基于FLAC 3D的孟洲坝枢纽船闸基坑工程变形特征研究

谢 韬

(广东水电二局股份有限公司，广东 广州 511340)

1 研究方法

1.1 工程概况

北江是粤北地区重要的航运通道，承担着粤北地区通往珠三角及港澳地区水运通道作用。干流总长度超过460 km，沿线建有孟洲坝、濛里、白石窑、飞来峡、连州水库、英德等多座梯级大型水利枢纽工程。北江韶关与三水河段是北江水资源最丰富区段，且该区段内地表径流量较高，可达450 m3/s，该段干流长度为258 km，超过北江干流总长度的50%，且孟州坝、飞来峡等水利枢纽均位于该区段干流中，不仅承担着韶关、清远等地区水资源供应、发电等水利功能，并可对下游水资源进行有效调节，通过输水干渠惠及整个北江韶关、清远、英德等流域地区。在该区段内，北江发挥的另一种重要功能即为航运，而孟州坝是北江干流258 km通航的重要中转枢纽，位于韶关北江西亚偶12.6 km处。孟州坝水利枢纽其按照二期规划建设目标，船闸工程需满足1000 t级船舶通航要求，新建船闸工程包括有闸体工程、挡水设施及船体拦靠建筑等，设计闸室长、宽及高尺寸为220.0 m×23.0 m×4.5 m。新建船闸设计在一期一线船闸的右岸，距离其50 m，两期两线船闸均为直线航道，长度分别为640 m、320 m，航道弯角分别为4°59′15″，16°37′01″，船体拦靠建筑长度为210 m，支撑拦靠建筑墩体直径为 2.2 m，11个墩体间距21 m呈梅花桩型布设。孟州坝二线船闸不仅涉及地面水工建筑，且其基坑工程的施工还需考虑河道围堰导流的安全性。该闸体基坑深度12 m，考虑采用人工钻孔灌注桩为基础方案，减弱基坑自身变形，确保上部闸体及围堰等的稳定性。

1.2 研究模型

考虑基坑变形主要影响因素，简化基坑上部部分水工建筑(如厂房等)，建立基坑计算模型，如图1(a)所示。基坑支护结构模型如图1(b)所示，采用钢筋笼直径为800 mm的灌注桩，且钢支撑为壁厚16 mm的钢管，分多层次布设支撑[1-2]，每层支撑间距为1.4 m，在船闸基坑内包括有84根钢支撑与38个灌注桩。该模型中基坑X、Y、Z三正向分别为上游水流方向、一线船闸方向及自重应力方向，且模型设定基坑各向边界分别为80 m、100 m、50 m。根据网格单元计算划分，共获得微单元有32 682个，节点数28 694个，微单元变形方程满足基坑土体E-B本构模型。

图1 基坑模型

为确保计算模型的准确度，模型中涉及的岩土物理力学参数均按照室内土工试验实测值设定。桩身结构荷载单元均具有线弹性变形行为，而钢支撑采用板单元模拟，在弯剪组合荷载下会出现挠度，且具有抗弯能力，桩体模型参数满足C30混凝土力学本构要求，其剪切模量设定为15 GPa，厚度为550 mm。根据船闸工程基坑开挖顺序，采用FLAC 3D分别建立起每步次开挖后模型[3-4]，如图2所示，基坑变形特征即以该典型步次为研究对象。由于基坑灌注桩尺寸体型设计等均会影响基坑支护效果及其变形特征，故以支护桩桩径作为考量因素，且考虑灌注桩钢筋笼尺寸，设计桩径分别为800 mm、900 mm、1000 mm、1100 mm、1200 mm、1300 mm、1400 mm的七个方案，其他土层参数与灌注桩参数保持一致，分析基坑变形与闸身沉降特征。

图2 每步次开挖后模型

2 基坑变形特征

2.1 桩体水平位移

根据对不同桩径下基坑变形计算，获得了基坑中各桩体水平位移特征，如图3所示。从图中可知，桩体直径愈大，整体桩身水平位移愈大，桩径800 mm在桩深4 m处桩体水平位移为21.1 mm，在同深度桩体处，桩径1000 mm、1200 mm、1400 mm的桩体水平位移较前者分别减少了45.4%、62.5%、85.0%，当桩径每梯次增大100 mm时，其最大水平位移平均可减少26.4%。从各桩径下桩体最大位移特征可知，桩径800 mm下最大位移为30.88 mm，而每梯次桩径增大100 mm，可导致桩体最大位移减少18.8%。分析认为，增大桩径，截面抗弯能力提高，可有助于减少桩体水平向弯曲挠度变形，进而表现在桩体水平位移减少的现象[5]。从桩径抑制桩体水平位移变化可知，当桩径在超过1200 mm时，桩体水平位移受约束能力减弱，如桩径1300 mm、1400 mm桩体最大位移分别位于桩深18 m处，为11.4 mm、10.1 mm，较之桩径1200 mm下最大位移分别仅减少了0.5%、8.5%。由此可知，桩径过大，其桩体水平位移受限制会达到“饱和”状态，无法进一步削弱桩体位移。

图3 桩体水平位移特征

从桩体水平位移特征变化可知，在桩径低于1200 mm时，其水平位移在桩深上呈持续递增-稳定变化，峰值水平位移位于桩深12 m处；而桩径超过1200 mm后，桩体水平位移呈先增后减状态，其最大位移值位于靠近桩底18 m处。相比之下，桩径超过1200 mm后，其水平位移产生的弯曲应力荷载持续作用，使桩体上挠度变形扩展至桩深中部，容易在中部形成应力集中效应，进而出现断桩或侧向扩展偏移等。在桩径低于1200 mm时，不仅桩体水平位移随桩径受削弱显著，且水平位移在桩深上发展更为安全可靠。

2.2 基坑沉降

根据不同步次开挖后基坑沉降特征，获得了不同桩径方案下基坑沉降随施工时间变化特征，由于第三步次的开挖代表基坑工程完成开挖，故基坑沉降分析基于第三步次的建模计算，如图4所示。由基坑沉降可知，当桩径低于1200 mm时，基坑内沉降位移随施工时间呈先增后减变化，且增幅段持续时间较短，在桩径为1000 mm时，施工时间0 d时基坑沉降为4.4 mm，而在20 d、40 d内基坑沉降均为递增，分别增长了49.0%、84.1%，随施工时间的平均增幅为36.3%。与之不同的是，在桩径1300 mm、1400 mm方案下，其基坑沉降呈“双增”阶段特征，即有两阶段的增幅变化，第一阶段在施工时间0～40 d内，基坑沉降平均增幅分别为71.2%、88.5%；而在第二阶段时，施工时间80～120 d基坑沉降平均增幅分别为11.0%、18.9%。相比之下，第二阶段基坑沉降变幅弱于第一阶段，但第二阶段的基坑沉降发生在施工时间80 d后，对基坑工程的基础施工带来的影响较大。笔者认为，从基坑沉降变化特征来看，应避免出现“二次增幅”段[6]。

图4 基坑沉降特征

对比桩径对基坑沉降值影响可知，在桩径为800 mm时，基坑沉降分布为6.4～10.9 mm，而桩径1000 mm、1100 mm时最大沉降较前者分别减少了26.1%、33.0%。桩径超过1200 mm后，基坑沉降仍处于受削弱状态，但抑制基坑沉降效果弱于桩径低于1200 mm的桩体方案；整体七个桩径方案中，随桩径每梯次增大100 mm，基坑最大沉降平均减少12.1%，但在桩径800～1200 mm设计方案中，其基坑最大沉降值最大变幅可达15.9%，平均降幅也可达12.7%，在桩径1300 mm、1400 mm中，最大变幅仅为8.5%。综合基坑沉降变化特征及桩径抑制基坑沉降表现，控制桩径在1100～1200 mm更为合理。

3 闸身沉降特征

闸身沉降的计算是基于基坑三个步每梯次桩径增大次开挖基础后，计算获得桩径参数影响下闸身沉降随运营时间变化特征，如图5。

图5 闸身沉降变化特征

分析闸身沉降可知，其沉降值高于基坑沉降，当桩径愈大，则闸身沉降值愈小，如在运营时间20 d时，桩径800 mm方案下，闸身沉降为7.3 mm，而桩径每梯次增大100 mm时，可引起闸身沉降减少13.8%。不论是桩径低于1200 mm或超过该直径，闸身沉降与桩径参数均满足负相关特征。当运营时间增大至60 d、100 d时，随桩径增大100 mm的变化，闸身沉降平均降幅分别为11.2%、8.8%。由此可知，随运营时间增长，桩径对闸身沉降影响减弱，不同桩径间闸身沉降差幅减小。从闸身沉降与运营时间的变化关系可知，在桩径低于1200 mm时，闸身沉降整体处于较稳定状态，只在运营时间60 d后才具一定增幅，而桩径超过1200 mm后，受桩径过大的应力扰动影响，其闸身沉降呈稳定递增变化，特别是在运营时间60 d后具有较显著增幅段。闸身沉降变幅愈大时，对船闸内水流稳定性及闸体结构自身静、动力稳定性影响愈大，同时对桩基础的稳定性也会产生影响[7]，从设计优化角度考量，桩径设计为1200 mm综合技术优势最大，更利于船闸基坑工程的建设及闸室的运营。

4 结 论

(1)桩体直径愈大，桩身水平位移愈小，桩径每样次增大100 mm，桩体最大位移平均减少18.8%，但桩径在超过1200 mm后，桩体水平位移受抑制减弱；桩径低于1200 mm时，桩体水平位移呈“递增-稳定”变化，峰值位移位于桩深12 m处，而桩径超过1200 mm时，呈“先增后减”状态，峰值位移位于靠近桩底18 m。

(2)桩径低于1200 mm时，基坑沉降随时间呈先增后减变化，而在桩径1300 mm、1400 mm呈“双增”阶段特征，且第二阶段增幅低于第一阶段；随桩径每梯次增大100 mm，基坑最大沉降平均减少12.1%，但变幅在桩径1300 mm、1400 mm后仍为减弱。

(3)桩径愈大，闸身沉降愈小，运营时间愈长，桩径对闸身沉降影响愈弱；桩径低于1200 mm时，闸身沉降在运营时间60 d后才具增幅，反之在桩径超过1200 mm后闸身沉降呈稳定递增，且在运营时间60 d后具有陡增态势。

(4)综合桩径对基坑变形影响，认为桩径控制在1200 mm更为合理。