大型调水泵站深基坑支护模型计算分析

许正松 尚俊伟 杨子江

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230601）

1 引言

随着我国综合国力、城市发展水平的大幅提高，水利工程建设也得到了快速发展。南水北调东线一期工程作为一项关系国计民生的长距离调水工程，可以有效解决我国北方地区水资源紧缺问题。该项工程利用多座大型输水泵站梯级调水，这些泵站不仅规模大，而且大多数建设条件复杂，受多种因素制约，设计、施工都极具挑战性。本文以南水北调东线一期工程的第七级泵站—台儿庄泵站深基坑设计为例，对其支护方案进行数值模拟，对比支护方案理论计算值与实际观测值的一致性，分析设计中各种计算参数及措施选择的合理性。

2 工程概况

台儿庄泵站地处山东省枣庄市台儿庄区境内，站址位于韩庄运河与月河之间的老船闸处，船闸南侧为韩庄运河滩地，场地开阔平坦，北侧紧靠韩庄运河大堤（2 级堤防），堤外为台儿庄城区，韩庄运河大堤堤顶有交通要求，且承担着台儿庄城区及鲁西南地区防洪任务，地位十分重要[1]。

根据工程设计，泵房及进水池翼墙的建基面高程为8.2m，其中与韩庄运河大堤中心线距离最近的是进水池翼墙，两者之间的平面尺寸仅为43m，而韩庄运河大堤堤顶高程为33.0m，与建基面高差约25m。根据地质报告，该工程临时开挖坡比宜在1∶2以上，若放坡开挖基坑，势必会挖除部分韩庄运河大堤堤身，考虑到韩庄运河大堤为2 级堤防，其堤后即是台儿庄城区，防洪地位十分重要，且本工程需跨汛期施工，为不影响韩庄运河大堤防洪安全，维持堤顶道路正常交通，施工期间需保持大堤的完整性。

因此，在不影响韩庄运河大堤防洪安全的条件下，为达到施工方便、施工安全的目的，泵房及进水池北侧翼墙基坑开挖需采取适当的支护措施。根据主体工程布置及现场地形条件，结合类似工程经验，进水池北侧翼墙基坑开挖采用灌注桩结合双层预应力锚杆支护。

3 基坑支护设计

由于基坑开挖深度较大，为保证施工安全，减少工程造价，设计的总体原则是在满足基坑边坡稳定的前提下，尽量降低支护系统垂直挡土高度。故对该段基坑采用上部放坡开挖结合下部垂直支护开挖的方式，即从高程28.2m 平台（韩庄运河堤防与台儿庄船闸之间平台）按坡比1∶2 放坡开挖至高程18.5m，并在高程22.0m 及高程18.5m 预留宽2～3m 的马道，高程18.5m 以下采用钻孔灌注桩及两道预应力锚杆支护后垂直开挖至建基面，并在高程18.5m 以上的坡面采用50mm 厚水泥砂浆护面。另外为减小基坑支护系统挡土压力，在高程23.0m 平台设深井降低基坑地下水位，井距约25～35m。基坑支护系统剖面见图1。

图1 基坑支护剖面图

基坑支护灌注直径0.8m，间距1.0m，桩顶设冠梁，冠梁顶高程为18.5m，支护桩嵌入基岩1.8m 左右，灌注桩混凝土强度等级为C25，冠梁混凝土强度等级为C30。第一层锚杆锚头中心高程为15.5m，锚杆材料为3 束7φ5的钢绞线，第二层锚杆锚头中心高程为12.2m，锚杆材料 为1 根φ28 的Ⅱ级钢筋，锚杆与水平方向的夹角为 15°，水平间距2.0m，锚杆钻孔直径不小于0.159m，注浆体材料采用水泥砂浆，其强度等级为M20。

4 建模计算

根据台儿庄泵站进水池基坑支护系统的总体布置情况，采用GTS NX 软件对基坑设计中最关键的边坡整体稳定以及位移情况进行模拟计算。

4.1 计算方法

4.1.1 边坡整体稳定分析

土坡的整体稳定性分析一般都是基于岩土塑性理论，边坡的变形和发展都处于塑性阶段，直至坡体破坏，边坡失稳在力学上主要是一个强度问题[2]。根据以上理论，本次模拟土体选用摩尔-库伦本构方程，计算边坡整体稳定采用强度折减法（SRM），其基本思想是折减土体的强度参数c 和tanφ，直至土体发生破坏，最终降低比值即是安全系数FS。

强度折减法不必预先假定滑动面，不需条分，可以自动搜索最危险的潜在滑动面，并且不受复杂的地层状况、边坡形状、材料不均匀性等因素的限制，其核心思想比较符合工程实际。

4.1.2 位移计算

位移计算选择线性静力法计算，该方法利用土体所赋予的基本参数直接计算出模型在各个方向上的位移值，由于模型边界条件和土体材料实际情况有差别，计算值与实测值有所偏差，但基本能够反映出结果的状态，同时因其计算快捷，在工程实际中得到广泛应用。

4.2 参数选取

根据地质报告，工程场区勘探深度内揭露地层自上而下共分七大层，各层土主要物理力学性质参数见表1。第⑦层为基岩，在勘探深度内，场区下伏基岩为奥陶系马家沟组（Om）石灰岩，灰黑色～黑色，夹少量的黄色泥质灰岩，裂隙发育，其压缩模量60000MPa，泊松比0.27，粘聚力c=300kPa，内摩擦角φ=22°。

表1 各土层参数表

土的变形模量是在原位现场测得的，是土在无侧限的情况下应力与应变的比值，相当于理想弹性体的弹性模量，由于土不是完全意义上的弹性体，故采用变形模量E 是可以比较准确地反映土体在天然状态下的变形，其一般通过压缩模量E0和泊松比v 换算得到[3]。

4.3 荷载施加

基坑支护系统中需要提前施加的外荷载就是两道锚杆的预应力，设计第一道预应力锚索锚固段长7m，自由段长5m，计算设计荷载为185.98kN；第二道预应力锚杆锚固段长5m，自由段长5m，计算设计荷载为130.19kN。由规范规定的张拉控制荷载宜为设计荷载的0.9～1.0 倍，该工程实际施工按1.0 倍控制，最终锁定值根据土层性质和变端形要求放张后取设计荷载的0.6 倍，分别为111.50kN 和78.11kN。建模时将两道预应力锚杆模拟为一维植入式桁架单元，分别提前施加相应的锁定值。

地下水压力考虑降水井作用，模拟其水位在基面以下0.5m，不考虑水流的渗透作用，按照静水压力作用在支护系统上。

5 计算结果

基坑边坡整体稳定和位移计算主要通过改变支护系统的相关型式和实际支护型式进行对比，分析对整体稳定结果和位移值的影响。

5.1 实际支护

支护系统完全与实际设计相一致进行模拟，其整体抗滑稳定和位移计算结果见图2 和图3。

图2 整体抗滑稳定1 图

图3 位移1 图

5.2 不考虑冠梁作用支护

支护系统不考虑灌注桩顶部冠梁的连接作用进行模拟，其整体抗滑稳定和位移计算结果见图4 和图5。

图4 整体抗滑稳定2 图

图5 位移2 图

5.3 不考虑预应力锚杆作用支护

不考虑预应力锚杆作用，仅依靠灌注桩支护进行模拟，其整体抗滑稳定和位移计算结果见图6 和图7。

图6 整体抗滑稳定3 图

图7 位移3 图

三种支护方式下基坑边坡的整体抗滑稳定计算值和灌注桩桩顶位移值统计见表2。

表2 整体稳定及位移计算值统计表

6 计算分析

在实际基坑开挖、挡墙施工期间，通过对支护系统的实际监测，灌注桩桩顶最大位移4mm，在规范规定的10mm 范围内，基坑支护系统为保证工程的顺利实施发挥了重要的作用。模拟计算得到的整体抗滑稳定计算大于1.35，满足规范要求，位移计算结果与实际监测结果相比基本一致，模型的契合度和准确性与实际工程较为相符。

另外，通过对支护系统中冠梁、预应力锚杆的不同组合模拟，可以看出冠梁、预应力锚杆在支护系统中均有利于增加边坡整体稳定和控制位移量。相比较而言，预应力锚杆的作用要更为显著、突出，并且其工程投资增加有限。因此在本例的深基坑支护设计中采用“锚杆+灌注桩+冠梁”的联合支护的方式能够达到投资增加不多的情况下，更有效地确保工程安全。

7 结论

通过台儿庄泵站工程深基坑支护设计实例模拟计算分析总结如下：

（1）GTX NX 数值模拟计算是一种不同于传统基坑支护设计计算的新方法，建模后具有计算快速、直观的优点，计算结果与实际接近，模型的适用性得到了验证。

（2）模型计算结果的准确性与边界条件、材料参数的取值密切相关，尤其是土的变形模量、粘聚力、内摩擦角等主要参数应谨慎选择，避免出现基础性错误。

（3）深基坑支护系统中，土体中锚杆预应力锁定值应考虑支护后临空面变形预留值，根据土体性质综合确定，从而保证土锚持力和变形的可靠性。

（4）本文模型的位移计算采用线性静力计算与土体本身的性质有所差别，与工程实际之间存在误差，需要进一步试验、修正计算方法，提高计算结果的精度■