三排桩支挡结构在排涝泵站枢纽工程中的应用与研究

胡绪宝 ，严 勇

(1.中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528403；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210019)

排涝泵站枢纽工程一般由排涝泵站和自排水闸等水工建筑物组成。受用地限制及施工导流需要，排涝泵站枢纽工程中泵站与水闸连接部位特别是前池连接段，挡土高度高、设计难度大、投资大、风险高，易发生倾覆、滑坡等问题[1]，是工程设计的难点。李海道[2]、王锋[3]对常规泵站翼墙方案进行研究，提出前池内支撑等优化方案；李弋等[4]、袁龙刚[5]研究了护壁桩、排桩在排涝泵站中的应用。但是针对大型泵站前池宽度较大、挡土高度大、泵站与水闸需分期建设等条件制约下，如何进一步优化泵站前池翼墙方案的研究不多，本文以中山市鸦雀尾水利枢纽工程前池段泵站与水闸分隔翼墙优化后所采用的三排桩支挡结构为例，提出了大型排涝泵站前池翼墙设计新方法。

1 工程概况

鸦雀尾水利枢纽位于中山市阜沙镇阜沙涌鸡鸦水道出口处，是一座集排洪、排涝、防洪潮、灌溉及通航于一体的水利枢纽工程，工程由水闸、船闸和泵站组成。原水闸始建于1957年，水闸共5孔，总净宽21 m，2012年鉴定为四类闸；原船闸始建于1984年，上下闸首净宽7.00 m，鉴定为三类闸；原泵站建于1996年，2002年技改，设计流量16 m3/s。2014年对枢纽工程进行整体改扩建设计，具体建设包括重建水闸、增建泵站以及加固船闸。重建水闸总净宽35 m，布置在原水闸与船闸之间的中心岛位置；增建泵站44 m3/s，布置在原水闸位置，排涝总规模扩建至60 m3/s；船闸原址原规模加固。改扩建后的枢纽工程包括新增泵站、水闸、船闸、原泵站4座水工建筑物，由北向南依次布置，整体工程布置紧凑。工程建成前后卫星影像对比见图1、2。

图1 工程建成前卫星影像

图2 工程建成后卫星影像

工程泵站采用4台立式轴流泵机组，堤后式泵房，泵房基坑底标高-6.6 m，最大开挖深度约10 m，泵站前池开挖底标高-6.5 m，最大开挖深度约8.6 m，前池宽度约28 m，前池与水闸分隔岛宽度约12 m[6]。

2 主要设计条件

2.1 地质条件

场区地貌类型为冲积平原地貌，地势较平坦，表层普遍分布有一定厚度的填筑土层，其下为较厚的海陆交互相成因的淤泥质土夹粉砂、粉细砂夹贝壳及淤泥质土层，深部为粉细砂、中粗砂或圆砾，最下部为弱风化基岩。其中淤泥质土夹粉砂、粉细砂夹贝壳及淤泥质土等软弱土层在地基土中分布广，整体层厚约30 m左右，极易发生边坡失稳和渗透破坏[7]。工程主要土层物理力学指标见表1。

表1 主要土层物理力学指标

2.2 施工导流分期条件

工程拟在汛后10月份动工，枯水期要保证枯水期洪水导流及围内养殖换水需求，在每年汛期来临前(4月15日前)还必须恢复工程抵御外江洪水和排泄围内洪水功能，据此，拟定工程分期导流方案如下：一期利用原水闸导流，在原中心岛位置施工新建的水闸及加固船闸，第二年汛期来临前实现防洪排水功能；二期在第二年汛后，以新建水闸为导流建筑物，在旧水闸上下游修建围堰拦断，拆除旧水闸、新建泵站。两期施工导流方案分别见图3、4，本文研究的结构位于泵站前池与水闸之间的分隔翼墙，位置如图所示。受施工分期导流条件影响，该段翼墙在两期施工期间均面临直接挡水工况，否则应另行设置围堰，结构设计时应进行综合比较。

图3 枢纽工程一期施工布置

图4 枢纽工程二期施工布置

3 前池分隔翼墙设计方案优化

水闸和泵站相距较近，中间间隔约12 m左右，原设计前池分隔翼墙为双侧面板扶壁式挡土墙，在前池侧和水闸侧均设置面板，采用整体式底板、水泥土搅拌桩复合地基处理，并设钢板桩临时围堰，具体结构见图5。由于原方案需另行设置围堰施工，存在工程投资大、工期长等不足，在初步设计阶段经比选优化为排桩挡墙方案。排桩挡墙采用预应力混凝土U型板桩对拉结构，无需另行设置围堰，由于两排桩间距较大，在中间再增设一排U型板桩，形成三排桩结构。优化后的方案前后两排均为密排连续布置起挡土作用，中间一排间隔6 m，主要起支撑框格连系梁作用。U型板桩长度为15 m，桩顶采用C25混凝土冠梁及对拉联系梁组成框格体系，连系梁间距6 m，中间梁格交叉部位由中间排桩支撑。板桩墙前设格栅状水泥土搅拌桩加固土，深度5 m。具体断面结构见图6。

图5 扶壁挡墙方案结构断面

图6 三排桩方案结构断面

表2对2种方案进行技术经济比较，优化后的三排U型板桩方案施工简单，施工周期缩短一半，工程投资节省40%，优势明显，但三排桩受力结构复杂，计算理论不完善，在排涝泵站工程中应用较少，实际工程经验较少。

表2 扶壁式挡墙方案与三排桩方案比较

U型板桩采用PC400型液压振动锤进行沉桩施工，为避免沉桩过程对水泥土搅拌桩造成破坏，本工程要求先施工U型板桩、后施工水泥搅拌桩，2种桩型结合部位采用高压旋喷桩填充挤密，尽可能发挥墙前加固土支撑作用，减少U型板桩水平位移。

4 三排桩结构计算

设计为三排桩组合式支挡结构，受力相对较复杂，常规计算手段难以模拟结构实际受力情况[9-10]，先采用理正深基坑支护结构设计软件进行设计计算，再采用Midas GTS/NX有限元分析软件建立三维模型进行数值分析验算。

4.1 计算工况

施工期及运用期均存在两侧挡水情况，两侧同时存在水压力时结构所受水平力最小，一侧有水另一侧无水情况相对不利，挡土高度较大的一侧无水时最不利。本次结构计算选取泵站侧无水、基坑开挖至前池护底垫层底面-6.5 m标高、水闸侧为设计水位0.8 m的荷载组合工况为控制性计算工况。

4.2 理正深基坑支护软件计算

理正深基坑支护软件是一款专业的深基坑支护结构设计工具，其采用了经典法土压力模型和弹性法土压力模型2种土压力计算模型，可以按现行规范要求计算支护结构内力、变形及其稳定验算(包括抗倾覆、抗隆起、抗管涌、抗突涌、整体稳定性等)，可以轻松地完成深基坑的设计与数据分析，在基坑工程设计中应用十分广泛。其缺点是结构模型相对固化，比如计算双排桩时前后排桩的桩长、间距必须一致，不能计算三排桩，不能添加双排桩顶超载等限制。

理正基坑支护软件无三排桩模型，由于本工程中间排桩不是密排，故不考虑中间桩作用，简化为双排桩模型计算。本模型中，后排桩直接承受水压力作用，在软件中将河底上部土层容重取0，并按水土分算进行模拟，U型板桩按等刚度换算成矩形断面输入，排桩内力采用“增量法”计算，并考虑桩顶冠梁刚度影响，计算模型见图7，位移及内力计算结果见图8。该软件计算的前排桩桩身最大水平位移6.92 mm、桩顶最大水平位移5.63 mm、入土处水平位移2.83 mm，满足SL 379—2007《水工挡土墙设计规范》关于排桩挡墙入土点的水平位移不超过10 mm的要求[11]。

图7 理正深基坑支护软件计算模型

图8 理正软件 “增量法”计算排桩位移内力结果

4.3 三维有限元数值计算

采用Midas GTS/NX有限元分析软件建立三维模型进行数值分析验算[12]，模拟全阶段施工过程，两侧U型板桩采用2D板单元模拟(厚度按等刚度换算)，中间排板桩、冠梁及连系梁采用1D梁单元模拟[13]，土体采用实体单元模拟。U型板桩、冠梁、连系梁等采用弹性本构模型，土体采用修正莫尔库仑本构模型[14]。各岩土层抗剪强度等主要参数指标按表1输入，弹性模量按4倍压缩模量输入；U型板桩混凝土强度等级为C60，连系梁混凝土强度等级为C25，均按相应等级混凝土参数输入。

边界约束条件:模型左右边界施加水平约束，底部施加竖向约束，1D板桩施加转动约束，其他位移边界自由。

三维模型网格尺寸初步按2 m，共划分单元数量1.33万个，计算得前排桩桩身最大水平位移5.42 mm；第二次加密核心区域网格尺寸计算，共划分单元数量为10.48万个，计算得相应桩身最大水平位移为5.07 mm，与第一次计算相差5.1%；再进一步加密网格，共划分单元数量25.11万，计算得相应桩身最大水平位移为4.95 mm，与第二次计算结果相差2.4%，此时认为计算结果已与网格尺寸基本无关，故桩身最大水平位移取4.95 mm，桩顶水平位移为4.42 mm，桩身入土处水平位移为2.14 mm。三维网格模型见图9，主要计算结果见图10—13。

图9 “数值法”三维网格模型示意

图10 整体X方向水平位移云图

图11 板桩框架X方向水平位移云图

图12 板桩X方向水平位移线上图

图13 板桩桩身弯矩线上图

4.4 计算结构比较与分析

将2种方法计算的桩身水平位移计算结果进行对比，见表3。理正深基坑软件采用的“增量法”计算的水平位移比Midas GTS/NX“数值法”计算结果整体偏大，最大位移相差28%，但位移绝对值相差仅1.97 mm。本工程2018年建成至今已运行4年，三排桩结构除桩顶设有变形观测点外，桩身未设应力应变观测设施，实测桩顶最大水平位移为3 mm，比增量法计算结果小2.63 mm，比数值法计算结果小1.42 mm。

表3 结构位移计算结果对比

计算结果与实测数据存在偏差的原因分析如下：①理正深基坑支护软件的计算模型没有考虑中间排桩的作用，整体计算结果偏保守，计算的位移值最大；②数值法建立了整体三维模型，更接近实际工程情况，因此计算结果相对接近实测数据；③实测桩顶位移最小，但也仅比数值法计算结果小1.42 mm，一方面存在测量精度问题，另一方面，工程建设和运行过程中，尚未出现设计计算所采用的水位组合工况，将来前池抽干水检修时可能出现结构变形进一步加大的情形，有待跟踪观测验证。

5 结语

a)三排桩支挡结构可以实现永久建筑物与临时建筑物相结合，具有节省工程投资、加快施工进度等优势，在大型泵站枢纽工程中有成功应用案例，在类似水利枢纽工程中具有推广意义。

b)三排桩支挡结构计算理论不完善，使用有限元数值仿真计算方法能较好模拟结构实际受力情况，建议实际工程采用三排桩方案时，运用有限元等多种手段进行设计计算，并加强施工期及运用期观测，进一步完善针对三排桩模型的设计计算方法和理论。