浙东引水萧山枢纽工程闸站基坑围护设计

江小辉,夏开锋

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

1 工程概况[1]

浙东引水萧山枢纽工程是浙东水资源配置的一项重大工程,工程位于钱塘江、富春江、浦阳江三江汇合口义桥附近,供水对象为萧山、绍兴、宁波、舟山地区的一般工业用水及农业灌溉用水,设计引水流量为50 m3/s。

萧山枢纽工程主要由外江侧闸站上游段、闸站段、内河侧闸站下游段、闸站后输水河道及跨河桥梁等组成。闸站段场地高程6.80～7.10 m,西南侧浦阳江防洪堤顶高程10.05m左右,闸站段西北侧可用的基坑围护用地宽度最小只有4.6～6.6 m,闸站段东南侧可用的基坑围护用地宽度最小只有6.0～7.3 m,西南侧防洪堤距离拟建构筑物最近为13.80 m,除闸站段北侧为空地外,基坑3侧围护用地宽度都比较小,限制了基坑支护采取的形式,基坑开挖尺寸长×宽约为133 m×115 m,开挖面积约为15 295 m2,基坑挖深6.95～9.10 m。

图1 闸站基坑围护结构平面布置图

根据JGJ 120—99《建筑基坑支护技术规程》,该工程闸站基坑安全等级定为一级,重要性系数为1.1。闸站基坑围护结构平面布置见图1。

2 工程区状况及地质条件

根据地质勘探,工程区土层主要由Ⅰ1、Ⅱ1粉质黏土;Ⅱ2层黏质粉土、砂质粉土、粉砂夹淤泥质土;Ⅲ层淤泥质土;Ⅳ层黏土、粉质黏土等组成,各土层物理力学指标见表1。

表1 土层物理力学指标表

3 围护结构方案比选[2]

根据闸站段基坑支护工程特点,基坑围护可考虑如下3种支护方案:

3.1 钻孔灌注桩+止水帷幕结合内支撑方案 (方案1)

钻孔灌注桩围护形式一般采用钢筋混凝土钻孔灌注桩加止水帷幕。其优点为工艺成熟、造价较低;围护结构既能挡土又能防水,具有较大的刚度、变形比较小,对邻近建筑物影响小。结合工程实际,由于该工程主体结构桩基础采用钻孔灌注桩,因此采用与主体结构桩基础同一施工工艺的钻孔灌注桩作为围护桩,不但可以与工程桩同步施工,缩短工期,而且可以大大减少机械进场费用。因场地地下水位较高,支护结构需考虑止水,该工程采用旋喷桩止水帷幕。支护结构典型剖面:地面高程7.00～5.50 m按1∶1放坡处理,坡面喷射混凝土及挂钢筋网,5.50 m高程下设φ 1 000@1 200mm钻孔桩,顶部设混凝土支撑,支撑尺寸为850 mm×850 mm,钻孔桩插入深度为10.0 m,钻孔桩外侧用旋喷桩φ 800@600 mm止水 (见图2)。

图2 方案1围护结构剖面图

3.2 双排桩支护体系方案 (方案2)

双排桩支护体系即采用2排钻孔灌注桩,与钻孔灌注桩+止水帷幕结合内支撑相同,因场地部分基岩埋深浅,围护桩具有良好的嵌固段,对控制整体稳定与变形有利。

由于该工程主体结构桩基础采用钻孔灌注桩,因此采用与主体结构桩基础同一施工工艺的钻孔灌注桩作为围护桩,不但可以与工程桩同步施工,缩短工期,而且可以大大减少机械进场费用,该工程采用旋喷桩止水帷幕。方案2支护形式因为支护本身占用场地较大,对周边可用场地要求也较大。支护结构典型剖面:地面高程7.00～6.00 m按1∶0.5放坡处理,坡面喷射混凝土及挂钢筋网,5.50 m高程下2排φ 1 000 mm钻孔桩,钻孔桩插入深度为12 m,2排钻孔桩排距为5.0 m,前后排桩用混凝土连梁1 100 mm×400 mm连接,前排钻孔桩间距为1.2 m,后排钻孔桩间距为2.4 m,前排钻孔桩外侧用旋喷桩φ 800@600 mm止水 (见图3)。

图3 方案2围护结构剖面图

3.3 地下连续墙结合内支撑方案 (方案3)

地下连续墙是一种传统的深基坑围护结构。其优点是结构刚度大,整体性、防渗性和耐久性好,可作为永久主体结构;施工时振动小、噪声低,对周边地基扰动小,适用于多种地层条件和各种复杂的施工环境。但因采用与主体结构桩基础不同施工工艺的钻孔灌注桩作为围护桩,相对工期较长,而且增加机械进场费用,围护造价大大提高。支护结构典型剖面:地面高程7.00～5.50 m按1∶1放坡处理,坡面喷射混凝土及挂钢筋网,5.50 m高程下设1.0 m宽的地下连续墙,高程5.50 m设混凝土支撑,支撑尺寸为850 mm×850 mm,连续墙插入深度为10.5 m(见图4)。

图4 方案3围护结构剖面图

3.4 方案综合比较

3种支护方案综合比选见表2。

表2 支护方案比选表

经综合分析比较,采用钻孔灌注桩+止水帷幕结合内支撑方案(方案1)作为闸站基坑支护方案。

4 围护体系稳定分析[3-4]

围护体系受力与稳定,采用极限状态法分析,整体稳定计算模型采用圆弧滑动简单条分法。对基坑的整体稳定、抗倾覆稳定、插入深度、桩侧向位移等进行验算。

4.1 整体稳定计算

整体稳定计算见图5。

图5 整体稳定计算简图

式中:cik、φik为最危险滑动面上第i土条滑动面上土的固结不排水(快)剪粘聚力、内摩擦角标准值;li为第i土条的弧长;bi为第i土条的宽度;γk为整体稳定分项系数;wi为作用于滑裂面上第i土条的重量。按上覆土层的天然土重计算,θi为第i土条弧线中点切线与水平线夹角。

4.2 抗倾覆稳定性计算

排桩抗倾覆计算见图6。

图6 抗倾覆计算简图

式中:Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩,对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定;Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

4.3 嵌固深度设计值

嵌固深度设计值计算见图7。

图7 嵌固深度计算简图

式中:ealk为水平荷载标准值;eplk为水平抗力标准值;∑Eac为设定弯矩零点位置以上基坑外侧各土层水平荷载标准值的合力之和;hal为合力∑Eac作用点至设定弯矩零点的距离;∑Epc为设定弯矩零点位置以上基坑内侧各土层水平抗力标准值的合力之和;hpl为合力 ∑Epc作用点至设定弯矩零点的距离;hTl为支点至基坑底面的距离;hcl为基坑底面至设定弯矩零点位置的距离,确定位置的方法为 ealk=eplk。

4.4 桩侧向位移计算

桩侧向位移计算见图8。

图8 弹性支点法计算简图

支护结构的基本挠曲方程:

式中:EI为支护结构计算宽度的抗弯刚度;m为地基土水平抗力的比例系数;b0为抗力计算宽度,对于圆形桩按下式计算:b0=0.9×(1.5d+0.5),式中:d为桩身直径;z为支护结构顶部至计算点的距离;hn为第n工况基坑开挖深度;y为计算点水平变形;bs为荷载计算宽度,排桩可取桩中心距。

4.5 计算软件

北京理正f-spw6.0基坑支护计算、同济启明星软件校核,MATLAB计算程序,以及理正结构工具箱。围护体系稳定计算成果见表3。

表3 稳定分项系数要求计算成果表

5 施工监测

为了解围护结构的工作状况,对推荐方案1的围护结构进行水平位移监测,上游及左右侧中间点最大位移分别为20,24,28 mm,与理论计算基本相符,围护结构安全可靠。

6 结 语

(1)为减少基坑开挖对周边环境的影响,深基坑支护在水利工程中将会得到越来越广泛的应用。

(2)通过理论计算和实测验证,萧山枢纽深基坑采用钻孔灌注桩+止水帷幕结合内支撑方案,其受力可靠、刚性大、变形小,确保了周围环境的安全,取得了显著的社会和经济效益,是一种值得推广的基坑结构型式。

(3)该工程采用的理正f-spw6.0基坑支护计算程序,在计算参数率定的前提下能全面、准确地反映基坑结构体在不同挖土和施工阶段的整体受力和变形,为深基坑设计的安全可靠、经济合理提供了保证。

[1]杭州市建筑业管理局.深基础工程实践与研究 [M].北京:中国水利水电出版社,1999.

[2]中华人民共和国水利部.SL/T 191—96水工混凝土结构设计规范 [S].北京:中国水利水电出版社,1999.

[3]黄强.建筑基坑支护技术规程应用手册 [M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[4]中华人民共和国建设部.GB 50330—2002建筑边坡工程技术规范 [S].北京:中国建筑工业出版社,2002.