姜 燕，楊光華，，謝志杰，周沛棟，李 俊

(1. 廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2. 廣東省巖土工程技術研究中心，廣東 廣州 510635；3. 華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641；4. 廣東省源天工程有限公司，廣東 增城 511340)

1 概述

水利工程一般地處較偏遠、開闊地帶，場地富余，以往基坑工程一般采用大放坡形式，造價低，施工簡單方便。近年來，水利工程升級改造力度不斷加大，出現(xiàn)了大量的擴改建工程，由于征地及整體規(guī)劃要求，新建工程往往緊鄰建筑物，且需同時確保已有建構筑物的正常運行。水利工程往往水頭高，地質復雜，圍堰基坑支護結構需要同時滿足圍護期間的防汛要求，新時期擴改建水利工程對水利圍堰及基坑支護提出了新的挑戰(zhàn)。

以清遠二線船閘工程為例，其基坑支護及圍堰工程技術復雜，基坑開挖深度大，水頭高，左右岸存在高差，工程地質較差，存在砂層、軟土、溶洞等不良土層，基坑圍護結構距已建一線船閘最近僅1 m，基坑開挖支護結構需兼做圍堰，且同時滿足防洪功能、結構安全、滲透安全等，本工程采用了一種雙排樁(墻)與門架或扶壁式擋墻結構相結合的支護結構，雙排樁(墻)用來抵擋基坑外側的水土壓力，擋墻結構滿足洪水期圍堰的擋水要求，擋墻底板作為雙排樁的連接板，從而將建筑基坑與水利堤岸結構的形式相結合，在滿足基坑開挖要求的同時兼做施工擋水圍堰，是一種組合式新形支護結構。文獻[1～4]對雙排樁(墻)支護結構的船閘基坑進行了分析計算，文獻[5～6]對雙排樁計算模型進行了探討和改進，以上研究均是針對比較單一的支護結構，目前，國內外對此種組合結構在水利船閘深基坑中的應用研究鮮有報道。

本文結合清遠水利樞紐二線船閘升級改造工程，采用MIDAS-GTS軟件，考慮施工全過程，對新建二線船閘的圍堰及基坑支護新形式進行了全過程數(shù)值計算，通過實際監(jiān)測結果驗證了圍堰基坑計算的合理性及方案的可行性，并提出了優(yōu)化建議，以期為復雜水利基坑工程設計與施工提供借鑒。

2 工程概況及地質

2.1 工程布置

為提高北江干流航道的通航能力，在清遠水利樞紐(大(1)型)新建1 000 t級二線船閘，并將航道等級提高為Ⅲ級。船閘規(guī)模為220 m×34 m×4.5 m。二線船閘布置在一線船閘(已建)右側，兩閘平行布置，中心間距為90 m。鳥瞰示意見圖1，總平面布置見圖2。

根據(jù)清遠水利樞紐的防洪標準，二線船閘的上游全年圍堰建筑物級別為2級，洪水標準為50年一遇，堰頂高程為19.82 m。下游全年圍堰建筑物級別為4級，洪水標準為10年一遇，堰頂高程為13.91 m，采用國家85高程系統(tǒng)。圍堰導流標準見表1所示。

2.2 二線船閘圍堰基坑支護形式

二線船閘基坑開挖采用垂直支護方式，從上游引航道進口至下游引航道出口全長約473 m?；又ёo平面布置如圖3所示[7]。

上游導航墻段、上閘首段采用地下連續(xù)墻+上部門架+混凝土內撐垂直支護結構，墻厚為1.2 m?；蛹把唔敻叱虨?7.52～19.82 m，最低開挖面高程為-1.52～-8.64 m，凈寬為65.5 m?；幼蟀恫捎秒p排墻，墻距5.15 m，右岸采用單排墻，墻底高程為-27.0 m。支撐間距為6 m，沿支撐方向設置7排立柱，支撐跨度為6.5～8.5 m，對撐截面尺寸為0.95 m×1.3 m；基坑豎向設置1～3道支撐。典型支護斷面見圖4所示。

閘室段、下閘首段采用地下連續(xù)墻+上部門架或扶壁式胸墻+混凝土內撐結構，基坑及堰頂高程為13.91 m，最低開挖面高程為-11.54 m。基坑左岸采用雙排墻，前排墻厚為1.2 m，后墻厚為1.0 m，墻距為16.0 m，前后墻在5.0 m高程處采用厚1.2 m的混凝土板連接，右岸采用單排地下連續(xù)墻。基坑豎向設置2道支撐，混凝土支撐橫向間距為6 m，沿支撐方向設置5排立柱，支撐跨度為13.5 m，對撐截面尺寸為1.2 m×1.2 m，基坑內側采用Φ800高壓旋噴樁加固。典型支護斷面見圖5所示。

下游引航道段采用雙排連續(xù)墻+扶壁胸墻+坑內加固進行垂直支護，墻厚1.2 m，左岸采用雙排地下連續(xù)墻，右岸采用單排墻，堰頂高程為13.91 m，最低開挖面高程為-4.04 m?；幼蟀恫捎秒p排地連墻支護，前排墻厚為1.2 m，后墻厚為1.0 m，墻距為14.9 m，凈距為13.8 m，前后墻在5.0 m高程以1.2 m厚混凝土板連接，基坑外側連續(xù)墻上部接C30鋼筋砼胸墻，壁厚為1 m，胸墻后設置壁厚為0.5 m間距為4 m的鋼筋砼肋板，連續(xù)墻之間采用格構式高壓旋噴樁加固，基坑內側采用格構式三軸水泥攪拌樁加固；右岸為放坡開挖。典型支護斷面見圖6所示。

基坑上下游兩端短邊采用放坡開挖的形式。

圖6 下游全年圍堰典型斷面示意(下游引航道段)

2.3 地質情況及參數(shù)

根據(jù)勘察資料[8]，場地表層為填砂、填土，稍濕，松散，滲透性中等～強，開挖面以上穩(wěn)定性較差；場地內主要巖土層為：

1a層素填土：以粘性土為主，灰褐色，軟塑為主，土質不均，含少量生活垃圾，局部含碎石。

1b層填砂：以中粗砂為主，部分為粉細砂，灰黃色，稍濕，松散～稍密。主要于分布于上游引航道段，揭示層厚約2.1 m。

1-1層粉質粘土：軟塑～可塑；1-3層中粗砂：松散，地基承載力一般，中等～強滲透性；2-2層淤泥質粉質粘土：流塑～軟塑，不透水～微透水；2-3層粉細砂層，稍密～中密，滲透性中等～強，穩(wěn)定性較差；3-2層淤泥質粉質粘土，流塑-軟塑，承載力較差，不透水～微透水；4-1、4-3層圓礫土、卵石土，中密～密實，承載力較好，滲透性強。

下伏基巖主要為泥盆系天子嶺組中風化灰?guī)r(6-3，局部有溶洞)、炭質頁巖及砂巖(7-2)，地基承載力較好，透水率大部分小于3 Lu，巖溶管道型漏水問題不突出。

船閘主體結構段地質縱剖面見圖7。

二線船閘主體結構建基面位于2-3層粉細砂層，建基面以上為1-3、1b中粗砂層和2-2層淤泥質粉質粘土。淤泥質粉質粘土分布較廣，上游引航道段及閘室區(qū)層厚較厚，為2.5～12.1 m，下游引航道埋層厚中等，為0.9～10.4 m。

建基面以下為4-3層卵石層和強、中風化巖。

地質條件總體上為砂層、卵石層透水性強，淤泥質粉質粘土層物理力學指標差。主要物理力學參數(shù)見表2。

3 圍堰基坑支護計算分析

由于工程基坑與圍堰相結合，支護結構復雜，存在錨筋等預應力結構，且基坑兩岸支護結構及荷載均不對稱，采用常規(guī)計算方法無法準確模擬支護結構受力及施工順序，故采用有限元軟件MIDAS-GTS進行模擬計算。同時，按增量法思想[9],模擬施工過程。

3.1 關于支撐拆除工況的說明

對于上下游支護斷面，第二、三層支撐均留在結構地板中不予拆除，第一層水平支撐需待閘首、閘室或導航墻結構底板混凝土澆筑完畢達到強度后，上游水位為正常蓄水位時拆除，拆除支撐后水土壓力由二線船閘結構承擔，在基坑支護計算中不考慮支撐拆除工況。

3.2 圍堰基坑位移控制標準

位移控制標準參考廣東省《建筑基坑支護技術規(guī)程》(DBJ/T15-20-2016)，當基坑開挖范圍內有需要保護的重要建筑物，基坑等級為1級，最大水平位移控制值為30 mm；當基坑1倍基坑深度范圍內無重要的建筑物，基坑等級為2級，最大水平位移控制值為50 mm。其中二線船閘基坑緊鄰一線船閘位置位移控制值取30 mm，其余按50 mm控制。

3.3 計算參數(shù)

計算參數(shù)取值見表3。

3.4 計算模型

采用梁單元模擬地下連續(xù)墻及墻之間的連板，采用實體模擬土層，土體采用修正摩爾-庫倫模型，梁為彈性體，模型左右施加法向約束，底部施加固定約束?？紤]荷載對地下連續(xù)墻的不利影響，砂土層采用水土分算，粘土層采用水土合算，水壓力按全水頭荷載施加，開挖過程中按增量的形式施加上去，水壓力施加在后排連續(xù)墻上。

施工順序模擬過程：①計算模型自重應力場并將位移清零；②進行地下連續(xù)墻施工； ③進行基坑的開挖和支撐體系的施工。

3.5 計算結果

1) 上閘首導航墻段

典型支護結構模型見圖4所示，上閘首導航墻段有限元模型及地層情況如圖8所示。參數(shù)根據(jù)表3選取。本計算工況為在圍堰及第一道支撐完成后，水位達到洪水位12.91 m，然后再進行基坑開挖的工況。

洪水位下基坑開挖到底時支護結構位移情況見圖9，彎矩情況見圖10所示?；痈鏖_挖步下連續(xù)墻位移彎矩、支撐位移及軸力情況見表4所示。

注：面向下游方向，基坑左岸為左側，右岸為右側。

由圖9、10及表4可知，上游導航墻段基坑支護結構的最大水平位移為23.1 mm，小于位移控制值。左岸連續(xù)墻前墻的最大彎矩計算值為778 kN·m，小于設計值1 069.75 kN·m；后墻的最大彎矩設計值為697 kN·m，小于設計值958.38 kN·m，單位寬度支撐最大軸力為953 kN，發(fā)生于第三道撐，按支撐間距6 m計算，支撐軸力計算值為5 718 kN，小于設計值 7 862.25 kN，支護結構安全。

2) 下閘首段

典型支護結構模型見圖5所示，地層情況見圖11所示。參數(shù)根據(jù)表4選取。 本剖面按設計要求在枯水期洪水位下開挖?？紤]2種計算工況，分別為：

工況1：在圍堰完成后，下游水位到達枯水期洪水位10.0 m，然后進行基坑開挖。

工況2：下游水位到達枯水期洪水位10.0 m時完成第一道撐，水位升至設計洪水位12.91 m，然后進行基坑開挖。

工況1下支護結構位移情況見圖12，彎矩情況見圖13。工況2下支護結構位移情況見圖14，彎矩情況見圖15。2種工況下基坑開挖到底時連續(xù)墻位移彎矩、支撐位移及軸力情況見表5。

注：面向下游方向，基坑左岸為左側，右岸為右側。

由圖12～15及表5可知，左岸基坑支護結構最大水平位移38.4 mm，右岸基坑支護結構的最大水平位移為32.0 mm。左岸連續(xù)墻的最大彎矩計算值為1 630 kN·m，小于設計值2 037.5 kN·m，右岸連續(xù)墻的最大彎矩計算值為1 490 kN·m，小于設計值1 862.5 kN·m，支撐最大軸力計算值為865 kN，按照支撐間距4.25 m考慮，軸力計算值為3 676.25 kN，小于設計值4 595.3 kN，支護結構安全。

3) 下游引航道段

典型支護結構模型見圖6，上閘首導航墻段有限元模型及地層情況見圖16，參數(shù)根據(jù)表3選取。

下游引航道段進行了3種工況計算，分別是：

工況1：圍堰、高壓旋噴樁及攪拌樁加固完成后，下游水位到達洪水位12.91 m，然后開挖至基坑底的工況，坑底標高為-4.04 m。

工況2：圍堰、高壓旋噴樁及攪拌樁加固完成后，下游水位到達洪水位12.91 m，基坑不開挖的工況，也即在洪水位下基坑不開挖，坑內地面標高為5.0 m。

工況3：圍堰、高壓旋噴樁及攪拌樁加固完成后，下游水位到達枯水期洪水位10.0 m(按照一線船閘下游圍堰枯水期10年一遇洪水計算水位)，開挖至基坑底的工況，也即在枯水期10年一遇洪水位下開挖到基坑底，坑底標高為-4.04 m。

由于下游引航道與下閘首相接斷面設置了連續(xù)墻封閉，故上述工況的水壓力僅按基坑外洪水水位與基坑內開挖面的水頭差計算，不考慮閘室段開挖對坑內水位的影響。

① 工況1計算結果

該工況基坑支護結構計算成果見表6，基坑支護結構的位移見圖17，連續(xù)墻彎矩見圖18。

注：面向下游方向，基坑左岸為左側，右岸為右側。

由于在上游水位達到洪水位12.91 m、開挖到基坑底(-4.04 m)時，支護結構位移較大(83.3 mm)，不能滿足規(guī)范要求，故考慮在洪水來臨時不開挖基坑，在枯水期開挖基坑(枯水期洪水位按照船閘下游圍堰10年一遇計算，為10.0 m)。

② 工況2計算結果

該工況基坑支護結構計算成果見表7，基坑支護結構的位移見圖19，連續(xù)墻彎矩見圖20。

注：面向下游方向，基坑左岸為左側，右岸為右側。

由圖19～20及表7可見，圍堰頂產生的最大水平位移為18.5 mm，連續(xù)墻頂最大水平位移為17.9 mm，位移較小，滿足規(guī)范要求。連續(xù)墻的最大彎矩計算值為676 kN·m，小于設計值845 kN·m，因此，在洪水位不開挖基坑的工況下，下游引航道的基坑設計方案滿足規(guī)范要求。

③ 工況3計算結果

該工況基坑支護結構計算成果見表8，基坑支護結構的位移見圖21，連續(xù)墻彎矩見圖22。由圖21～22可見，圍堰頂產生的最大水平位移為42.5 mm，連續(xù)墻頂最大水平位移為40.4 mm，小于50 mm，位移滿足二級基坑控制要求。連續(xù)墻的最大彎矩為852 kN·m，小于彎矩設計值1 065 kN·m，因此，在枯水期洪水位下，開挖至基坑底，下游引航道的基坑設計方案滿足規(guī)范要求。

注：面向下游方向，基坑左岸為左側，右岸為右側。

根據(jù)以上3種工況計算結果，建議下游引航道斷面開挖選擇在枯水期開挖，并在洪水來臨前回填至5.0高程。

4 監(jiān)測結果

二線船閘圍堰基坑的監(jiān)測點布置見圖23所示，其中上游導航墻左岸前后連續(xù)墻頂位移測點為P28、PA29，右岸測點為PB19；下閘首段左岸前后連續(xù)墻頂位移測點為P13、PA14，右岸測點為PB4；下游引航道段前后連續(xù)墻頂位移測點為P8、PA9。目前，基坑已經全部施工完成，船閘已通航，截止2019年5月16日，各測點最大監(jiān)測位移值見表9。

注：左前為左岸前墻；左后為左岸后墻；右為右岸；向坑內位移為正。

從表9可以看出，上游導航墻段左岸實測位移最大值為24.7 mm，右岸實測最大位移為14.5 mm，與計算值較為接近；下游引航道左岸實測最大值為51.6 mm，與計算值較為接近；下閘首段實測值最大值僅為6.7 mm，比計算值小許多，主要是因為下閘首施工時為枯水期枯水位，與計算工況的枯水期洪水位相差較多。

將計算及監(jiān)測結果進行對比可知，本設計方案是可靠可行的，計算方法是合理的，可應用于類似水利工程圍堰基坑設計。

5 結語

清遠二線船閘圍堰基坑支護結構采用了一種雙排樁(墻)與門架或扶壁式擋墻結構相結合的支護結構，雙排樁(墻)用來抵擋基坑外側的水土壓力，擋墻結構滿足洪水期圍堰的擋水要求，擋墻底板作為雙排樁的連接板，從而將建筑基坑與水利堤岸結構的形式相結合，在滿足基坑開挖要求的同時兼做施工擋水圍堰。本文通過對該圍堰及基坑支護型式進行數(shù)值計算，并與實際監(jiān)測結果對比，得到以下結論及建議：

1) 雙排樁(墻)+門架或扶壁式擋墻組合式支護形式在周邊環(huán)境及地質均較為復雜的高水頭水利圍堰基坑中應用是可行的，能夠很好地控制位移，并能滿足水利工程大壩的防滲要求，可為類似水利工程圍堰基坑提供借鑒；

2) 圍堰基坑第一道支撐的施工時間至關重要，應在地面以上圍堰施工前完成第一道支撐的施工，對圍堰的堰腳提供支撐作用。避免先完成圍堰擋水后再開挖施工第一道支撐，從而產生較大位移，對周邊建筑物造成較大影響。從目前計算成果看，在洪水到來前完成第一道撐的施工，可以較好地控制位移；

3) 采用散體布置的旋噴樁加固粉細砂層，只對垂直承載力的提高作用大，對水平向土層參數(shù)的提高作用小，基坑開挖對擋土側土體水平承載力和剛度的要求更高，而且旋噴樁質量控制困難。由于加固土體為粉細砂層，攪拌樁單價低，質量可控，建議采用格構式攪拌樁代替旋噴樁加固，并在攪拌樁和地下連續(xù)墻之間加一排旋噴樁，保證攪拌樁和地下連續(xù)墻緊密接觸，共同作用。