淺談現(xiàn)代城市水利工程施工中的圍堰支護

淺談現(xiàn)代城市水利工程施工中的圍堰支護

近年來，隨著城市化進程的快速發(fā)展，現(xiàn)代城市水保護工程的建設(shè)蓬勃發(fā)展，城市建設(shè)用地的缺乏受城市發(fā)展空間的限制。越來越多的水利工程被建造在人口密集的現(xiàn)代城市居住區(qū)、公共和商業(yè)建筑以及地下管道的密集地區(qū)。在基底施工過程中，可能會發(fā)生很大的位移和沉降，這將影響周圍建筑和地下管道。同時，水利工程建設(shè)中的主要任務(wù)是筑壩蓄水，創(chuàng)造干區(qū)建設(shè)條件。河流兩岸的布置空間非常有限。特別是當河流兩岸的建筑密集，河流不能通過河流建設(shè)時，傳統(tǒng)的建筑工藝很難滿足城市節(jié)水水保護的需要。因此在現(xiàn)代城市水利工程建設(shè)中,施工布置空間狹小與建筑物功能多樣性之間的矛盾日趨突出。結(jié)合某城市水閘增設(shè)泵站工程設(shè)計實例,通過對圍堰和基坑支護結(jié)構(gòu)布置方案的優(yōu)化比選及相關(guān)理論計算,探討適用于狹窄空間的施工導流及基坑開挖方案布置,為類似水利工程施工方案設(shè)計提供參考。1現(xiàn)有泵站與現(xiàn)有控制水位分布某5孔水閘工程布置于城區(qū)河道右岸,為滿足河道防洪排澇要求,需在河道左岸緊鄰水閘位置新建一座泵站。根據(jù)泵站總體布置情況,泵站邊墻距離現(xiàn)有水閘閘墩間距約25m,泵站基坑最大開挖深度約8.5m。新建泵站與現(xiàn)有水閘相對位置見圖1。在施工導流建筑物設(shè)計時,上、下游圍堰位置場地開闊,圍堰布置不受場地限制,而縱向圍堰布置空間有限,且基坑開挖較深,因此如何在狹窄空間中進行縱向圍堰布置為該工程施工導流設(shè)計的關(guān)鍵難點。2砂性土層的防滲根據(jù)地質(zhì)勘查報告,工程區(qū)域內(nèi)地下水主要為孔隙潛水,主要存在于砂礫層中,地基砂性土層滲透系數(shù)較大,施工期防滲問題突出。場地土層自上而下分別為:人工填土、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉細砂、中砂、含礫粗砂、礫砂及泥質(zhì)粉砂巖等,各土層物理力學指標見表1。3防接合劑根據(jù)主體建筑物布置情況及工程區(qū)域施工場地條件,該工程施工導流考慮在新建泵站上下游修筑橫向圍堰擋水,橫向圍堰與河道左岸現(xiàn)有堤防相接;考慮到新建泵站與現(xiàn)有水閘之間尚有一定距離,除水閘閘墩及泵站側(cè)交通橋連接段能滿足施工期擋水要求外,其它位置現(xiàn)狀高程較低,泵站與水閘連接部位后期填高作為泵站安裝間,為滿足施工初期擋水及基坑開挖要求,考慮在新建泵站與已建節(jié)制閘之間填筑縱向圍堰與水閘交通橋連接段相接,形成封閉的干地施工區(qū)域,期間利用現(xiàn)有5孔水閘導流,后期拆除圍堰進行場地加高。3.1上、下游圍堰的填土結(jié)構(gòu)新建泵站上、下游場地開闊,圍堰布置不受空間限制,同時考慮圍堰填筑料源及進場運輸條件,本著因地制宜、施工快捷的原則,為充分利用工程開挖料,節(jié)約工程投資,上、下游圍堰采用常規(guī)的填土結(jié)構(gòu)型式。3.1.1圍堰堰基防滲根據(jù)工程區(qū)域圍堰位置地質(zhì)條件,堰基土層多為粉細砂、中砂及粗砂等,滲透性強,且分布較深,易產(chǎn)生基坑滲透變形,因此在圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計上,圍堰自身及堰基的防滲問題尤為重要。根據(jù)以往砂性地基防滲處理經(jīng)驗,圍堰堰基采用高噴防滲墻進行防滲處理,以隔斷施工期堰基基坑外的水流滲透通道,堰身采用防滲效果較好的黏土料填筑。圍堰填筑時,先在非汛期填筑防滲墻施工平臺,并使之出水至17.50m高程以擋非汛期5a一遇洪水位,隨后進行防滲墻施工,防滲墻深入下部基巖面50cm,墻厚根據(jù)滲透穩(wěn)定計算結(jié)果取60cm。待防滲墻施工完成后,繼續(xù)加高圍堰至設(shè)計頂高程23.0m以擋全年10a一遇洪水位。圍堰頂寬根據(jù)堰頂交通要求確定為8m,防滲墻施工平臺頂寬6m,兩側(cè)邊坡坡比均為1∶2。3.1.2數(shù)據(jù)分析方法圍堰穩(wěn)定分析按最不利工況進行計算,工況組合為:圍堰填筑完成,外側(cè)遇10a一遇高水位21.50m,基坑側(cè)無水,堰頂考慮行車荷載15kPa的工況。穩(wěn)定分析計算采用瑞典條分法,計算公式為:K=MRMS=∑(cili+Wcosθitanφi)∑Wsinθi(1)Κ=ΜRΜS=∑(cili+Wcosθitanφi)∑Wsinθi(1)計算過程中,忽略滲透水壓力和孔隙水壓力的作用,水壓力按總應(yīng)力法考慮。經(jīng)計算,圍堰整體總的下滑力為1706.539kN,總的抗滑力為2313.352kN,最不利滑動面滑動半徑為28.223m,圍堰整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.356,大于1.05,滿足規(guī)范設(shè)計要求,表明圍堰設(shè)計斷面是合理的。3.2縱向圍堰設(shè)計考慮到縱向圍堰布置空間有限,且基坑開挖深度較深,若采用傳統(tǒng)的圍堰結(jié)構(gòu)型式,圍堰斷面占地空間較大,且無法進行常規(guī)的基坑放坡開挖,因此在縱向圍堰設(shè)計上,應(yīng)盡量減小圍堰斷面,同時滿足泵站深基坑開挖支護要求。3.2.1基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案根據(jù)縱向圍堰的實際施工條件,為解決在這種空間狹窄場地的圍堰布置及基坑開挖難題,本文擬定兩種設(shè)計方案。方案1:采用鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)型式,基坑側(cè)在現(xiàn)狀地面預(yù)留3m寬的護道,護道外以1∶1.5～2.0的坡比放坡并進行泵站基坑開挖。圍堰斷面型式見圖2。方案2:采用斷面相對較小的袋裝土圍堰結(jié)構(gòu)型式,在圍堰堰腳處設(shè)置基坑圍護樁結(jié)構(gòu),進行基坑垂直開挖,支護結(jié)構(gòu)在滿足基坑穩(wěn)定的同時,兼做圍堰堰身的穩(wěn)定抗滑樁。圍堰及圍護結(jié)構(gòu)斷面型式見圖3。3.2.2結(jié)構(gòu)形式及經(jīng)濟效益分析在確定該工程縱向圍堰結(jié)構(gòu)時主要考慮了以下因素:①圍堰斷面結(jié)構(gòu)滿足空間布置要求;②圍堰結(jié)構(gòu)充分利用當?shù)靥烊徊牧?③施工方便快捷;④滿足泵站深基坑開挖支護要求;⑤圍堰工程造價低。上述初擬的兩種圍堰斷面結(jié)構(gòu)型式均能滿足縱向圍堰的空間布置要求,均具有可行性。兩種圍堰方案特點分述如下。方案1:圍堰斷面小,場地實用性強,布置較為靈活,鋼板樁可作為基坑側(cè)的開挖支護結(jié)構(gòu);圍堰堰室填土雖可利用工程區(qū)天然土料進行填筑,但圍堰鋼板樁用量較大,因該地區(qū)較少使用施工鋼板樁,需從外地租賃調(diào)入,材料運輸及租賃成本較高,且鋼板樁施工程序復雜,對施工工藝要求較高。根據(jù)擬定的圍堰斷面型式,圍堰單米造價約8.7萬元。方案2:圍堰斷面相對較小,能滿足工程空間布置要求,需在基坑側(cè)設(shè)置圍護樁結(jié)構(gòu)進行基坑支護;可充分利用當?shù)亓显催M行填筑,施工工藝簡單,施工方便、快捷,工程造價較低,圍堰單米造價約7.5萬元。根據(jù)上述兩斷面結(jié)構(gòu)自身特點及工程施工條件,結(jié)合工程材料供應(yīng)情況,本著因地制宜、布局合理、降低投資等原則,綜合考慮經(jīng)濟、技術(shù)等因素,推薦方案2為該工程縱向圍堰布置方案。3.2.3縱向圍堰防滲由于縱向圍堰布置空間有限,根據(jù)上述技術(shù)、經(jīng)濟因素綜合比較,考慮采用斷面相對較小的袋裝土圍堰結(jié)構(gòu),基坑側(cè)在支護樁結(jié)構(gòu)保護下進行垂直開挖。在縱向圍堰設(shè)計時,亦存在圍堰堰基及堰身的防滲處理問題,圍堰堰基及交通橋連接段同樣采用高噴防滲墻進行防滲處理,考慮袋裝土防滲能力較差,堰身采用防滲土工膜進行防滲,為防止堰身與堰基防滲結(jié)構(gòu)接合薄弱面出現(xiàn)滲水通道,在接合處設(shè)置黏土回填區(qū),將堰身防滲土工膜深入至該區(qū)域與防滲墻內(nèi)壁緊貼?？v向圍堰防滲結(jié)構(gòu)與上下游橫向圍堰防滲體系相接,形成封閉的防滲系統(tǒng),以阻斷施工期基坑外滲水?？v向圍堰填筑先在非汛期填筑施工平臺出水,隨后進行堰基、交通橋段防滲墻以及圍堰基坑側(cè)支護結(jié)構(gòu)施工,待防滲墻及支護結(jié)構(gòu)施工完成后加高圍堰至設(shè)計頂高程23.0m。圍堰填筑完成后,在圍堰及圍護結(jié)構(gòu)的保護下進行基坑開挖工作?？v向圍堰頂寬3m,圍堰基坑側(cè)邊坡坡比為1∶1.4,迎水側(cè)邊坡坡比為1∶1,施工平臺頂寬6m,兩側(cè)邊坡坡比均為1∶1.5。圍堰基坑側(cè)支護樁結(jié)構(gòu)根據(jù)支護剛度計算成果采用鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu),鉆孔灌注樁直徑1.2m、間距1.4m,樁長22m。3.2.4結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的計算3.2.4.基坑側(cè)無水圍堰穩(wěn)定分析按最不利工況進行計算,工況組合為:圍堰填筑及基坑開挖完成,外側(cè)遇10a一遇高水位21.50m,基坑側(cè)無水。穩(wěn)定分析計算采用瑞典條分法,計算公式采用公式(1),計算過程中,忽略滲透水壓力和孔隙水壓力的作用,水壓力按總應(yīng)力法考慮。經(jīng)計算,圍堰整體總的下滑力為417.018kN,總的抗滑力為455.373kN,最不利滑動面滑動半徑為8.132m,圍堰整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.092,大于1.05,滿足規(guī)范要求。3.2.4.結(jié)構(gòu)內(nèi)力組合(1)計算條件。圍護結(jié)構(gòu)沿基坑水閘側(cè)取單位長度按彈性地基梁計算,地層對灌注樁的作用采用等效彈簧進行模擬,防滲墻等效為灌注樁后防滲帷幕。圍護結(jié)構(gòu)開挖階段計算時計入結(jié)構(gòu)的先期位移值以及支撐的變形,按“先變形、后支撐”的原則進行結(jié)構(gòu)分析,并計算內(nèi)部結(jié)構(gòu)各工況的內(nèi)力組合?？v向圍堰及已建水閘作用力按照結(jié)構(gòu)布置及受力情況,等效為豎向分布荷載及沿基坑方向作用的力矩。(2)支護樁頂位移及沉降計算?；又ёo樁布置于圍堰堰腳,且距已建水閘距離很近,基坑變形會影響到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。根據(jù)《基坑工程技術(shù)規(guī)范》,確定水閘側(cè)地面最大沉降量為10cm,樁頂最大水平位移不大于0.5%H(H為基坑深度)。由計算結(jié)果知,地表最大沉降量為79mm,小于100mm,樁頂最大水平位移為40.5mm,小于41mm,滿足該工程設(shè)計位移及沉降要求。經(jīng)計算,支撐結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力為126.61kN;樁體最大彎矩為897.85kN·m,最大剪力為363.73kN。另外,進行了抗傾覆、抗隆起和抗管涌穩(wěn)定性驗算,均滿足要求。綜上所