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摘要：排澇泵站樞紐工程前池連接段翼墻大多數按常規設計為懸臂、扶壁或空箱擋土墻結構，并配套臨時導流、支護措施，存在工程投資大、工期長等不足。以鴉雀尾水利樞紐工程為例，對大型排澇泵站前池連接段泵站與水閘分隔翼墻方案進行優化研究，經比選推薦采用水利工程中比較少見的三排樁支擋結構，優化后的方案節省了工程投資、縮短了工期。同時以三維有限元數值仿真技術等多種手段計算結果與工程實測數據進行對比研究，論證了方案技術可行性，總結了設計經驗。
關鍵詞：三排樁；排澇泵站；有限元數值計算
排澇泵站樞紐工程一般由排澇泵站和自排水閘等水工建筑物組成。受用地限制及施工導流需要，排澇泵站樞紐工程中泵站與水閘連接部位特別是前池連接段，擋土高度高、設計難度大、投資大、風險高，易發生傾覆、滑坡等問題[1]，是工程設計的難點。李海道等[2-3]對常規泵站翼墻方案進行研究，提出前池內支撐等優化方案；李弋等[4-5]研究了護壁樁、排樁在排澇泵站中的應用。但是針對大型泵站前池寬度較大、擋土高度大、泵站與水閘需分期建設等條件制約下，如何進一步優化泵站前池翼墻方案的研究不多，本文以中山市鴉雀尾水利樞紐工程前池段泵站與水閘分隔翼墻優化后所采用的三排樁支擋結構為例，提出了大型排澇泵站前池翼墻設計新方法。
1工程概況
鴉雀尾水利樞紐位于中山市阜沙鎮阜沙涌雞鴉水道出口處，是一座集排洪、排澇、防洪潮、灌溉及通航于一體的水利樞紐工程，工程由水閘、船閘和泵站組成。原水閘始建于1957年，水閘共5孔，總凈寬21m，2012年鑒定為四類閘；原船閘始建于1984年，上下閘首凈寬7.00m，鑒定為三類閘；原泵站建于1996年，2002年技改，設計流量16m3/s。2014年對樞紐工程進行整體改擴建設計，具體建設包括重建水閘、增建泵站以及加固船閘。重建水閘總凈寬35m，布置在原水閘與船閘之間的中心島位置；增建泵站44m3/s，布置在原水閘位置，排澇總規模擴建至60m3/s；船閘原址原規模加固。改擴建后的樞紐工程包括新增泵站、水閘、船閘、原泵站四座水工建筑物，由北向南依次布置，整體工程布置緊湊。工程建成前后衛星影像對比見圖1、2。本工程泵站采用4臺立式軸流泵機組，堤后式泵房，泵房基坑底標高-6.6m，最大開挖深度約10m，泵站前池開挖底標高-6.5m，最大開挖深度約8.6m，前池寬度約28m，前池與水閘分隔島寬度約12m[6]。
2主要設計條件
2.1地質條件
場區地貌類型為沖積平原地貌，地勢較平坦，表層普遍分布有一定厚度的填筑土層，其下為較厚的海陸交互相成因的淤泥質土夾粉砂、粉細砂夾貝殼及淤泥質土層，深部為粉細砂、中粗砂或圓礫，最下部為弱風化基巖。其中淤泥質土夾粉砂、粉細砂夾貝殼及淤泥質土等軟弱土層在地基土中分布廣，整體層厚約30m左右，極易發生邊坡失穩和滲透破壞[7]。工程主要土層物理力學指標見表1。
2.2施工導流分期條件
工程擬在汛后10月份動工，枯水期要保證枯水期洪水導流及圍內養殖換水需求，在每年汛期來臨前（4月15日前）還必須恢復工程抵御外江洪水和排泄圍內洪水功能，據此，擬定工程分期導流方案如下：一期利用原水閘導流，在原中心島位置施工新建的水閘及加固船閘，第二年汛期來臨前實現防洪排水功能；二期在第二年汛后，以新建水閘為導流建筑物，在舊水閘上下游修建圍堰攔斷，拆除舊水閘、新建泵站。兩期施工導流方案分別見圖3、4，本文研究的結構位于泵站前池與水閘之間的分隔翼墻，位置如圖所示。受施工分期導流條件影響，該段翼墻在兩期施工期間均面臨直接擋水工況，否則應另行設置圍堰，結構設計時應進行綜合比較。
3前池分隔翼墻設計方案優化
水閘和泵站相距較近，中間間隔約12m左右，原設計前池分隔翼墻為雙側面板扶壁式擋土墻，在前池側和水閘側均設置面板，采用整體式底板、水泥土攪拌樁復合地基處理，并設鋼板樁臨時圍堰，具體結構見圖5。由于原方案需另行設置圍堰施工，存在工程投資大、工期長等不足，在初步設計階段經比選優化為排樁擋墻方案。排樁擋墻采用預應力砼U型板樁對拉結構，無需另行設置圍堰，由于兩排樁間距較大，在中間再增設一排U型板樁，形成三排樁結構。優化后的方案前后兩排均為密排連續布置起擋土作用，中間一排間隔6m，主要起支撐框格連系梁作用。U型板樁長度為15m，樁頂采用C25混凝土冠梁及對拉聯系梁組成框格體系，連系梁間距6m，中間梁格交叉部位由中間排樁支撐。板樁墻前設格柵狀水泥土攪拌樁加固土，深度5m。具體斷面結構見圖6。表2對2種方案進行技術經濟比較，優化后的三排U型板樁方案施工簡單，施工周期縮短一半，工程投資節省40%，優勢明顯，但三排樁受力結構復雜，計算理論不完善，在排澇泵站工程中應用較少，實際工程經驗較少。U型板樁采用PC400型液壓振動錘進行沉樁施工，為避免沉樁過程對水泥土攪拌樁造成破壞，本工程要求先施工U型板樁、后施工水泥攪拌樁，2種樁型結合部位采用高壓旋噴樁填充擠密，盡可能發揮墻前加固土支撐作用，減少U型板樁水平位移。
4三排樁結構計算
設計為三排樁組合式支擋結構，受力相對較復雜，常規計算手段難以模擬結構實際受力情況[9-10]，先采用理正深基坑支護結構設計軟件進行設計計算，再采用MidasGTS/NX有限元分析軟件建立三維模型進行數值分析驗算。
4.1計算工況
施工期及運用期均存在兩側擋水情況，兩側同時存在水壓力時結構所受水平力最小，一側有水另一側無水情況相對不利，擋土高度較大的一側無水時最不利。本次結構計算選取泵站側無水、且基坑開挖至前池護底墊層底面-6.5m標高、水閘側為設計水位0.8m的荷載組合工況為控制性計算工況。
4.2理正深基坑支護軟件計算
理正深基坑支護軟件是一款專業的深基坑支護結構設計工具，其采用了經典法土壓力模型和彈性法土壓力模型2種土壓力計算模型，可以按現行規范要求計算支護結構內力、變形及其穩定驗算（包括抗傾覆、抗隆起、抗管涌、抗突涌、整體穩定性等），可以輕松地完成深基坑的設計與數據分析，在基坑工程設計中應用十分廣泛。其缺點是結構模型相對固化，比如計算雙排樁時前后排樁的樁長、間距必須一致，不能計算三排樁，不能添加雙排樁頂超載等限制。理正基坑支護軟件無三排樁模型，由于本工程中間排樁不是密排，按不考慮中間樁作用，簡化為雙排樁模型計算。本模型中，后排樁直接承受水壓力作用，在軟件中將河底上部土層容重取0，并按水土分算進行模擬，U型板樁按等剛度換算成矩形斷面輸入，排樁內力采用“增量法”計算，并考慮樁頂冠梁剛度影響，計算模型見圖7，位移及內力計算結果見圖8。該軟件計算的前排樁樁身最大水平位移6.92mm、樁頂最大水平位移5.63mm、入土處水平位移2.83mm，滿足SL379—2007《水工擋土墻設計規范》關于排樁擋墻入土點的水平位移不超過10mm的要求[11]。
4.3三維有限元數值計算
采用MidasGTS/NX有限元分析軟件建立三維模型進行數值分析驗算[12]，模擬全階段施工過程，兩側U型板樁采用2D板單元模擬（厚度按等剛度換算），中間排板樁、冠梁及連系梁采用1D梁單元模擬[13]，土體采用實體單元模擬。U型板樁、冠梁、連系梁等采用彈性本構模型，土體采用修正莫爾庫侖本構模型[14]。各巖土層抗剪強度等主要參數指標按表1輸入，彈性模量按4倍壓縮模量輸入；U型板樁混凝土強度等級為C60，連系梁混凝土強度等級為C25，均按相應等級混凝土參數輸入。邊界約束條件:模型左右邊界施加水平約束，底部施加豎向約束，1D板樁施加轉動約束，其他位移邊界自由。三維模型網格尺寸初步按2m共劃分單元數量1.33萬個，計算得前排樁樁身最大水平位移5.42mm；第二次加密核心區域網格尺寸計算，共劃分單元數量為10.48萬個，計算得相應樁身最大水平位移為5.07mm，與第一次計算相差5.1%；再進一步加密網格，共劃分單元數量25.11萬，計算得相應樁身最大水平位移為4.95mm，與第二次計算結果相差2.4%，此時認為計算結果已與網格尺寸基本無關，故樁身最大水平位移取4.95mm，樁頂水平位移為4.42mm，樁身入土處水平位移為2.14mm。三維網格模型見圖9，主要計算結果見圖10—13。
4.4計算結構比較與分析
對2種方法計算的樁身水平位移計算結果進行對比，見表3。理正深基坑軟件采用的“增量法”計算的水平位移比MidasGTS/NX“數值法”計算結果整體偏大，最大位移相差28%，但位移絕對值相差僅1.97mm。本工程2018年建成至今已運行4年，三排樁結構除樁頂設有變形觀測點外，樁身未設應力應變觀測設施，實測樁頂最大水平位移為3mm，比增量法計算結果小2.63mm，比數值法計算結果小1.42mm。計算結果與實測數據存在偏差的原因分析如下：①理正深基坑支護軟件的計算模型沒有考慮中間排樁的作用，整體計算結果偏保守，計算的位移值最大；②數值法建立了整體三維模型，更接近實際工程情況，因此計算結果相對接近實測數據；③實測樁頂位移最小，但也僅比數值法計算結果小1.42mm，一方面存在測量精度問題，另一方面，工程建設和運行過程中，尚未出現設計計算所采用的水位組合工況，將來前池抽干水檢修時可能出現結構變形進一步加大的情形，有待跟蹤觀測驗證。
5結語
(a)三排樁支擋結構可以實現永久建筑物與臨時建筑物相結合，具有節省工程投資、加快施工進度等優勢，在大型泵站樞紐工程中有成功應用案例，在類似水利樞紐工程中具有推廣意義。(b)三排樁支擋結構計算理論不完善，使用有限元數值仿真計算方法能較好模擬結構實際受力情況，建議實際工程采用三排樁方案時，運用有限元等多種手段進行設計計算，并加強施工期及運用期觀測，進一步完善針對三排樁模型的設計計算方法和理論。
作者:胡緒寶 嚴勇 單位:中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司 蘇交科集團股份有限公司