三排樁支擋結(jié)構(gòu)在排澇泵站樞紐工程中的應(yīng)用與研究

胡緒寶 ，嚴(yán) 勇

(1.中山市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 中山 528403；2.蘇交科集團(tuán)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(dǎo)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(shè)計(jì)難度大、投資大、風(fēng)險(xiǎn)高，易發(fā)生傾覆、滑坡等問題[1]，是工程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。李海道[2]、王鋒[3]對(duì)常規(guī)泵站翼墻方案進(jìn)行研究，提出前池內(nèi)支撐等優(yōu)化方案；李弋等[4]、袁龍剛[5]研究了護(hù)壁樁、排樁在排澇泵站中的應(yīng)用。但是針對(duì)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(shè)等條件制約下，如何進(jìn)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(jié)構(gòu)為例，提出了大型排澇泵站前池翼墻設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)流量16 m3/s。2014年對(duì)樞紐工程進(jìn)行整體改擴(kuò)建設(shè)計(jì)，具體建設(shè)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(kuò)建至60 m3/s；船閘原址原規(guī)模加固。改擴(kuò)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(duì)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(tái)立式軸流泵機(jī)組，堤后式泵房，泵房基坑底標(biāo)高-6.6 m，最大開挖深度約10 m，泵站前池開挖底標(biāo)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(shè)計(jì)條件

2.1 地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地貌類型為沖積平原地貌，地勢(shì)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(zhì)土夾粉砂、粉細(xì)砂夾貝殼及淤泥質(zhì)土層，深部為粉細(xì)砂、中粗砂或圓礫，最下部為弱風(fēng)化基巖。其中淤泥質(zhì)土夾粉砂、粉細(xì)砂夾貝殼及淤泥質(zhì)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(xué)指標(biāo)見表1。

表1 主要土層物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 施工導(dǎo)流分期條件

工程擬在汛后10月份動(dòng)工，枯水期要保證枯水期洪水導(dǎo)流及圍內(nèi)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(fù)工程抵御外江洪水和排泄圍內(nèi)洪水功能，據(jù)此，擬定工程分期導(dǎo)流方案如下：一期利用原水閘導(dǎo)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(shí)現(xiàn)防洪排水功能；二期在第二年汛后，以新建水閘為導(dǎo)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(dǎo)流方案分別見圖3、4，本文研究的結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(yīng)另行設(shè)置圍堰，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)前池分隔翼墻為雙側(cè)面板扶壁式擋土墻，在前池側(cè)和水閘側(cè)均設(shè)置面板，采用整體式底板、水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理，并設(shè)鋼板樁臨時(shí)圍堰，具體結(jié)構(gòu)見圖5。由于原方案需另行設(shè)置圍堰施工，存在工程投資大、工期長(zhǎng)等不足，在初步設(shè)計(jì)階段經(jīng)比選優(yōu)化為排樁擋墻方案。排樁擋墻采用預(yù)應(yīng)力混凝土U型板樁對(duì)拉結(jié)構(gòu)，無需另行設(shè)置圍堰，由于兩排樁間距較大，在中間再增設(shè)一排U型板樁，形成三排樁結(jié)構(gòu)。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(zhǎng)度為15 m，樁頂采用C25混凝土冠梁及對(duì)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(shè)格柵狀水泥土攪拌樁加固土，深度5 m。具體斷面結(jié)構(gòu)見圖6。

圖5 扶壁擋墻方案結(jié)構(gòu)斷面

圖6 三排樁方案結(jié)構(gòu)斷面

表2對(duì)2種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，優(yōu)化后的三排U型板樁方案施工簡(jiǎn)單，施工周期縮短一半，工程投資節(jié)省40%，優(yōu)勢(shì)明顯，但三排樁受力結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算理論不完善，在排澇泵站工程中應(yīng)用較少，實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)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(dòng)錘進(jìn)行沉樁施工，為避免沉樁過程對(duì)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(jié)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(jié)構(gòu)計(jì)算

設(shè)計(jì)為三排樁組合式支擋結(jié)構(gòu)，受力相對(duì)較復(fù)雜，常規(guī)計(jì)算手段難以模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況[9-10]，先采用理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，再采用Midas GTS/NX有限元分析軟件建立三維模型進(jìn)行數(shù)值分析驗(yàn)算。

4.1 計(jì)算工況

施工期及運(yùn)用期均存在兩側(cè)擋水情況，兩側(cè)同時(shí)存在水壓力時(shí)結(jié)構(gòu)所受水平力最小，一側(cè)有水另一側(cè)無水情況相對(duì)不利，擋土高度較大的一側(cè)無水時(shí)最不利。本次結(jié)構(gòu)計(jì)算選取泵站側(cè)無水、基坑開挖至前池護(hù)底墊層底面-6.5 m標(biāo)高、水閘側(cè)為設(shè)計(jì)水位0.8 m的荷載組合工況為控制性計(jì)算工況。

4.2 理正深基坑支護(hù)軟件計(jì)算

理正深基坑支護(hù)軟件是一款專業(yè)的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具，其采用了經(jīng)典法土壓力模型和彈性法土壓力模型2種土壓力計(jì)算模型，可以按現(xiàn)行規(guī)范要求計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及其穩(wěn)定驗(yàn)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(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析，在基坑工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用十分廣泛。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)模型相對(duì)固化，比如計(jì)算雙排樁時(shí)前后排樁的樁長(zhǎng)、間距必須一致，不能計(jì)算三排樁，不能添加雙排樁頂超載等限制。

理正基坑支護(hù)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(jiǎn)化為雙排樁模型計(jì)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(jìn)行模擬，U型板樁按等剛度換算成矩形斷面輸入，排樁內(nèi)力采用“增量法”計(jì)算，并考慮樁頂冠梁剛度影響，計(jì)算模型見圖7，位移及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見圖8。該軟件計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于排樁擋墻入土點(diǎn)的水平位移不超過10 mm的要求[11]。

圖7 理正深基坑支護(hù)軟件計(jì)算模型

圖8 理正軟件 “增量法”計(jì)算排樁位移內(nèi)力結(jié)果

4.3 三維有限元數(shù)值計(jì)算

采用Midas GTS/NX有限元分析軟件建立三維模型進(jìn)行數(shù)值分析驗(yàn)算[12]，模擬全階段施工過程，兩側(cè)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?jiǎn)卧M[13]，土體采用實(shí)體單元模擬。U型板樁、冠梁、連系梁等采用彈性本構(gòu)模型，土體采用修正莫爾庫侖本構(gòu)模型[14]。各巖土層抗剪強(qiáng)度等主要參數(shù)指標(biāo)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(qiáng)度等級(jí)為C60，連系梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，均按相應(yīng)等級(jí)混凝土參數(shù)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(zhuǎn)動(dòng)約束，其他位移邊界自由。

三維模型網(wǎng)格尺寸初步按2 m，共劃分單元數(shù)量1.33萬個(gè)，計(jì)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(wǎng)格尺寸計(jì)算，共劃分單元數(shù)量為10.48萬個(gè)，計(jì)算得相應(yīng)樁身最大水平位移為5.07 mm，與第一次計(jì)算相差5.1%；再進(jìn)一步加密網(wǎng)格，共劃分單元數(shù)量25.11萬，計(jì)算得相應(yīng)樁身最大水平位移為4.95 mm，與第二次計(jì)算結(jié)果相差2.4%，此時(shí)認(rèn)為計(jì)算結(jié)果已與網(wǎng)格尺寸基本無關(guān)，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(wǎng)格模型見圖9，主要計(jì)算結(jié)果見圖10—13。

圖9 “數(shù)值法”三維網(wǎng)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(jì)算結(jié)構(gòu)比較與分析

將2種方法計(jì)算的樁身水平位移計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表3。理正深基坑軟件采用的“增量法”計(jì)算的水平位移比Midas GTS/NX“數(shù)值法”計(jì)算結(jié)果整體偏大，最大位移相差28%，但位移絕對(duì)值相差僅1.97 mm。本工程2018年建成至今已運(yùn)行4年，三排樁結(jié)構(gòu)除樁頂設(shè)有變形觀測(cè)點(diǎn)外，樁身未設(shè)應(yīng)力應(yīng)變觀測(cè)設(shè)施，實(shí)測(cè)樁頂最大水平位移為3 mm，比增量法計(jì)算結(jié)果小2.63 mm，比數(shù)值法計(jì)算結(jié)果小1.42 mm。

表3 結(jié)構(gòu)位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比

計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在偏差的原因分析如下：①理正深基坑支護(hù)軟件的計(jì)算模型沒有考慮中間排樁的作用，整體計(jì)算結(jié)果偏保守，計(jì)算的位移值最大；②數(shù)值法建立了整體三維模型，更接近實(shí)際工程情況，因此計(jì)算結(jié)果相對(duì)接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；③實(shí)測(cè)樁頂位移最小，但也僅比數(shù)值法計(jì)算結(jié)果小1.42 mm，一方面存在測(cè)量精度問題，另一方面，工程建設(shè)和運(yùn)行過程中，尚未出現(xiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算所采用的水位組合工況，將來前池抽干水檢修時(shí)可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)一步加大的情形，有待跟蹤觀測(cè)驗(yàn)證。

5 結(jié)語

a)三排樁支擋結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)永久建筑物與臨時(shí)建筑物相結(jié)合，具有節(jié)省工程投資、加快施工進(jìn)度等優(yōu)勢(shì)，在大型泵站樞紐工程中有成功應(yīng)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(jié)構(gòu)計(jì)算理論不完善，使用有限元數(shù)值仿真計(jì)算方法能較好模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況，建議實(shí)際工程采用三排樁方案時(shí)，運(yùn)用有限元等多種手段進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并加強(qiáng)施工期及運(yùn)用期觀測(cè)，進(jìn)一步完善針對(duì)三排樁模型的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和理論。