規(guī)定，由于本基坑為建筑物基礎(chǔ)開挖過程中的臨時(shí)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(shè)計(jì)方法采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)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(hù)設(shè)計(jì)軟件作為計(jì)算工具進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3)圍井的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)基坑側(cè)向變形以及連續(xù)墻結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行確定。根據(jù)本工程的計(jì)算分析，基坑側(cè)向變形較小，不足以影響到基坑的正常使用，因此側(cè)重于根據(jù)連續(xù)墻的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及配筋狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)控制。

4)支撐的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合規(guī)范要求以及施工實(shí)施等情況確定布置方案，因此支撐設(shè)計(jì)中應(yīng)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(dāng)采用機(jī)械挖土?xí)r宜≥8 m;②豎向相鄰水平支撐的凈距≥3 m;當(dāng)采用機(jī)械下坑挖土運(yùn)輸時(shí)≥4 m;③由于本工程長條矩形基坑中5個(gè)小圍井地質(zhì)地形情況分布不均，因此根據(jù)計(jì)算各段支撐情況布置有一定差別，為了使相鄰基坑支撐結(jié)構(gòu)體系的受力均勻以及基坑穩(wěn)定協(xié)調(diào)，應(yīng)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(jìn)度保持一致，但對于地質(zhì)情況或者深度變化較大的部位，水平支撐高程做適當(dāng)調(diào)整。

3 圍井結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 計(jì)算內(nèi)容

①圍井連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形計(jì)算(考慮分步開挖施工仿真);②圍井連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。

3.2 計(jì)算方法

本次初步計(jì)算采用理正深基坑支護(hù)軟件進(jìn)行平面計(jì)算，軟件采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)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(jìn)行初步分析計(jì)算。由于本工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)其實(shí)是一個(gè)三維的支撐體系，而該程序的平面計(jì)算僅僅能考慮支撐的平面支撐效應(yīng)，因此采用該方法初步計(jì)算結(jié)果相對于實(shí)際的圍井支撐體系受力情況有較大裕度。

3.3 水土壓力計(jì)算原則

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

3.4 計(jì)算點(diǎn)的選擇

本工程基坑其5個(gè)圍井基坑地質(zhì)地形沿長度方向變化較大，根據(jù)地勘資料分析，計(jì)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(gè)圍井進(jìn)行圍護(hù)支撐計(jì)算。

3.5 計(jì)算參數(shù)選取

3.5.1 土層物理力學(xué)參數(shù)采用可行性研究報(bào)告中地質(zhì)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(zhì)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(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-99)，在無試驗(yàn)資料的的情況下，結(jié)合規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式(C.3.2)，以及參考書籍《深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)、分析與實(shí)例》(P164～P166)列舉的各地各類土的m經(jīng)驗(yàn)值，本工程各地層m取值:

含漂砂卵礫石層:m=30 MN/m4粉砂質(zhì)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(jì)算分析，結(jié)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(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-99)附錄C公式C.2.2計(jì)算

式中:kT為支撐結(jié)構(gòu)水平剛度系數(shù);α為與支撐松弛有關(guān)的系數(shù)，取0.8～1.0，計(jì)算中采用0.8;E為支撐構(gòu)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(gòu)件斷面面積;L為支撐構(gòu)件的受壓計(jì)算長度;S為支撐的水平間距;Sa為連續(xù)墻的計(jì)算寬度，該程序計(jì)算采用連續(xù)墻單位寬度1 m作為計(jì)算寬度。初步設(shè)計(jì)方案的kT計(jì)算見表2。

3.6 計(jì)算結(jié)果分析

通過運(yùn)用理正深基坑設(shè)計(jì)軟件，對以上各典型設(shè)計(jì)斷面的水平支撐梁進(jìn)行初步計(jì)算，得出以下計(jì)算成果進(jìn)行分析。

表2 基坑水平支撐梁設(shè)計(jì)參數(shù)表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可以看出該設(shè)計(jì)方案各典型計(jì)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(hù)支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力位移包絡(luò)圖

包絡(luò)圖見圖3～圖7。

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

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

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

3.6.2 連續(xù)墻截面及配筋設(shè)計(jì)

通過計(jì)算，各典型剖面連續(xù)墻截面及配筋計(jì)算成果見表3。

4 結(jié)語

通過計(jì)算分析，在水電工程中引入圍井這種技術(shù)是基本可行的，該技術(shù)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(shù)在水電工程中尚未有應(yīng)用先例，因此，應(yīng)結(jié)合水電工程特性及建筑物布置，進(jìn)一步對圍井技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

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

圖7 0+120～0+150段基坑典型剖面圍護(hù)地連墻內(nèi)力位移包絡(luò)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(hù)連續(xù)墻配筋設(shè)計(jì)參數(shù)表

[1] 中國建筑科學(xué)研究院.JGJ120-99建筑基坑支護(hù)技術(shù)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(shè)部.GB50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(duì)水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)、分析與實(shí)例.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.