某水电站挡水坝段围井技术的研究

吕宝顺，高 峻，方 艳

(1.哈尔滨市西泉眼水库管理处，哈尔滨 150300;2.汤原县水务局，黑龙江 汤原 154700;3.萝北县宝泉岭农场水务局，黑龙江 萝北 154211)

1 简介

某水电站挡水坝段基础覆盖层开挖拟借鉴工业与民用建筑及市政工程应用较多的围井技术进行开挖与混凝土浇筑，围井就是在覆盖层基础上直接造防渗墙，然后采用逆作法挖除防渗墙所围的覆盖层，一边下挖，一边进行支撑，开挖至建基面后，回填混凝土至设计高程。使用围井的优点是不修筑围堰即可实现大坝全年施工，围井技术在水电行业鲜见应用，因此，对大坝采用围井技术进行初步计算分析。围井布置见图1，图2。

2 围井设计标准及原则

1)根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)规定，由于本基坑为建筑物基础开挖过程中的临时基坑，开挖完毕将以混凝土回填封闭，且基坑位于河床内，不存在影响周围建筑物安全的问题，因此将基坑安全等级定为二级，其重要性系数取1.0。

2)围井及支撑的设计方法采用《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)推荐的平面竖向弹性地基梁分析方法，采用理正深基坑支护设计软件作为计算工具进行设计计算。

3)围井的设计标准根据基坑侧向变形以及连续墙结构受力状态进行确定。根据本工程的计算分析，基坑侧向变形较小，不足以影响到基坑的正常使用，因此侧重于根据连续墙的结构内力及配筋状态进行设计控制。

4)支撑的设计应结合规范要求以及施工实施等情况确定布置方案，因此支撑设计中应注意以下一些问题:①相邻支撑之间的水平距离一般≥4 m;当采用机械挖土时宜≥8 m;②竖向相邻水平支撑的净距≥3 m;当采用机械下坑挖土运输时≥4 m;③由于本工程长条矩形基坑中5个小围井地质地形情况分布不均，因此根据计算各段支撑情况布置有一定差别，为了使相邻基坑支撑结构体系的受力均匀以及基坑稳定协调，应综合考虑尽量使各层水平支撑在相同高程并且尽量使各基坑的开挖进度保持一致，但对于地质情况或者深度变化较大的部位，水平支撑高程做适当调整。

3 围井结构计算

3.1 计算内容

①围井连续墙结构的内力和变形计算(考虑分步开挖施工仿真);②围井连续墙结构的整体稳定性验算。

3.2 计算方法

本次初步计算采用理正深基坑支护软件进行平面计算，软件采用《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-99)建议的竖向弹性地基梁(板)的基床系数法(m法)进行初步分析计算。由于本工程基坑支护设计其实是一个三维的支撑体系，而该程序的平面计算仅仅能考虑支撑的平面支撑效应，因此采用该方法初步计算结果相对于实际的围井支撑体系受力情况有较大裕度。

3.3 水土压力计算原则

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-99)建议，土压力，对黏性土按水土合算方法计算;对沙性土按水土分算方法计算。

3.4 计算点的选择

本工程基坑其5个围井基坑地质地形沿长度方向变化较大，根据地勘资料分析，计算选取坝0+000.0m(横Ⅴ-3剖面)、坝0+030.0 m(B-B剖面)、坝0+060.0 m(C-C剖面)、坝0+092.5 m(D-D 剖面)、坝0+125.0 m(E-E剖面)代表5个围井进行围护支撑计算。

3.5 计算参数选取

3.5.1 土层物理力学参数采用可行性研究报告中地质提供的参数(从上至下)

含漂砂卵砾石层:γ=23.2 KN/m3，C=0 kp，φ =arctan(f)=27.7°

粉砂质黏土:γ =19 KN/m3，C=10 kp，φ =arctan(f)=19.8°

Ⅴ类岩石:γ =24 KN/m3，C=150 kp，φ =arctan(f)=33°

Ⅳ类岩石:γ =27 KN/m3，C=250 kp，φ =arctan(f)=38°

3.5.2 土的水平抗力系数的比例系数m

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-99)，在无试验资料的的情况下，结合规程经验公式(C.3.2)，以及参考书籍《深基坑支护结构与主体结构相结合的设计、分析与实例》(P164～P166)列举的各地各类土的m经验值，本工程各地层m取值:

含漂砂卵砾石层:m=30 MN/m4粉砂质黏土:m=6 MN/m4

Ⅴ类岩石:m=150 MN/m4

Ⅳ类岩石:m=250 MN/m4

3.5.3 支撑布置参数选取

根据计算分析，结合连续墙以及支撑的内力及变形分析，初步拟定基坑各段分别采用4～6层水平支撑，其布置见表1。

表1 基坑水平支撑梁布置参数表 m

其中支撑刚度kT值根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-99)附录C公式C.2.2计算

式中:kT为支撑结构水平刚度系数;α为与支撑松弛有关的系数，取0.8～1.0，计算中采用0.8;E为支撑构件材料的弹性模量，采用C35混凝土弹性模量31 500 N/mm2;A为支撑构件断面面积;L为支撑构件的受压计算长度;S为支撑的水平间距;Sa为连续墙的计算宽度，该程序计算采用连续墙单位宽度1 m作为计算宽度。初步设计方案的kT计算见表2。

3.6 计算结果分析

通过运用理正深基坑设计软件，对以上各典型设计断面的水平支撑梁进行初步计算，得出以下计算成果进行分析。

表2 基坑水平支撑梁设计参数表

根据以上计算结果，可以看出该设计方案各典型计算断面的基坑连续墙变形均较小，内力也满足配筋要求。

3.6.1 围护支撑结构内力位移包络图

包络图见图3～图7。

图3 0+000～0+030段基坑典型剖面围护地连墙内力位移包络图

图4 0+030～0+060段基坑典型剖面围护地连墙内力位移包络图

图5 0+060～0+090段基坑典型剖面围护地连墙内力位移包络图

3.6.2 连续墙截面及配筋设计

通过计算，各典型剖面连续墙截面及配筋计算成果见表3。

4 结语

通过计算分析，在水电工程中引入围井这种技术是基本可行的，该技术的引入，为在窄河床、深覆盖层特性的河道加快建筑物的施工创造了条件。但由于该技术在水电工程中尚未有应用先例，因此，应结合水电工程特性及建筑物布置，进一步对围井技术在水电工程中的应用进行研究。

图6 0+090～0+120段基坑典型剖面围护地连墙内力位移包络图

图7 0+120～0+150段基坑典型剖面围护地连墙内力位移包络图

图1 围井平面布置图

图2 围井平面剖面图

表3 典型剖面围护连续墙配筋设计参数表

[1] 中国建筑科学研究院.JGJ120-99建筑基坑支护技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，1999.

[2] 中华人民共和国建设部.GB50007-2002建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2002.

[3] 中华人民共和国水利部.SL191-2008队水工混凝土结构设计规范[S].北京:中国水利水电出版社，2008

[4] 王卫东，王建华.深基坑支护结构与主体结构相结合的设计、分析与实例.北京:中国建筑工业出版社，2007.