基于分項(xiàng)系數(shù)法的防洪澇泵站地基穩(wěn)定性分析

黎仲佳

（東莞市水務(wù)技術(shù)中心，廣東 東莞 523413）

引言

一般而言，泵站泵房地基通常存在較為復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)[1，2]，其地質(zhì)缺陷很難被發(fā)現(xiàn)[3-5]，若不開展穩(wěn)定性分析計(jì)算，則可能形成難以預(yù)知的滑動(dòng)通道[6，7]，甚至造成嚴(yán)重的水利工程事故[8]。因此，開展泵站工程進(jìn)行穩(wěn)定性分析與安全評價(jià)具有重要意義。傳統(tǒng)的泵站穩(wěn)定性分析一般均按照規(guī)范規(guī)定的方法進(jìn)行簡單的計(jì)算[9]，而忽略了超載、材料弱化等因素對泵站安全服役的影響[10]。

隨著東莞西站的建成通車、站場周邊片區(qū)城市化進(jìn)程的加快以及城市硬化面積的增大，一方面，致使片區(qū)的蓄水能力下降，城市內(nèi)降雨形成的徑流不僅量增，而且匯流速度加快；另一方面，由于片區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀雨水管設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期均為0.5～1年一遇，其排水標(biāo)準(zhǔn)偏低，且近年來極端天氣呈偏多趨勢，使得排水不暢的現(xiàn)象更加嚴(yán)重，極大地影響了當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳a(chǎn)生活安全。

鑒于此，本文以片區(qū)擬建防洪澇工程泵房為例，綜合運(yùn)用分項(xiàng)系數(shù)法及有限單元法，建立了東莞西站站場片區(qū)防洪澇泵站仿真模型，開展了復(fù)雜條件下基于分項(xiàng)系數(shù)法的東莞西站站場片區(qū)防洪澇氹涌泵站基礎(chǔ)滲漏、側(cè)向滑移分析。由于本方法考慮了超載、材料弱化因素對泵站的影響，使得所提方法含有可靠度的意義，其計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確、客觀。

1 工程概況

內(nèi)澇范圍主要為東莞西站站場片區(qū)，通過新建雨水管道把東莞西站站場片區(qū)的雨水排入周邊的河道，并新建下漕泵站和氹涌泵站控制下漕排渠和氹涌的水位，使得東莞西站站場片區(qū)不受下游水位頂托，能夠順暢自排。設(shè)計(jì)總涉及面積4.027 km2，其中新建管網(wǎng)控制集水范圍0.42 km2。工程總布置圖見圖1。

圖1 工程總布置圖

氹涌泵站推薦方案為：在現(xiàn)狀氹涌出水口新建氹涌泵站與自排閘的基礎(chǔ)上，拆除現(xiàn)狀氹涌水閘。根據(jù)氹涌村委要求，泵房盡量靠近舊水閘，自排閘布置在靠近舊水閘一側(cè)。

1.1 泵站原址的地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘探深度范圍，場地地層由新至老為第四系填土層（Q4ml）、第四系沖積層（Q4al）、第三系巖層（E）。擬建的泵站建筑物場區(qū)淤泥、軟可塑粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土分布較廣泛，地基承載力不能滿足建（構(gòu)）筑物變形要求，不宜直接采用天然地基淺基礎(chǔ)，可采用沖（鉆）孔或旋挖樁型，以中風(fēng)化泥巖為持力層，施工時(shí)應(yīng)留意樁內(nèi)情況。其中，風(fēng)化泥巖：黑灰色，微細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯呈短柱狀，風(fēng)化較嚴(yán)重，為軟巖，較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級；鉆孔詳細(xì)數(shù)據(jù)情況見于地層統(tǒng)計(jì)表，層厚2.20～4.70 m，風(fēng)化不均勻，層頂深度23.10～33.00 m，埋深變化大，層頂高程-29.50～-21.60 m。

1.2 泵站基礎(chǔ)的形式

施工時(shí)需對表層的填筑土進(jìn)行開挖，填土層厚度2.70～3.20 m，均為公路建設(shè)堆填組成，密實(shí)度較好；沿線均有淤泥分布，厚度0.80～10.00 m，厚度較大，均呈流塑～軟塑狀態(tài)；開挖所形成的基坑邊坡穩(wěn)定性較差，因此采取放坡開挖，填土層坡率宜為1∶1.75～1∶2.00，淤泥及其軟弱土層宜用鋼板樁支護(hù)，并采取其他支護(hù)措施。外側(cè)施打密排鋼管樁，樁徑630 mm，壁厚16 mm，樁中心間距0.83 m，樁間凈距0.20 m，樁長27.00 m。后排施打同樣規(guī)格的鋼管樁，樁中心間距1.66 m，樁長19.00 m。排樁頂部均采用雙拼槽鋼連接形成整體，前后排樁間采用工字鋼聯(lián)系梁結(jié)構(gòu)。前排樁間掛鋼筋網(wǎng)，噴10 cm厚混凝土保護(hù)，防止土體漏出。

為了減少基礎(chǔ)樁頂位移，設(shè)置了一道鋼管對撐，采用直徑609 mm的鋼管，中心線高程-1.5 m。集水井深挖部位7.2 m范圍內(nèi)，增加一道鋼管支撐。對撐鋼管間距5 m，沿基坑中心線設(shè)一排立柱，基礎(chǔ)采用Φ800 mm鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，在其上插鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱。

1.3 泵站的結(jié)構(gòu)

根據(jù)水泵選型，氹涌泵站需安裝2臺1200ZLB-125型軸流泵，考慮到氹涌泵站是西站片區(qū)主要排水泵站，而西站作為東莞市四大鐵路樞紐之一，需要較高的排澇保證率，因此氹涌泵站增加1臺備用機(jī)組，總裝機(jī)為3臺。氹涌泵站裝機(jī)流量為11.79 m3/s，總裝機(jī)容量為750 kW；自排閘凈寬6 m，設(shè)計(jì)流量31.87 m3/s。其地基處理采用Φ500 mm水泥土攪拌樁。

泵房分主廠房、副廠房、檢修間、進(jìn)口攔污柵、自排閘等部分。主泵房采用濕室型泵房，裝3臺直徑Φ1.20 m軸流泵。主廠房水泵層布置軸流泵。水泵進(jìn)水口底高程-3.40 m，出口底高程-1.76 m。出口設(shè)置拍門，同時(shí)設(shè)置電動(dòng)單梁懸掛式起重機(jī)作為檢修起吊設(shè)備。防洪閘共分3孔，每孔凈寬3.60 m，總凈寬10.80 m，設(shè)計(jì)閘底高程-1.76 m，設(shè)鋼閘門3扇。主廠房電機(jī)層高程5.00 m，設(shè)計(jì)起排水位為0.50 m，最高運(yùn)行水位為1.75 m，最低運(yùn)行水位為0 m，單機(jī)流量為Q=3.93 m3/s。新建位于泵房自排流道的自排閘為1孔，垂直水流方向凈寬6.00 m，閘底板面高程-1.76 m。泵氹涌泵站是東莞防洪澇工程的控制性建筑物之一，對其穩(wěn)定分析具有重要意義。

2 計(jì)算原理與方法

由于氹涌泵站屬于小型水利建筑物，只需開展單滑面深層側(cè)向滑移計(jì)算即可，其安全系數(shù)為滑動(dòng)面上阻滑力與滑動(dòng)力之比為：

式中，K"為按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的泵站側(cè)向滑移安全系數(shù)；f"為泵站與泵基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)；c"為泵站與泵基接觸面的抗剪斷凝聚力（kPa）；A為泵基接觸面截面積（m2）;（ΣW-U）為作用于泵站上全部荷載（包括揚(yáng)壓力）對滑動(dòng)平面的法向分值（kN）；ΣP為作用于泵站上全部荷載對滑動(dòng)平面的切向分值（kN）。

引入氹涌泵站各荷載及材料分項(xiàng)系數(shù)到上式（1）中，求解其安全度Kr的作用效應(yīng)函數(shù)S(g)以及抗力函數(shù)R(g)：

式中，γP為泵站荷載分項(xiàng)系數(shù)；γW為泵站自重的分項(xiàng)系數(shù)；γU為泵站揚(yáng)壓力分項(xiàng)系數(shù)；γf"為泵站底部摩擦系數(shù)分項(xiàng)系數(shù)；γc"為泵站底部凝聚力分項(xiàng)系數(shù)。

根據(jù)氹涌泵站的重要性與設(shè)計(jì)狀況求出目標(biāo)安全度[K]，對比安全系數(shù)Kr以及[K]便可開展泵站基礎(chǔ)滲漏、側(cè)向滑移評價(jià)。

該工程位于永康市東南的舟山鎮(zhèn)境內(nèi)，地處楊溪水庫上游，流域面積50.71km2。小流域?qū)儆谒η治g為主的類型區(qū)。水土流失面積14.28km2，占土地總面積的28.16%。治理措施主要分生態(tài)修復(fù)區(qū)采取封育治理和管護(hù)兩項(xiàng)措施；生態(tài)治理區(qū)采取低丘紅壤治理、退耕還林還草、廢棄礦山開采裸露面治理、節(jié)水灌溉與坡面水系調(diào)整工程、垃圾處置、污水處理、農(nóng)村人居環(huán)境整治、生態(tài)農(nóng)業(yè)等八項(xiàng)措施；生態(tài)保護(hù)區(qū)采取河道生態(tài)護(hù)岸、修建攔沙曝氣壩、清污清淤等措施；建設(shè)人工濕地等措施。

借助有限元分析方法開展氹涌泵站基礎(chǔ)滲漏、側(cè)向滑移計(jì)算分析時(shí)，融合了分項(xiàng)系數(shù)法的思想。其基本思想為：①泵站的計(jì)算荷載為：泵站各受力荷載均乘以分項(xiàng)系數(shù)。②泵站的計(jì)算參數(shù)為：材料力學(xué)參數(shù)均除以材料性能分項(xiàng)系數(shù)。③滲流穩(wěn)定計(jì)算根據(jù)氹涌泵站的實(shí)際地質(zhì)情況，假定水平與垂直方向滲透的效果一致；側(cè)向滑移采用強(qiáng)度儲備法，求解得到泵站強(qiáng)度儲備系數(shù)作為泵站側(cè)向滑移穩(wěn)定安全度。④將得到基礎(chǔ)滲漏、基地應(yīng)力、側(cè)向滑移安全度Kr與目標(biāo)安全度[K]作比較，從而判定泵站是否能滿足基礎(chǔ)滲漏、側(cè)向滑移穩(wěn)定的要求。

3 計(jì)算模型的建立

構(gòu)建泵站地基計(jì)算模型長寬高的尺寸分別為16.00 m、12.00 m、6.00 m，土層邊界長度參考行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，選定為3倍基坑長度[11]，土層邊界定為寬50.00 m，深40.00 m，根據(jù)實(shí)際的鉆孔柱狀圖，劃分不規(guī)則的土層，同時(shí)確定標(biāo)準(zhǔn)固定邊界，下邊界任意方向變形均約束為零，將左、右兩邊限制水平方向的位移。模型如圖2所示。在拉森鋼板樁周圍建立了界面單元，采用基于分項(xiàng)系數(shù)有限元法進(jìn)行泵站計(jì)算分析，計(jì)算時(shí)需對所建模型進(jìn)行了簡化。模型計(jì)算坐標(biāo)：X軸為泵長方向，Y軸為泵寬方向，Z軸為豎向。根據(jù)本工程實(shí)際，計(jì)算時(shí)對局部重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格加密。模型建立好之后，關(guān)于有限元網(wǎng)格的劃分，此次共劃分了18 894單元，29 093節(jié)點(diǎn)。

圖2 模型土層分布

主要計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)有：抗剪摩擦系數(shù)：f=0.7（分項(xiàng)系數(shù)1.15），抗剪斷摩擦系數(shù)：f"=1.1（分項(xiàng)系數(shù)1.05），抗剪斷凝聚力：C=1.0 MPa（分項(xiàng)系數(shù)1.15），泵站地基排水折減系數(shù)0.3（分項(xiàng)系數(shù)1.1）。部分計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 部分計(jì)算參數(shù)

計(jì)算荷載組合，作用在泵站地基上的荷載主要有：泵房等自重（分項(xiàng)系數(shù)1.0）、模型地下水的滲流壓力（分項(xiàng)系數(shù)1.05）以及揚(yáng)壓力（分項(xiàng)系數(shù)1.1）。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 基礎(chǔ)滲漏計(jì)算

開展泵站基礎(chǔ)滲漏計(jì)算時(shí)，根據(jù)氹涌泵站的實(shí)際情況，綜合考慮了設(shè)計(jì)、校核與檢修3種不同工況：①設(shè)計(jì)運(yùn)行工況：內(nèi)河起排水位0.50 m，外江設(shè)計(jì)水位2.98 m；②校核運(yùn)用工況：內(nèi)河停機(jī)水位0.00 m，外江校核水位3.00 m；③檢修運(yùn)用工況：內(nèi)河抽干，外江校核水位3.00 m。氹涌泵房地基基礎(chǔ)滲漏計(jì)算表見表2。

表2 氹涌泵房基礎(chǔ)滲漏計(jì)算表

由計(jì)算結(jié)果可知：①傳統(tǒng)的規(guī)范方法和本文所提的基于分項(xiàng)系數(shù)法在各工況下氹涌泵房基礎(chǔ)滲漏穩(wěn)定系數(shù)K均大于1，兩種方法的計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。②本文所提的基于分項(xiàng)系數(shù)法計(jì)算的泵房基礎(chǔ)滲漏穩(wěn)定系數(shù)值更加保守，不同工況下穩(wěn)定系數(shù)的差值亦較小計(jì)算結(jié)果更加合理。

4.2 側(cè)向滑移計(jì)算

計(jì)算時(shí)綜合考慮設(shè)計(jì)工況、校核工況、檢修3種不同工況：①設(shè)計(jì)運(yùn)行工況：內(nèi)河起排水位0.5 m，外江設(shè)計(jì)水位2.98 m；②校核運(yùn)用工況：內(nèi)河停機(jī)水位0.0 m，外江校核水位3.00 m；③檢修運(yùn)用工況：內(nèi)河抽干，外江校核水位3.00 m。泵房基底應(yīng)力為：

基底應(yīng)力不均勻分布系數(shù)為：

式中，[η]為基底應(yīng)力不均勻系數(shù)允許值。

經(jīng)分析計(jì)算，可得出氹涌泵房基底應(yīng)力與側(cè)向滑移計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 氹涌泵房基底應(yīng)力與側(cè)向滑移計(jì)算結(jié)果

由表3可知：①傳統(tǒng)的規(guī)范方法和本文所提的基于分項(xiàng)系數(shù)法在各工況下氹涌泵房基底應(yīng)力與側(cè)向滑移穩(wěn)定驗(yàn)算均能滿足規(guī)范要求。②本文所提的基于分項(xiàng)系數(shù)法計(jì)算的泵房基底應(yīng)力及泵房側(cè)向滑移穩(wěn)定系數(shù)值更加保守，不同工況下穩(wěn)定系數(shù)的差值亦較小計(jì)算結(jié)果更加合理。

5 結(jié)語

（1）針對東莞西站站場片區(qū)防洪澇排水不暢愈發(fā)嚴(yán)重的現(xiàn)象，根據(jù)工程實(shí)際情況，提出了片區(qū)防洪澇工程設(shè)計(jì)方案。

（2）本文所提的基于分項(xiàng)系數(shù)法與傳統(tǒng)的規(guī)范方法在各工況下氹涌泵房基礎(chǔ)滲漏、側(cè)向滑移穩(wěn)定均能滿足規(guī)范要求。

（3）基于分項(xiàng)系數(shù)法考慮了超載、材料弱化因素對泵站的影響，使得所提方法含有可靠度的意義，其計(jì)算結(jié)果數(shù)值更加保守、客觀、準(zhǔn)確。為防洪澇氹涌泵站地基穩(wěn)定性分析提供了一種新思路。