謝 韜

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340)

1 研究方法

1.1 工程概況

北江是粵北地區(qū)重要的航運(yùn)通道，承擔(dān)著粵北地區(qū)通往珠三角及港澳地區(qū)水運(yùn)通道作用。干流總長(zhǎng)度超過460 km，沿線建有孟洲壩、濛里、白石窯、飛來峽、連州水庫、英德等多座梯級(jí)大型水利樞紐工程。北江韶關(guān)與三水河段是北江水資源最豐富區(qū)段，且該區(qū)段內(nèi)地表徑流量較高，可達(dá)450 m3/s，該段干流長(zhǎng)度為258 km，超過北江干流總長(zhǎng)度的50%，且孟州壩、飛來峽等水利樞紐均位于該區(qū)段干流中，不僅承擔(dān)著韶關(guān)、清遠(yuǎn)等地區(qū)水資源供應(yīng)、發(fā)電等水利功能，并可對(duì)下游水資源進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，通過輸水干渠惠及整個(gè)北江韶關(guān)、清遠(yuǎn)、英德等流域地區(qū)。在該區(qū)段內(nèi)，北江發(fā)揮的另一種重要功能即為航運(yùn)，而孟州壩是北江干流258 km通航的重要中轉(zhuǎn)樞紐，位于韶關(guān)北江西亞偶12.6 km處。孟州壩水利樞紐其按照二期規(guī)劃建設(shè)目標(biāo)，船閘工程需滿足1000 t級(jí)船舶通航要求，新建船閘工程包括有閘體工程、擋水設(shè)施及船體攔靠建筑等，設(shè)計(jì)閘室長(zhǎng)、寬及高尺寸為220.0 m×23.0 m×4.5 m。新建船閘設(shè)計(jì)在一期一線船閘的右岸，距離其50 m，兩期兩線船閘均為直線航道，長(zhǎng)度分別為640 m、320 m，航道彎角分別為4°59′15″，16°37′01″，船體攔靠建筑長(zhǎng)度為210 m，支撐攔靠建筑墩體直徑為 2.2 m，11個(gè)墩體間距21 m呈梅花樁型布設(shè)。孟州壩二線船閘不僅涉及地面水工建筑，且其基坑工程的施工還需考慮河道圍堰導(dǎo)流的安全性。該閘體基坑深度12 m，考慮采用人工鉆孔灌注樁為基礎(chǔ)方案，減弱基坑自身變形，確保上部閘體及圍堰等的穩(wěn)定性。

1.2 研究模型

考慮基坑變形主要影響因素，簡(jiǎn)化基坑上部部分水工建筑(如廠房等)，建立基坑計(jì)算模型，如圖1(a)所示?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖1(b)所示，采用鋼筋籠直徑為800 mm的灌注樁，且鋼支撐為壁厚16 mm的鋼管，分多層次布設(shè)支撐[1-2]，每層支撐間距為1.4 m，在船閘基坑內(nèi)包括有84根鋼支撐與38個(gè)灌注樁。該模型中基坑X、Y、Z三正向分別為上游水流方向、一線船閘方向及自重應(yīng)力方向，且模型設(shè)定基坑各向邊界分別為80 m、100 m、50 m。根據(jù)網(wǎng)格單元計(jì)算劃分，共獲得微單元有32 682個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)28 694個(gè)，微單元變形方程滿足基坑土體E-B本構(gòu)模型。

圖1 基坑模型

為確保計(jì)算模型的準(zhǔn)確度，模型中涉及的巖土物理力學(xué)參數(shù)均按照室內(nèi)土工試驗(yàn)實(shí)測(cè)值設(shè)定。樁身結(jié)構(gòu)荷載單元均具有線彈性變形行為，而鋼支撐采用板單元模擬，在彎剪組合荷載下會(huì)出現(xiàn)撓度，且具有抗彎能力，樁體模型參數(shù)滿足C30混凝土力學(xué)本構(gòu)要求，其剪切模量設(shè)定為15 GPa，厚度為550 mm。根據(jù)船閘工程基坑開挖順序，采用FLAC 3D分別建立起每步次開挖后模型[3-4]，如圖2所示，基坑變形特征即以該典型步次為研究對(duì)象。由于基坑灌注樁尺寸體型設(shè)計(jì)等均會(huì)影響基坑支護(hù)效果及其變形特征，故以支護(hù)樁樁徑作為考量因素，且考慮灌注樁鋼筋籠尺寸，設(shè)計(jì)樁徑分別為800 mm、900 mm、1000 mm、1100 mm、1200 mm、1300 mm、1400 mm的七個(gè)方案，其他土層參數(shù)與灌注樁參數(shù)保持一致，分析基坑變形與閘身沉降特征。

圖2 每步次開挖后模型

2 基坑變形特征

2.1 樁體水平位移

根據(jù)對(duì)不同樁徑下基坑變形計(jì)算，獲得了基坑中各樁體水平位移特征，如圖3所示。從圖中可知，樁體直徑愈大，整體樁身水平位移愈大，樁徑800 mm在樁深4 m處樁體水平位移為21.1 mm，在同深度樁體處，樁徑1000 mm、1200 mm、1400 mm的樁體水平位移較前者分別減少了45.4%、62.5%、85.0%，當(dāng)樁徑每梯次增大100 mm時(shí)，其最大水平位移平均可減少26.4%。從各樁徑下樁體最大位移特征可知，樁徑800 mm下最大位移為30.88 mm，而每梯次樁徑增大100 mm，可導(dǎo)致樁體最大位移減少18.8%。分析認(rèn)為，增大樁徑，截面抗彎能力提高，可有助于減少樁體水平向彎曲撓度變形，進(jìn)而表現(xiàn)在樁體水平位移減少的現(xiàn)象[5]。從樁徑抑制樁體水平位移變化可知，當(dāng)樁徑在超過1200 mm時(shí)，樁體水平位移受約束能力減弱，如樁徑1300 mm、1400 mm樁體最大位移分別位于樁深18 m處，為11.4 mm、10.1 mm，較之樁徑1200 mm下最大位移分別僅減少了0.5%、8.5%。由此可知，樁徑過大，其樁體水平位移受限制會(huì)達(dá)到“飽和”狀態(tài)，無法進(jìn)一步削弱樁體位移。

圖3 樁體水平位移特征

從樁體水平位移特征變化可知，在樁徑低于1200 mm時(shí)，其水平位移在樁深上呈持續(xù)遞增-穩(wěn)定變化，峰值水平位移位于樁深12 m處；而樁徑超過1200 mm后，樁體水平位移呈先增后減狀態(tài)，其最大位移值位于靠近樁底18 m處。相比之下，樁徑超過1200 mm后，其水平位移產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力荷載持續(xù)作用，使樁體上撓度變形擴(kuò)展至樁深中部，容易在中部形成應(yīng)力集中效應(yīng)，進(jìn)而出現(xiàn)斷樁或側(cè)向擴(kuò)展偏移等。在樁徑低于1200 mm時(shí)，不僅樁體水平位移隨樁徑受削弱顯著，且水平位移在樁深上發(fā)展更為安全可靠。

2.2 基坑沉降

根據(jù)不同步次開挖后基坑沉降特征，獲得了不同樁徑方案下基坑沉降隨施工時(shí)間變化特征，由于第三步次的開挖代表基坑工程完成開挖，故基坑沉降分析基于第三步次的建模計(jì)算，如圖4所示。由基坑沉降可知，當(dāng)樁徑低于1200 mm時(shí)，基坑內(nèi)沉降位移隨施工時(shí)間呈先增后減變化，且增幅段持續(xù)時(shí)間較短，在樁徑為1000 mm時(shí)，施工時(shí)間0 d時(shí)基坑沉降為4.4 mm，而在20 d、40 d內(nèi)基坑沉降均為遞增，分別增長(zhǎng)了49.0%、84.1%，隨施工時(shí)間的平均增幅為36.3%。與之不同的是，在樁徑1300 mm、1400 mm方案下，其基坑沉降呈“雙增”階段特征，即有兩階段的增幅變化，第一階段在施工時(shí)間0～40 d內(nèi)，基坑沉降平均增幅分別為71.2%、88.5%；而在第二階段時(shí)，施工時(shí)間80～120 d基坑沉降平均增幅分別為11.0%、18.9%。相比之下，第二階段基坑沉降變幅弱于第一階段，但第二階段的基坑沉降發(fā)生在施工時(shí)間80 d后，對(duì)基坑工程的基礎(chǔ)施工帶來的影響較大。筆者認(rèn)為，從基坑沉降變化特征來看，應(yīng)避免出現(xiàn)“二次增幅”段[6]。

圖4 基坑沉降特征

對(duì)比樁徑對(duì)基坑沉降值影響可知，在樁徑為800 mm時(shí)，基坑沉降分布為6.4～10.9 mm，而樁徑1000 mm、1100 mm時(shí)最大沉降較前者分別減少了26.1%、33.0%。樁徑超過1200 mm后，基坑沉降仍處于受削弱狀態(tài)，但抑制基坑沉降效果弱于樁徑低于1200 mm的樁體方案；整體七個(gè)樁徑方案中，隨樁徑每梯次增大100 mm，基坑最大沉降平均減少12.1%，但在樁徑800～1200 mm設(shè)計(jì)方案中，其基坑最大沉降值最大變幅可達(dá)15.9%，平均降幅也可達(dá)12.7%，在樁徑1300 mm、1400 mm中，最大變幅僅為8.5%。綜合基坑沉降變化特征及樁徑抑制基坑沉降表現(xiàn)，控制樁徑在1100～1200 mm更為合理。

3 閘身沉降特征

閘身沉降的計(jì)算是基于基坑三個(gè)步每梯次樁徑增大次開挖基礎(chǔ)后，計(jì)算獲得樁徑參數(shù)影響下閘身沉降隨運(yùn)營時(shí)間變化特征，如圖5。

圖5 閘身沉降變化特征

分析閘身沉降可知，其沉降值高于基坑沉降，當(dāng)樁徑愈大，則閘身沉降值愈小，如在運(yùn)營時(shí)間20 d時(shí)，樁徑800 mm方案下，閘身沉降為7.3 mm，而樁徑每梯次增大100 mm時(shí)，可引起閘身沉降減少13.8%。不論是樁徑低于1200 mm或超過該直徑，閘身沉降與樁徑參數(shù)均滿足負(fù)相關(guān)特征。當(dāng)運(yùn)營時(shí)間增大至60 d、100 d時(shí)，隨樁徑增大100 mm的變化，閘身沉降平均降幅分別為11.2%、8.8%。由此可知，隨運(yùn)營時(shí)間增長(zhǎng)，樁徑對(duì)閘身沉降影響減弱，不同樁徑間閘身沉降差幅減小。從閘身沉降與運(yùn)營時(shí)間的變化關(guān)系可知，在樁徑低于1200 mm時(shí)，閘身沉降整體處于較穩(wěn)定狀態(tài)，只在運(yùn)營時(shí)間60 d后才具一定增幅，而樁徑超過1200 mm后，受樁徑過大的應(yīng)力擾動(dòng)影響，其閘身沉降呈穩(wěn)定遞增變化，特別是在運(yùn)營時(shí)間60 d后具有較顯著增幅段。閘身沉降變幅愈大時(shí)，對(duì)船閘內(nèi)水流穩(wěn)定性及閘體結(jié)構(gòu)自身靜、動(dòng)力穩(wěn)定性影響愈大，同時(shí)對(duì)樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生影響[7]，從設(shè)計(jì)優(yōu)化角度考量，樁徑設(shè)計(jì)為1200 mm綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)最大，更利于船閘基坑工程的建設(shè)及閘室的運(yùn)營。

4 結(jié) 論

(1)樁體直徑愈大，樁身水平位移愈小，樁徑每樣次增大100 mm，樁體最大位移平均減少18.8%，但樁徑在超過1200 mm后，樁體水平位移受抑制減弱；樁徑低于1200 mm時(shí)，樁體水平位移呈“遞增-穩(wěn)定”變化，峰值位移位于樁深12 m處，而樁徑超過1200 mm時(shí)，呈“先增后減”狀態(tài)，峰值位移位于靠近樁底18 m。

(2)樁徑低于1200 mm時(shí)，基坑沉降隨時(shí)間呈先增后減變化，而在樁徑1300 mm、1400 mm呈“雙增”階段特征，且第二階段增幅低于第一階段；隨樁徑每梯次增大100 mm，基坑最大沉降平均減少12.1%，但變幅在樁徑1300 mm、1400 mm后仍為減弱。

(3)樁徑愈大，閘身沉降愈小，運(yùn)營時(shí)間愈長(zhǎng)，樁徑對(duì)閘身沉降影響愈弱；樁徑低于1200 mm時(shí)，閘身沉降在運(yùn)營時(shí)間60 d后才具增幅，反之在樁徑超過1200 mm后閘身沉降呈穩(wěn)定遞增，且在運(yùn)營時(shí)間60 d后具有陡增態(tài)勢(shì)。

(4)綜合樁徑對(duì)基坑變形影響，認(rèn)為樁徑控制在1200 mm更為合理。