水利工程论文-太浦河泵站工程深基坑设计与实施.doc

水利工程论文-太浦河泵站工程深基坑设计与实施摘要：在软土地基进行深基坑开挖是江、浙、沪地区大型水利工程实施中经常要面临的一项技术难题。本文对太浦河泵站工程的边坡设计、降水措施的选用、施工过程的控制及信息化管理等多个方面进行了总结，对不同规范的选用、土壤力学指标特别是抗剪指标的选取对边坡设计的影响进行了分析并提出了相关的一些建议。太浦河泵站工程深基坑的成功实践可为今后类似工程的实施提供借鉴。关键词：深基坑设计开挖井点降水一、工程概况太浦河泵站工程位于江苏省吴江市境内的太浦河南侧，其主要作用是枯水期间通过抽引东太湖水以有效地改善上海市黄浦江上游二期引水工程取水口段的水质，提高上海市半数以上人口的生活及企事业单位供水水质和供水保证率。工程设计总流量为300立方米/秒，装有单泵流量50立方米/秒、叶轮直径4.1米、斜15度轴伸泵6台。工程总投资2.76亿元。工程实施中基坑拟采用大开挖方式，泵房基坑长（顺水流方向）109.7米。宽（垂直水流方向）71.5米，挖深14.5米（基坑底高程EL-8.05米，原状土高程EL6.5米），其中集水井部位挖深达17.2米。由于基坑规模大、暴露时间长，如何确保基坑开挖过程及施工期的安全是整个工程成败的关键。二、地质状况及环境分析1、泵站基坑所在区域的地质状况见下表：土层土层底高程(m)天然含水量(%)固结快剪渗透系数（20）cm/s允许承载力（kpa）C(kpa)()12.14.317/832/304.0E-6（6.1E-5）（垂直）20.21.736.613/1122/203.0E-6（9.7E-6）（垂直）8030.1-4.549.416/1116/148.6E-6（2.5E-5）（垂直）605-5.135.210/3.1E-5（2.5E-5）（垂直）1201-2.5-3.226.740/2920/1841.0E-7（3.7E-7）（垂直）2552-3.2-8.130.532/2120/204.2E-7（9.5E-7）（垂直）1503-6.7-8.732.35/535/331.3E-4（1.7E-4）（水平）1201-9.1-11.433.46.4E-4（垂直）120-3.3-15.034.818/1416/154.3E-7（1.8E-6）10535.711/529/271.2E-6（2.6E-6）110-17.6-20.123.555/4524/221.6E-7（6.6E-6）300注：(1)渗透系数拦中，前值为算术平均值，后值（括号内）为大值平均值；(2)抗剪强度指标栏中，横线上、下行数值分别为算术平均值、小值平均值。基坑开挖深度范围共涉及十个不同地质亚层，其中以粉质粘土层居多，并夹厚达24米的淤泥质粘土层。主要含水层为3、1和5层，其渗透系数（垂直和水平方向）均为K=A10-5A10-4cm/s，属弱透水层；2与1层为粘性土夹薄层砂壤土，具有较好的水平层理，地下水以水平运动为主，K（垂直）=A10-7cm/s，K（水平）=A10-5cm/s。其中3层淤泥质粘土层与2层内所夹泥炭层，土质极软，高压缩性，强度低，是基坑边坡稳定的控制层；3和1层为轻砂壤土，在地下水流作用下，可能会产生流沙。2、在批复的工程初步设计报告中明确，考虑到要尽可能少占用耕地及拆迁民房，泵站站址选择在太浦河闸南侧，并选用泵闸分建方案。泵房中心线与太浦河中心线平行，两者中心线相距200米，交通桥与太浦闸桥成直线布置，交通桥中心距泵房中心74.15米。工程拆迁原则上只考虑渠堤范围内的建筑物。工程布置见下图：太浦河节制闸是1958年建造的，其标准较低，1998年经鉴定为病危水闸。而太浦河为太湖流域泻洪主要通道，其防洪保护面积大于20万亩，保护人口超过20万人。3、按照工程总体安排，基坑开挖将主要集中在2001年3、4月间，5月初基坑形成、进行深层水泥搅拌桩施工。这样，基坑将不可避免地要度过整整一个汛期，将经受暴雨及洪水的考验。由此我们可以看出，研究太浦河泵站基坑的安全，不能只考虑基坑本身，还要考虑周边民房的安全，更要研究如何同时确保太浦河节制闸及太浦河防洪大堤的安全。三、基坑方案选择1、增设地连墙初设结束后经进一步研究，为了保护太浦河节制闸及太浦河大堤，同时减少因太浦河侧渗流而对基坑形成破坏，而增加一项辅助工程设施：即沿太浦河节制闸右岸设置一道厚24cm的地下连续砼防渗墙，上下游长度共240米，防渗墙深度约18.7m，其墙的底部嵌入相对不透水层0.30.5m深。（见上图）2、承包商投标时所报方案及有关承诺本工程在招标文件中明确基坑土方（范围为桩号0-77.5至0+77.5两个横断面之间）采用总价包干的方式。因而投标人往往都按较陡的方案考虑基坑边坡。中标的承包商所报方案为在EL3.5m、EL-2.6m高程布设宽度分别为2m和1m的马道，其中在高程EL3.5m的马道上布置喷射井点及进、排水总管、截水沟等。经对边坡进行稳定计算，选定原始地面至EL3.5m高程，开挖边坡为1:1.5，EL3.5m至EL-2.6m之间开挖边坡为1:2.5，EL-2.6以下为1:2.5。由此，计算泵房基坑开挖总量为18.5万方。评标专家们对这一方案并不放心，通过澄清，承包商郑重承诺在报价不变的前提下，基坑开挖及围护措施根据基坑开挖过程出现的情况，可按照业主和监理工程师的要求及时调整。3、方案研究研究基坑方案，重点是研究两个问题：一是边坡放坡方案；二是降排水方案。（1）边坡放坡设计由于感到承包商所报边坡方案偏于不安全，为制定可靠、详实的基坑实施方案，工程建设指挥部分别委托四家设计院对基坑进行了边坡设计。四家设计院均认为可能的滑动面有两个：一是在3层淤泥质粘土层滑出，滑出点位于整个边坡的中部；二是基坑底部沿层的深层滑动。下表是四家设计院（其中C、D两家联合完成）的计算工况、条件、结果、建议方案的比较：设计院项目ABC与D工程等级临时建筑物4级太浦河十年一遇防洪要求边坡抗滑安全系数要求K1.05K1.15,井点降水有效K1.2K1.05，井点降水失效抗剪强度指标选取直接快剪小值平均值K1.15,固结快剪小值平均值结合地质报告，根据经验，提出的设计采用值K1.05，直接快剪平均值对排水的考虑正常地下水位取-2.2m，由坡顶后10m到坑底直线变化井点降水在3.5m高程设轻型井点在-1.0m高程设置喷射井点计算方法按瑞典圆弧法，用自编程序边坡稳定分析电算程序圆弧滑动法，同济大学启明星软件计算结果三级平台，5+5+5m，边坡均以1:2.5K上=1.452K下=1.088（1）按固结快剪小值平均值，边坡1:1.5情况下，K=1.293；（2）按直接快剪平均值，边坡1:2.5情况下，K=1.05按1:1.5、1:2.5、1:2.0放坡K=1.27建议方案在EL4.00、EL0.00、在3层以上按1：3放坡在EL3.50m处设3m宽EL-4.00处分别设置5m马道，全部按1:2.5放坡在3层以下按1：2放坡马道，在EL-1.00m处设2m宽马道第一级边坡1：1.5第二级边坡1：2.5第三级边坡1：2.0（2）降排水方案对于潜水及雨水均采用开挖明沟、排水沟，汇集于集水坑内抽走的方法解决。下部地下水抽排方案是降排水方案的核心。为了确保泵房基坑及其它部位的开挖施工，以及基础砼浇筑的顺利进行，必须采用人工降水方法把水位降至建基面以下。工程前期地勘过程曾针对以3、1和1等层共同组成的承压含水层做过抽水实验。泵站场区浅部承压水层承压水位在EL3.26EL3.47m，承压水头约7.8m，抽水试验表明该层渗透系数K=2.910-4cm/s,具中等透水性，降深3.53.6m时影响半径36m。如需将地下水位降至EL-9.0m，基坑日涌水量约在250350m3/d。基坑开挖前，我们在现场进行了深井降水试验，以确定采用何种降水手段。试验深井布置在基坑东南角，井深22m，成井直径800mm，井底高程为EL-16.0m，降水后确保承压水位控制在EL-9.0m。同时在深井正南隔8m、20m、35m布置E1、E2、E3深水位观测井，在深井正东方向隔8m、19m、34m布置S1、S2、S3深水位观测井。试验结果如下图（深井降水试验曲线表），可看出深井的有效降水区域并不显著。深井降水试验曲线表根据深井降水试验结果同时参考周边地区的成功经验，我们决定在基坑开挖时还是采用多层轻型井点环状降水方案。4、方案确定工程建设指挥部在充分分析研究四家设计院计算成果的基础上认为：（1）边坡最不利的圆弧滑动面分别为：沿着EL-0.2m1硬土层上的顶层局部圆弧滑动和沿着EL-12.7m层硬土层以上的深层圆弧滑动，边坡设计按起控制作用的深层圆弧滑动稳定计算成果为依据。（2）根据国家标准水利水电勘察规范，滑动面土的抗剪强度的标准值取固结快剪峰值的小值平均值，泵站设计规范规定边坡稳定的安全系数为1.20；根据上海市标准基坑工程设计规范，开挖深度超过10m，属于一级基础，滑动面土的抗剪强度标准值取固结快剪峰值的算术平均值，边坡稳定安全系数为1.43，边坡设计应同时符合国家及上海市有关规范的要求。考虑到要给地连墙留有足够宽的土体以保证地连墙的稳定，综合四院的方案，提出如下三级马道放坡及四级井点环状布置的方案（如下图）。对这样的边坡采用不同指标的抗滑稳定计算成果见下表：土的力学性能边坡固结快剪小值平均值固结快剪算术平均值1：2.5井点完全有效K上1.471.89K下1.912.191：2.5井点失效K上1.211.54K下