清远二线船闸典型基坑支护结构计算分析

姜 燕，杨光华，，谢志杰，周沛栋，李 俊

(1. 广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2. 广东省岩土工程技术研究中心，广东 广州 510635；3. 华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641；4. 广东省源天工程有限公司，广东 增城 511340)

1 概述

水利工程一般地处较偏远、开阔地带，场地富余，以往基坑工程一般采用大放坡形式，造价低，施工简单方便。近年来，水利工程升级改造力度不断加大，出现了大量的扩改建工程，由于征地及整体规划要求，新建工程往往紧邻建筑物，且需同时确保已有建构筑物的正常运行。水利工程往往水头高，地质复杂，围堰基坑支护结构需要同时满足围护期间的防汛要求，新时期扩改建水利工程对水利围堰及基坑支护提出了新的挑战。

以清远二线船闸工程为例，其基坑支护及围堰工程技术复杂，基坑开挖深度大，水头高，左右岸存在高差，工程地质较差，存在砂层、软土、溶洞等不良土层，基坑围护结构距已建一线船闸最近仅1 m，基坑开挖支护结构需兼做围堰，且同时满足防洪功能、结构安全、渗透安全等，本工程采用了一种双排桩(墙)与门架或扶壁式挡墙结构相结合的支护结构，双排桩(墙)用来抵挡基坑外侧的水土压力，挡墙结构满足洪水期围堰的挡水要求，挡墙底板作为双排桩的连接板，从而将建筑基坑与水利堤岸结构的形式相结合，在满足基坑开挖要求的同时兼做施工挡水围堰，是一种组合式新形支护结构。文献[1～4]对双排桩(墙)支护结构的船闸基坑进行了分析计算，文献[5～6]对双排桩计算模型进行了探讨和改进，以上研究均是针对比较单一的支护结构，目前，国内外对此种组合结构在水利船闸深基坑中的应用研究鲜有报道。

本文结合清远水利枢纽二线船闸升级改造工程，采用MIDAS-GTS软件，考虑施工全过程，对新建二线船闸的围堰及基坑支护新形式进行了全过程数值计算，通过实际监测结果验证了围堰基坑计算的合理性及方案的可行性，并提出了优化建议，以期为复杂水利基坑工程设计与施工提供借鉴。

2 工程概况及地质

2.1 工程布置

为提高北江干流航道的通航能力，在清远水利枢纽(大(1)型)新建1 000 t级二线船闸，并将航道等级提高为Ⅲ级。船闸规模为220 m×34 m×4.5 m。二线船闸布置在一线船闸(已建)右侧，两闸平行布置，中心间距为90 m。鸟瞰示意见图1，总平面布置见图2。

根据清远水利枢纽的防洪标准，二线船闸的上游全年围堰建筑物级别为2级，洪水标准为50年一遇，堰顶高程为19.82 m。下游全年围堰建筑物级别为4级，洪水标准为10年一遇，堰顶高程为13.91 m，采用国家85高程系统。围堰导流标准见表1所示。

2.2 二线船闸围堰基坑支护形式

二线船闸基坑开挖采用垂直支护方式，从上游引航道进口至下游引航道出口全长约473 m。基坑支护平面布置如图3所示[7]。

上游导航墙段、上闸首段采用地下连续墙+上部门架+混凝土内撑垂直支护结构，墙厚为1.2 m。基坑及堰顶高程为17.52～19.82 m，最低开挖面高程为-1.52～-8.64 m，净宽为65.5 m。基坑左岸采用双排墙，墙距5.15 m，右岸采用单排墙，墙底高程为-27.0 m。支撑间距为6 m，沿支撑方向设置7排立柱，支撑跨度为6.5～8.5 m，对撑截面尺寸为0.95 m×1.3 m；基坑竖向设置1～3道支撑。典型支护断面见图4所示。

闸室段、下闸首段采用地下连续墙+上部门架或扶壁式胸墙+混凝土内撑结构，基坑及堰顶高程为13.91 m，最低开挖面高程为-11.54 m。基坑左岸采用双排墙，前排墙厚为1.2 m，后墙厚为1.0 m，墙距为16.0 m，前后墙在5.0 m高程处采用厚1.2 m的混凝土板连接，右岸采用单排地下连续墙。基坑竖向设置2道支撑，混凝土支撑横向间距为6 m，沿支撑方向设置5排立柱，支撑跨度为13.5 m，对撑截面尺寸为1.2 m×1.2 m，基坑内侧采用Φ800高压旋喷桩加固。典型支护断面见图5所示。

下游引航道段采用双排连续墙+扶壁胸墙+坑内加固进行垂直支护，墙厚1.2 m，左岸采用双排地下连续墙，右岸采用单排墙，堰顶高程为13.91 m，最低开挖面高程为-4.04 m。基坑左岸采用双排地连墙支护，前排墙厚为1.2 m，后墙厚为1.0 m，墙距为14.9 m，净距为13.8 m，前后墙在5.0 m高程以1.2 m厚混凝土板连接，基坑外侧连续墙上部接C30钢筋砼胸墙，壁厚为1 m，胸墙后设置壁厚为0.5 m间距为4 m的钢筋砼肋板，连续墙之间采用格构式高压旋喷桩加固，基坑内侧采用格构式三轴水泥搅拌桩加固；右岸为放坡开挖。典型支护断面见图6所示。

基坑上下游两端短边采用放坡开挖的形式。

图6 下游全年围堰典型断面示意(下游引航道段)

2.3 地质情况及参数

根据勘察资料[8]，场地表层为填砂、填土，稍湿，松散，渗透性中等～强，开挖面以上稳定性较差；场地内主要岩土层为：

1a层素填土：以粘性土为主，灰褐色，软塑为主，土质不均，含少量生活垃圾，局部含碎石。

1b层填砂：以中粗砂为主，部分为粉细砂，灰黄色，稍湿，松散～稍密。主要于分布于上游引航道段，揭示层厚约2.1 m。

1-1层粉质粘土：软塑～可塑；1-3层中粗砂：松散，地基承载力一般，中等～强渗透性；2-2层淤泥质粉质粘土：流塑～软塑，不透水～微透水；2-3层粉细砂层，稍密～中密，渗透性中等～强，稳定性较差；3-2层淤泥质粉质粘土，流塑-软塑，承载力较差，不透水～微透水；4-1、4-3层圆砾土、卵石土，中密～密实，承载力较好，渗透性强。

下伏基岩主要为泥盆系天子岭组中风化灰岩(6-3，局部有溶洞)、炭质页岩及砂岩(7-2)，地基承载力较好，透水率大部分小于3 Lu，岩溶管道型漏水问题不突出。

船闸主体结构段地质纵剖面见图7。

二线船闸主体结构建基面位于2-3层粉细砂层，建基面以上为1-3、1b中粗砂层和2-2层淤泥质粉质粘土。淤泥质粉质粘土分布较广，上游引航道段及闸室区层厚较厚，为2.5～12.1 m，下游引航道埋层厚中等，为0.9～10.4 m。

建基面以下为4-3层卵石层和强、中风化岩。

地质条件总体上为砂层、卵石层透水性强，淤泥质粉质粘土层物理力学指标差。主要物理力学参数见表2。

3 围堰基坑支护计算分析

由于工程基坑与围堰相结合，支护结构复杂，存在锚筋等预应力结构，且基坑两岸支护结构及荷载均不对称，采用常规计算方法无法准确模拟支护结构受力及施工顺序，故采用有限元软件MIDAS-GTS进行模拟计算。同时，按增量法思想[9],模拟施工过程。

3.1 关于支撑拆除工况的说明

对于上下游支护断面，第二、三层支撑均留在结构地板中不予拆除，第一层水平支撑需待闸首、闸室或导航墙结构底板混凝土浇筑完毕达到强度后，上游水位为正常蓄水位时拆除，拆除支撑后水土压力由二线船闸结构承担，在基坑支护计算中不考虑支撑拆除工况。

3.2 围堰基坑位移控制标准

位移控制标准参考广东省《建筑基坑支护技术规程》(DBJ/T15-20-2016)，当基坑开挖范围内有需要保护的重要建筑物，基坑等级为1级，最大水平位移控制值为30 mm；当基坑1倍基坑深度范围内无重要的建筑物，基坑等级为2级，最大水平位移控制值为50 mm。其中二线船闸基坑紧邻一线船闸位置位移控制值取30 mm，其余按50 mm控制。

3.3 计算参数

计算参数取值见表3。

3.4 计算模型

采用梁单元模拟地下连续墙及墙之间的连板，采用实体模拟土层，土体采用修正摩尔-库伦模型，梁为弹性体，模型左右施加法向约束，底部施加固定约束。考虑荷载对地下连续墙的不利影响，砂土层采用水土分算，粘土层采用水土合算，水压力按全水头荷载施加，开挖过程中按增量的形式施加上去，水压力施加在后排连续墙上。

施工顺序模拟过程：①计算模型自重应力场并将位移清零；②进行地下连续墙施工； ③进行基坑的开挖和支撑体系的施工。

3.5 计算结果

1) 上闸首导航墙段

典型支护结构模型见图4所示，上闸首导航墙段有限元模型及地层情况如图8所示。参数根据表3选取。本计算工况为在围堰及第一道支撑完成后，水位达到洪水位12.91 m，然后再进行基坑开挖的工况。

洪水位下基坑开挖到底时支护结构位移情况见图9，弯矩情况见图10所示。基坑各开挖步下连续墙位移弯矩、支撑位移及轴力情况见表4所示。

注：面向下游方向，基坑左岸为左侧，右岸为右侧。

由图9、10及表4可知，上游导航墙段基坑支护结构的最大水平位移为23.1 mm，小于位移控制值。左岸连续墙前墙的最大弯矩计算值为778 kN·m，小于设计值1 069.75 kN·m；后墙的最大弯矩设计值为697 kN·m，小于设计值958.38 kN·m，单位宽度支撑最大轴力为953 kN，发生于第三道撑，按支撑间距6 m计算，支撑轴力计算值为5 718 kN，小于设计值 7 862.25 kN，支护结构安全。

2) 下闸首段

典型支护结构模型见图5所示，地层情况见图11所示。参数根据表4选取。 本剖面按设计要求在枯水期洪水位下开挖。考虑2种计算工况，分别为：

工况1：在围堰完成后，下游水位到达枯水期洪水位10.0 m，然后进行基坑开挖。

工况2：下游水位到达枯水期洪水位10.0 m时完成第一道撑，水位升至设计洪水位12.91 m，然后进行基坑开挖。

工况1下支护结构位移情况见图12，弯矩情况见图13。工况2下支护结构位移情况见图14，弯矩情况见图15。2种工况下基坑开挖到底时连续墙位移弯矩、支撑位移及轴力情况见表5。

注：面向下游方向，基坑左岸为左侧，右岸为右侧。

由图12～15及表5可知，左岸基坑支护结构最大水平位移38.4 mm，右岸基坑支护结构的最大水平位移为32.0 mm。左岸连续墙的最大弯矩计算值为1 630 kN·m，小于设计值2 037.5 kN·m，右岸连续墙的最大弯矩计算值为1 490 kN·m，小于设计值1 862.5 kN·m，支撑最大轴力计算值为865 kN，按照支撑间距4.25 m考虑，轴力计算值为3 676.25 kN，小于设计值4 595.3 kN，支护结构安全。

3) 下游引航道段

典型支护结构模型见图6，上闸首导航墙段有限元模型及地层情况见图16，参数根据表3选取。

下游引航道段进行了3种工况计算，分别是：

工况1：围堰、高压旋喷桩及搅拌桩加固完成后，下游水位到达洪水位12.91 m，然后开挖至基坑底的工况，坑底标高为-4.04 m。

工况2：围堰、高压旋喷桩及搅拌桩加固完成后，下游水位到达洪水位12.91 m，基坑不开挖的工况，也即在洪水位下基坑不开挖，坑内地面标高为5.0 m。

工况3：围堰、高压旋喷桩及搅拌桩加固完成后，下游水位到达枯水期洪水位10.0 m(按照一线船闸下游围堰枯水期10年一遇洪水计算水位)，开挖至基坑底的工况，也即在枯水期10年一遇洪水位下开挖到基坑底，坑底标高为-4.04 m。

由于下游引航道与下闸首相接断面设置了连续墙封闭，故上述工况的水压力仅按基坑外洪水水位与基坑内开挖面的水头差计算，不考虑闸室段开挖对坑内水位的影响。

① 工况1计算结果

该工况基坑支护结构计算成果见表6，基坑支护结构的位移见图17，连续墙弯矩见图18。

注：面向下游方向，基坑左岸为左侧，右岸为右侧。

由于在上游水位达到洪水位12.91 m、开挖到基坑底(-4.04 m)时，支护结构位移较大(83.3 mm)，不能满足规范要求，故考虑在洪水来临时不开挖基坑，在枯水期开挖基坑(枯水期洪水位按照船闸下游围堰10年一遇计算，为10.0 m)。

② 工况2计算结果

该工况基坑支护结构计算成果见表7，基坑支护结构的位移见图19，连续墙弯矩见图20。

注：面向下游方向，基坑左岸为左侧，右岸为右侧。

由图19～20及表7可见，围堰顶产生的最大水平位移为18.5 mm，连续墙顶最大水平位移为17.9 mm，位移较小，满足规范要求。连续墙的最大弯矩计算值为676 kN·m，小于设计值845 kN·m，因此，在洪水位不开挖基坑的工况下，下游引航道的基坑设计方案满足规范要求。

③ 工况3计算结果

该工况基坑支护结构计算成果见表8，基坑支护结构的位移见图21，连续墙弯矩见图22。由图21～22可见，围堰顶产生的最大水平位移为42.5 mm，连续墙顶最大水平位移为40.4 mm，小于50 mm，位移满足二级基坑控制要求。连续墙的最大弯矩为852 kN·m，小于弯矩设计值1 065 kN·m，因此，在枯水期洪水位下，开挖至基坑底，下游引航道的基坑设计方案满足规范要求。

注：面向下游方向，基坑左岸为左侧，右岸为右侧。

根据以上3种工况计算结果，建议下游引航道断面开挖选择在枯水期开挖，并在洪水来临前回填至5.0高程。

4 监测结果

二线船闸围堰基坑的监测点布置见图23所示，其中上游导航墙左岸前后连续墙顶位移测点为P28、PA29，右岸测点为PB19；下闸首段左岸前后连续墙顶位移测点为P13、PA14，右岸测点为PB4；下游引航道段前后连续墙顶位移测点为P8、PA9。目前，基坑已经全部施工完成，船闸已通航，截止2019年5月16日，各测点最大监测位移值见表9。

注：左前为左岸前墙；左后为左岸后墙；右为右岸；向坑内位移为正。

从表9可以看出，上游导航墙段左岸实测位移最大值为24.7 mm，右岸实测最大位移为14.5 mm，与计算值较为接近；下游引航道左岸实测最大值为51.6 mm，与计算值较为接近；下闸首段实测值最大值仅为6.7 mm，比计算值小许多，主要是因为下闸首施工时为枯水期枯水位，与计算工况的枯水期洪水位相差较多。

将计算及监测结果进行对比可知，本设计方案是可靠可行的，计算方法是合理的，可应用于类似水利工程围堰基坑设计。

5 结语

清远二线船闸围堰基坑支护结构采用了一种双排桩(墙)与门架或扶壁式挡墙结构相结合的支护结构，双排桩(墙)用来抵挡基坑外侧的水土压力，挡墙结构满足洪水期围堰的挡水要求，挡墙底板作为双排桩的连接板，从而将建筑基坑与水利堤岸结构的形式相结合，在满足基坑开挖要求的同时兼做施工挡水围堰。本文通过对该围堰及基坑支护型式进行数值计算，并与实际监测结果对比，得到以下结论及建议：

1) 双排桩(墙)+门架或扶壁式挡墙组合式支护形式在周边环境及地质均较为复杂的高水头水利围堰基坑中应用是可行的，能够很好地控制位移，并能满足水利工程大坝的防渗要求，可为类似水利工程围堰基坑提供借鉴；

2) 围堰基坑第一道支撑的施工时间至关重要，应在地面以上围堰施工前完成第一道支撑的施工，对围堰的堰脚提供支撑作用。避免先完成围堰挡水后再开挖施工第一道支撑，从而产生较大位移，对周边建筑物造成较大影响。从目前计算成果看，在洪水到来前完成第一道撑的施工，可以较好地控制位移；

3) 采用散体布置的旋喷桩加固粉细砂层，只对垂直承载力的提高作用大，对水平向土层参数的提高作用小，基坑开挖对挡土侧土体水平承载力和刚度的要求更高，而且旋喷桩质量控制困难。由于加固土体为粉细砂层，搅拌桩单价低，质量可控，建议采用格构式搅拌桩代替旋喷桩加固，并在搅拌桩和地下连续墙之间加一排旋喷桩，保证搅拌桩和地下连续墙紧密接触，共同作用。