大型調(diào)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(guī)劃設(shè)計研究有限公司 合肥 230601）

1 引言

隨著我國綜合國力、城市發(fā)展水平的大幅提高，水利工程建設(shè)也得到了快速發(fā)展。南水北調(diào)東線一期工程作為一項關(guān)系國計民生的長距離調(diào)水工程，可以有效解決我國北方地區(qū)水資源緊缺問題。該項工程利用多座大型輸水泵站梯級調(diào)水，這些泵站不僅規(guī)模大，而且大多數(shù)建設(shè)條件復(fù)雜，受多種因素制約，設(shè)計、施工都極具挑戰(zhàn)性。本文以南水北調(diào)東線一期工程的第七級泵站—臺兒莊泵站深基坑設(shè)計為例，對其支護方案進行數(shù)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(shè)計中各種計算參數(shù)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(qū)境內(nèi)，站址位于韓莊運河與月河之間的老船閘處，船閘南側(cè)為韓莊運河灘地，場地開闊平坦，北側(cè)緊靠韓莊運河大堤（2 級堤防），堤外為臺兒莊城區(qū)，韓莊運河大堤堤頂有交通要求，且承擔(dān)著臺兒莊城區(qū)及魯西南地區(qū)防洪任務(wù)，地位十分重要[1]。

根據(jù)工程設(shè)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(jù)地質(zhì)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(qū)，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?shù)缆氛＝煌?，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(cè)翼墻基坑開挖需采取適當(dāng)?shù)闹ёo措施。根據(jù)主體工程布置及現(xiàn)場地形條件，結(jié)合類似工程經(jīng)驗，進水池北側(cè)翼墻基坑開挖采用灌注樁結(jié)合雙層預(yù)應(yīng)力錨桿支護。

3 基坑支護設(shè)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(shè)計的總體原則是在滿足基坑邊坡穩(wěn)定的前提下，盡量降低支護系統(tǒng)垂直擋土高度。故對該段基坑采用上部放坡開挖結(jié)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(yù)留寬2～3m 的馬道，高程18.5m 以下采用鉆孔灌注樁及兩道預(yù)應(yīng)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(tǒng)擋土壓力，在高程23.0m 平臺設(shè)深井降低基坑地下水位，井距約25～35m。基坑支護系統(tǒng)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(shè)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(jù)臺兒莊泵站進水池基坑支護系統(tǒng)的總體布置情況，采用GTS NX 軟件對基坑設(shè)計中最關(guān)鍵的邊坡整體穩(wěn)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(wěn)定分析

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

強度折減法不必預(yù)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(fù)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(shù)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(jié)果的狀態(tài)，同時因其計算快捷，在工程實際中得到廣泛應(yīng)用。

4.2 參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)報告，工程場區(qū)勘探深度內(nèi)揭露地層自上而下共分七大層，各層土主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。第⑦層為基巖，在勘探深度內(nèi)，場區(qū)下伏基巖為奧陶系馬家溝組（Om）石灰?guī)r，灰黑色～黑色，夾少量的黃色泥質(zhì)灰?guī)r，裂隙發(fā)育，其壓縮模量60000MPa，泊松比0.27，粘聚力c=300kPa，內(nèi)摩擦角φ=22°。

表1 各土層參數(shù)表

土的變形模量是在原位現(xiàn)場測得的，是土在無側(cè)限的情況下應(yīng)力與應(yīng)變的比值，相當(dāng)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(zhǔn)確地反映土體在天然狀態(tài)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(tǒng)中需要提前施加的外荷載就是兩道錨桿的預(yù)應(yīng)力，設(shè)計第一道預(yù)應(yīng)力錨索錨固段長7m，自由段長5m，計算設(shè)計荷載為185.98kN；第二道預(yù)應(yīng)力錨桿錨固段長5m，自由段長5m，計算設(shè)計荷載為130.19kN。由規(guī)范規(guī)定的張拉控制荷載宜為設(shè)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(jù)土層性質(zhì)和變端形要求放張后取設(shè)計荷載的0.6 倍，分別為111.50kN 和78.11kN。建模時將兩道預(yù)應(yīng)力錨桿模擬為一維植入式桁架單元，分別提前施加相應(yīng)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(tǒng)上。

5 計算結(jié)果

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

5.1 實際支護

支護系統(tǒng)完全與實際設(shè)計相一致進行模擬，其整體抗滑穩(wěn)定和位移計算結(jié)果見圖2 和圖3。

圖2 整體抗滑穩(wěn)定1 圖

圖3 位移1 圖

5.2 不考慮冠梁作用支護

支護系統(tǒng)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(wěn)定和位移計算結(jié)果見圖4 和圖5。

圖4 整體抗滑穩(wěn)定2 圖

圖5 位移2 圖

5.3 不考慮預(yù)應(yīng)力錨桿作用支護

不考慮預(yù)應(yīng)力錨桿作用，僅依靠灌注樁支護進行模擬，其整體抗滑穩(wěn)定和位移計算結(jié)果見圖6 和圖7。

圖6 整體抗滑穩(wěn)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(wěn)定計算值和灌注樁樁頂位移值統(tǒng)計見表2。

表2 整體穩(wěn)定及位移計算值統(tǒng)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(tǒng)的實際監(jiān)測，灌注樁樁頂最大位移4mm，在規(guī)范規(guī)定的10mm 范圍內(nèi)，基坑支護系統(tǒng)為保證工程的順利實施發(fā)揮了重要的作用。模擬計算得到的整體抗滑穩(wěn)定計算大于1.35，滿足規(guī)范要求，位移計算結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果相比基本一致，模型的契合度和準(zhǔn)確性與實際工程較為相符。

另外，通過對支護系統(tǒng)中冠梁、預(yù)應(yīng)力錨桿的不同組合模擬，可以看出冠梁、預(yù)應(yīng)力錨桿在支護系統(tǒng)中均有利于增加邊坡整體穩(wěn)定和控制位移量。相比較而言，預(yù)應(yīng)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(shè)計中采用“錨桿+灌注樁+冠梁”的聯(lián)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(jié)論

通過臺兒莊泵站工程深基坑支護設(shè)計實例模擬計算分析總結(jié)如下：

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

（2）模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性與邊界條件、材料參數(shù)的取值密切相關(guān)，尤其是土的變形模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等主要參數(shù)應(yīng)謹(jǐn)慎選擇，避免出現(xiàn)基礎(chǔ)性錯誤。

（3）深基坑支護系統(tǒng)中，土體中錨桿預(yù)應(yīng)力鎖定值應(yīng)考慮支護后臨空面變形預(yù)留值，根據(jù)土體性質(zhì)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(zhì)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(jié)果的精度■