浅谈现代城市水利工程施工中的围堰支护

浅谈现代城市水利工程施工中的围堰支护

近年来，随着城市化进程的快速发展，现代城市水保护工程的建设蓬勃发展，城市建设用地的缺乏受城市发展空间的限制。越来越多的水利工程被建造在人口密集的现代城市居住区、公共和商业建筑以及地下管道的密集地区。在基底施工过程中，可能会发生很大的位移和沉降，这将影响周围建筑和地下管道。同时，水利工程建设中的主要任务是筑坝蓄水，创造干区建设条件。河流两岸的布置空间非常有限。特别是当河流两岸的建筑密集，河流不能通过河流建设时，传统的建筑工艺很难满足城市节水水保护的需要。因此在现代城市水利工程建设中,施工布置空间狭小与建筑物功能多样性之间的矛盾日趋突出。结合某城市水闸增设泵站工程设计实例,通过对围堰和基坑支护结构布置方案的优化比选及相关理论计算,探讨适用于狭窄空间的施工导流及基坑开挖方案布置,为类似水利工程施工方案设计提供参考。1现有泵站与现有控制水位分布某5孔水闸工程布置于城区河道右岸,为满足河道防洪排涝要求,需在河道左岸紧邻水闸位置新建一座泵站。根据泵站总体布置情况,泵站边墙距离现有水闸闸墩间距约25m,泵站基坑最大开挖深度约8.5m。新建泵站与现有水闸相对位置见图1。在施工导流建筑物设计时,上、下游围堰位置场地开阔,围堰布置不受场地限制,而纵向围堰布置空间有限,且基坑开挖较深,因此如何在狭窄空间中进行纵向围堰布置为该工程施工导流设计的关键难点。2砂性土层的防渗根据地质勘查报告,工程区域内地下水主要为孔隙潜水,主要存在于砂砾层中,地基砂性土层渗透系数较大,施工期防渗问题突出。场地土层自上而下分别为:人工填土、淤泥质黏土、淤泥质粉细砂、中砂、含砾粗砂、砾砂及泥质粉砂岩等,各土层物理力学指标见表1。3防接合剂根据主体建筑物布置情况及工程区域施工场地条件,该工程施工导流考虑在新建泵站上下游修筑横向围堰挡水,横向围堰与河道左岸现有堤防相接;考虑到新建泵站与现有水闸之间尚有一定距离,除水闸闸墩及泵站侧交通桥连接段能满足施工期挡水要求外,其它位置现状高程较低,泵站与水闸连接部位后期填高作为泵站安装间,为满足施工初期挡水及基坑开挖要求,考虑在新建泵站与已建节制闸之间填筑纵向围堰与水闸交通桥连接段相接,形成封闭的干地施工区域,期间利用现有5孔水闸导流,后期拆除围堰进行场地加高。3.1上、下游围堰的填土结构新建泵站上、下游场地开阔,围堰布置不受空间限制,同时考虑围堰填筑料源及进场运输条件,本着因地制宜、施工快捷的原则,为充分利用工程开挖料,节约工程投资,上、下游围堰采用常规的填土结构型式。3.1.1围堰堰基防渗根据工程区域围堰位置地质条件,堰基土层多为粉细砂、中砂及粗砂等,渗透性强,且分布较深,易产生基坑渗透变形,因此在围堰结构设计上,围堰自身及堰基的防渗问题尤为重要。根据以往砂性地基防渗处理经验,围堰堰基采用高喷防渗墙进行防渗处理,以隔断施工期堰基基坑外的水流渗透通道,堰身采用防渗效果较好的黏土料填筑。围堰填筑时,先在非汛期填筑防渗墙施工平台,并使之出水至17.50m高程以挡非汛期5a一遇洪水位,随后进行防渗墙施工,防渗墙深入下部基岩面50cm,墙厚根据渗透稳定计算结果取60cm。待防渗墙施工完成后,继续加高围堰至设计顶高程23.0m以挡全年10a一遇洪水位。围堰顶宽根据堰顶交通要求确定为8m,防渗墙施工平台顶宽6m,两侧边坡坡比均为1∶2。3.1.2数据分析方法围堰稳定分析按最不利工况进行计算,工况组合为:围堰填筑完成,外侧遇10a一遇高水位21.50m,基坑侧无水,堰顶考虑行车荷载15kPa的工况。稳定分析计算采用瑞典条分法,计算公式为:K=MRMS=∑(cili+Wcosθitanφi)∑Wsinθi(1)Κ=ΜRΜS=∑(cili+Wcosθitanφi)∑Wsinθi(1)计算过程中,忽略渗透水压力和孔隙水压力的作用,水压力按总应力法考虑。经计算,围堰整体总的下滑力为1706.539kN,总的抗滑力为2313.352kN,最不利滑动面滑动半径为28.223m,围堰整体稳定安全系数为1.356,大于1.05,满足规范设计要求,表明围堰设计断面是合理的。3.2纵向围堰设计考虑到纵向围堰布置空间有限,且基坑开挖深度较深,若采用传统的围堰结构型式,围堰断面占地空间较大,且无法进行常规的基坑放坡开挖,因此在纵向围堰设计上,应尽量减小围堰断面,同时满足泵站深基坑开挖支护要求。3.2.1基坑支护结构设计方案根据纵向围堰的实际施工条件,为解决在这种空间狭窄场地的围堰布置及基坑开挖难题,本文拟定两种设计方案。方案1:采用钢板桩围堰结构型式,基坑侧在现状地面预留3m宽的护道,护道外以1∶1.5～2.0的坡比放坡并进行泵站基坑开挖。围堰断面型式见图2。方案2:采用断面相对较小的袋装土围堰结构型式,在围堰堰脚处设置基坑围护桩结构,进行基坑垂直开挖,支护结构在满足基坑稳定的同时,兼做围堰堰身的稳定抗滑桩。围堰及围护结构断面型式见图3。3.2.2结构形式及经济效益分析在确定该工程纵向围堰结构时主要考虑了以下因素:①围堰断面结构满足空间布置要求;②围堰结构充分利用当地天然材料;③施工方便快捷;④满足泵站深基坑开挖支护要求;⑤围堰工程造价低。上述初拟的两种围堰断面结构型式均能满足纵向围堰的空间布置要求,均具有可行性。两种围堰方案特点分述如下。方案1:围堰断面小,场地实用性强,布置较为灵活,钢板桩可作为基坑侧的开挖支护结构;围堰堰室填土虽可利用工程区天然土料进行填筑,但围堰钢板桩用量较大,因该地区较少使用施工钢板桩,需从外地租赁调入,材料运输及租赁成本较高,且钢板桩施工程序复杂,对施工工艺要求较高。根据拟定的围堰断面型式,围堰单米造价约8.7万元。方案2:围堰断面相对较小,能满足工程空间布置要求,需在基坑侧设置围护桩结构进行基坑支护;可充分利用当地料源进行填筑,施工工艺简单,施工方便、快捷,工程造价较低,围堰单米造价约7.5万元。根据上述两断面结构自身特点及工程施工条件,结合工程材料供应情况,本着因地制宜、布局合理、降低投资等原则,综合考虑经济、技术等因素,推荐方案2为该工程纵向围堰布置方案。3.2.3纵向围堰防渗由于纵向围堰布置空间有限,根据上述技术、经济因素综合比较,考虑采用断面相对较小的袋装土围堰结构,基坑侧在支护桩结构保护下进行垂直开挖。在纵向围堰设计时,亦存在围堰堰基及堰身的防渗处理问题,围堰堰基及交通桥连接段同样采用高喷防渗墙进行防渗处理,考虑袋装土防渗能力较差,堰身采用防渗土工膜进行防渗,为防止堰身与堰基防渗结构接合薄弱面出现渗水通道,在接合处设置黏土回填区,将堰身防渗土工膜深入至该区域与防渗墙内壁紧贴。纵向围堰防渗结构与上下游横向围堰防渗体系相接,形成封闭的防渗系统,以阻断施工期基坑外渗水。纵向围堰填筑先在非汛期填筑施工平台出水,随后进行堰基、交通桥段防渗墙以及围堰基坑侧支护结构施工,待防渗墙及支护结构施工完成后加高围堰至设计顶高程23.0m。围堰填筑完成后,在围堰及围护结构的保护下进行基坑开挖工作。纵向围堰顶宽3m,围堰基坑侧边坡坡比为1∶1.4,迎水侧边坡坡比为1∶1,施工平台顶宽6m,两侧边坡坡比均为1∶1.5。围堰基坑侧支护桩结构根据支护刚度计算成果采用钻孔灌注桩结构,钻孔灌注桩直径1.2m、间距1.4m,桩长22m。3.2.4结构稳定的计算3.2.4.基坑侧无水围堰稳定分析按最不利工况进行计算,工况组合为:围堰填筑及基坑开挖完成,外侧遇10a一遇高水位21.50m,基坑侧无水。稳定分析计算采用瑞典条分法,计算公式采用公式(1),计算过程中,忽略渗透水压力和孔隙水压力的作用,水压力按总应力法考虑。经计算,围堰整体总的下滑力为417.018kN,总的抗滑力为455.373kN,最不利滑动面滑动半径为8.132m,围堰整体稳定安全系数为1.092,大于1.05,满足规范要求。3.2.4.结构内力组合(1)计算条件。围护结构沿基坑水闸侧取单位长度按弹性地基梁计算,地层对灌注桩的作用采用等效弹簧进行模拟,防渗墙等效为灌注桩后防渗帷幕。围护结构开挖阶段计算时计入结构的先期位移值以及支撑的变形,按“先变形、后支撑”的原则进行结构分析,并计算内部结构各工况的内力组合。纵向围堰及已建水闸作用力按照结构布置及受力情况,等效为竖向分布荷载及沿基坑方向作用的力矩。(2)支护桩顶位移及沉降计算。基坑支护桩布置于围堰堰脚,且距已建水闸距离很近,基坑变形会影响到现有结构的稳定。根据《基坑工程技术规范》,确定水闸侧地面最大沉降量为10cm,桩顶最大水平位移不大于0.5%H(H为基坑深度)。由计算结果知,地表最大沉降量为79mm,小于100mm,桩顶最大水平位移为40.5mm,小于41mm,满足该工程设计位移及沉降要求。经计算,支撑结构最大内力为126.61kN;桩体最大弯矩为897.85kN·m,最大剪力为363.73kN。另外,进行了抗倾覆、抗隆起和抗管涌稳定性验算,均满足要求。综上所