锚碇圆形基坑支护结构渗流分析

1、锚碇圆形基坑支护结构渗流分析张太科 谢军 姚志安 （广州市公路管理局,广州珠江黄埔大桥建设有限公司，广州，510080）提要：黄埔大桥悬索桥锚碇基坑设计采用圆形地连墙支护结构，锚碇基坑临近珠江。为避免深基坑开挖时地下渗流破坏造成的失稳，本文针对支护结构的嵌岩深度进行渗流分析，对地连墙设计嵌岩深度的最终确定和墙下压浆措施的采取等有重要参考意义。关键词：黄埔桥；锚碇；圆形基坑；渗流1引言广州珠江黄埔大桥位于广州东南部，珠江水上距离虎门大桥34km，大桥全长7016.5m，由北引桥、北汊主桥、中引桥、南汊主桥、南引桥5部分组成。其中南汊主桥为主跨1108m的单跨钢箱梁悬索桥，梁宽41.69m。锚碇是

2、悬索桥控制性工程之一，基础设计最大埋深30m。南锚碇工程位于广州市番禺区化龙镇，桥址地处文冲船厂下游约1km，锚碇距堤岸距离约30米。基坑开挖深度为25.5米；北锚碇基础工程位于珠江波萝庙船厂段的江中的大濠沙岛上，基坑开挖深度为30m。在进行深基坑开挖时，渗流破坏是基坑失稳的主要形式。特别是在比较深的基坑中，若产生的渗流过大，使基坑背后土层产生渗透变形而下沉，造成邻近建筑物及地下管线的不均匀沉降，导致建筑物的开裂及管线的破坏，同时危及基坑的安全与使用。由于珠江黄埔大桥悬索桥锚碇临近珠江大堤，最近距离仅有30余米，所以，在满足桥梁工程使用需要的情况下，确保大堤安全也是锚碇基坑支护结构设计的一项主

3、要内容。国内同类型基坑设计时为避免渗流过大造成的破坏，曾专门设置基坑外灌浆帷幕。根据水文地质条件资料，锚区基岩的透水性比常规的大，基坑渗流问题在此尤为突出。因此根据本工程特点，进行了基坑渗流分析。2 锚碇基础设计2.1水文地质条件桥位场地上部覆盖层为第四系全新统海陆交互相沉积的淤泥、淤泥质土和粉砂、全新统冲积相亚粘土层和砂土层、第四系残积亚粘土层；下伏基岩为下古生界（Pz1）混合岩，桥址区地下水为第四系孔隙水和基岩裂隙水，具有承压性，地下水主要受珠江水和大气降水渗入补给，补给条件良好，地下水位埋藏浅。第四系孔隙水含水层为砂性土（粗砂、中砂、粉细砂），水量丰富；基岩为混合岩裂隙水，主要受基岩节理

4、裂隙发育条件限制，富水性一般较弱。在北、南两锚碇场地中央部位进行了群孔抽水试验，根据试验结果和相应的计算公式，确定各地层的渗透系数（见表1和表2）。表1 北锚碇区渗透系数（补勘） 试验段降深序号试验降深(m)抽水量(m3/d)单位涌水量(m3/d.m)渗透系数(m/d)渗透性等级孔隙含水层14.3726.746.111.174中等透水25.8534.575.938.2248.365.88残积亚粘土相对隔水层119.958.130.40.0256弱透水基岩裂隙水16.5813.492.050.1595弱透水27.3216.912.31324.8652.242.1 表2 南锚碇区渗透系数（补勘）

5、试验段降深序号试验降深(m)抽水量(m3/d)单位涌水量(m3/d.m)渗透系数(m/d)渗透性等级孔隙含水层12.41231.8996.223.238中等透水23.56332.7993.4834.32394.7191.37残积亚粘土相对隔水层117.0239.972.350.059弱透水基岩裂隙水111.10329.5429.691.781中等透水214.50422.0429.11316.05432.5526.95总的看来，南锚碇砂层和岩层透水性均比北锚大，而且两层之间的相对隔水层缺失，且距江边较近，基坑与珠江的水力联系又密切，故南锚碇水文地质条件比北锚碇复杂，对基坑开挖影响很大，应引起足够

6、重视。2.2黄埔大桥锚碇基坑支护地连墙设计1经反复比较，根据桥位处水文地质情况，基坑支护结构采用外径73m，壁厚1.2m的混凝土圆形地下连续墙，鉴于地质钻探所结果揭示的岩石单轴极限抗压强度较低、基岩破碎、裂隙发育的现状，为避免地连墙底脚发生渗流以及踢脚破坏，保证基坑的抗隆起稳定性，确定地连墙嵌入弱风化混合岩深度不小于3m，墙深3242m。基坑开挖时，内设2.0m2.5m钢筋混凝土内衬与连续墙相连。南北锚碇设计总体布置请见图1和图2。地连墙施工槽段分期、期两种槽段各25个槽段，共50个槽段，期槽段采用三铣成槽，边槽轴线处长2.8 m，中间槽轴线处长1.12m，槽段轴线处总长6.72m，

7、边槽与中间槽交角为176.9°；期槽段长2.8m，期与期之间交角为175.9°。期与期槽段在地连墙轴线处搭接长度为0.25m。地连墙具有墙体深、厚度大、需嵌岩等技术特点，为确保地连墙的施工质量和施工进度，确定采用铣接法连接方式。图1 北锚碇总体布置图2 南锚碇总体布置3圆形基坑渗流分析 23.1渗流计算 3.1.1计算断面 北锚碇选在详勘钻孔MDZK9处（即9，10墙段）。 南锚碇选在详勘钻孔MDZK18处（即25，26墙段）。 这两处是最不利的断面，因其上面没有（或极少）隔水层，砂层和基岩中水互相连通。3.1.2计算方法 采用极坐标三维空间有限差分法3.1.3极坐标三维空

8、间有限差分法 1计算原理 基坑涌水动力分析模型如图3示，为一井壁不透水、井底透水、井壁超深的集水井，珠江河视为单侧恒水头补给边界。基本水动力方程为不考虑降雨渗入的地下水渗流偏微分方程组。以上各式中：h 渗流场中的水头，它是空间(x, y, z)的函数；h0 珠江河岸的衡水头，取风暴潮潮水位6.73m（广州城建高程）； 图3 基坑涌水动力分析原理剖面图方程组的解算方法为极坐标的三维有限差分法，垂直差分步距为1.0m，轴向差分步距为1.0022.36m，与计算点的径向坐标反相关；切向差分步距0.5o；垂直计算深度至基岩裂隙含水层底面，恒水头补给边界的计算半径为500m。2计算结果（见表3-1和表3

9、-2）北锚碇基坑渗流补充水动力分析主要成果地面标高：5.60m含、隔水层结构含、隔水层名称孔隙含水层残积砂质粉质粘土相对隔水层基岩裂隙含水层底面标高(m)-8.4-24.2-39.2厚度(m)1415.815渗透系数（m/d）1.1740.02560.1595基坑中心与珠江水体距离(m)261补给边界水头标高(m)6.73基坑直径(m)70.6基坑开挖深度(m)30.0基坑开挖标高(m)-24.4地连墙底部深度(m)33.033.536.039.040.141.1地连墙底部标高 (m)-27.4-27.9-30.4-33.4-34.5-35.5地连墙底部地层弱风化岩弱风化岩弱风化岩弱风化岩弱风

10、化岩弱风化岩正常涌水量 (m3/d)基坑底部平均出渗水力坡度1.4951.3461.0290.73230.61660.5221基坑边缘最大出渗水力坡度2.1511.4230.9710.7700.609瞬时最大涌水量(m3/d)1668说明1、本表中的高程均为广州高程系统；2、含、隔水层的厚度按主抽水孔揭露情况取值，其中基岩裂隙含水层厚度是经验估计值。表4 南锚定基坑渗流补充水动力分析主要成果地面标高：5.60m含、隔水层结构含、隔水层名称孔隙含水层残积砂质粉质粘土相对隔水层基岩裂隙含水层底面标高(m)-15.2-22.7-32.7厚度(m)20.87.510渗透系数（m/d）3.2380.05

11、91.781基坑中心与珠江水体距离(m)88补给边界水头标高(m)6.73基坑直径(m)70.6基坑开挖深度(m)25.5基坑开挖标高(m)-19.9地连墙底部深度(m)28.531.531.934.535.539.0地连墙底部标高 (m)-22.9-25.9-26.3-28.9-29.9-33.4地连墙底部地层弱风化岩弱风化岩弱风化岩弱风化岩弱风化岩弱风化岩正常涌水量 (m3/d)基坑底部平均出渗水力坡度1.1070.4950.4500.2220.1290.018基坑边缘最大出渗水力坡度1.5680.7020.6290.3350.1810.024瞬时最大涌水量(m3/d)6270说明1、本表

12、中的高程均为广州高程系统；2、含、隔水层的厚度按主抽水孔揭露情况取值，其中基岩裂隙含水层厚度是经验估计值。从上述计算结果可以看出，hd=3.0m时，北锚最大出逸比降imax=2.151，远远大于强风化层的允许比降0.7，可能会发生渗透破坏；同样hd=3.0m的南锚碇基坑,其最大出逸比降达1.568,渗透破坏会更严重。必须增加Hd，或者在墙底下进行帷幕灌浆，以延长渗流路径。3.2.4手算法1计算原理见图4 图4 均匀土层水压力分布图 在分层地基中，可以认为总的水头损失等于由各分层地基中水头损失之和；且各层土的渗透系数k和渗透比降i成反比。由此首先求得最小的渗透比降i（其渗透系数k最大），再推求其

13、余i值，再分段求出其水头损失值，最后可得到地连墙上的全部水压力图形。并且可以判断基坑底部渗流是否稳定。2计算结果（见图5）3.2渗流计算成果分析1hd的大小，关系到基坑工程安全和工程造价，应当慎重选择。2hd不但要满足基坑和墙体的稳定和强度分析，还要满足渗透稳定要求，也就是要满足平均渗透比降和最大出逸比降以及抗突涌的要求。3根据不同嵌岩深度hd的计算，发现hd与墙体内侧弯矩成反比关系，即hd越小，内侧弯矩越大；hd越小，则墙底渗透比降越大，越容易造成基坑涌水破坏。由此看来，应当综合考虑几方面的影响，进行分析比较计算，再选择合适的hd。4通过基坑渗流计算，使我们了解了它的必要性。在本工程条件下，

14、应当把渗流计算出来的hd作为基坑地连墙入岩深度的主要参考依据。5两个锚碇均应考虑把地连墙墙底的入岩深度hd增加到一定的数值，方可保证基坑不会发生事故；并且要求把透水性较大的墙底弱风化层和部分的微风化层，用灌浆的方法加以封堵，使基坑能够正常施工。4圆形锚碇基坑支护理论分析结论及应用31通过深基坑圆形地下连续墙支护结构渗流分析，得出了嵌岩深度对基坑渗流的影响。经综合考虑经济性和工程进度，结合国内外同类型工程经验，确定地连墙嵌入弱风化混合岩深度不小于3m，墙体下设灌浆帷幕（10m），基坑外不再另行设置止水帷幕。2经过开挖实践证明，广州珠江黄埔大桥悬索桥南、北锚碇基坑设计采用圆形地下连续墙支护结构，分层岛式开挖土方、逆作法施工内衬作为坑内的横向支撑结构，采用墙下压浆等方案总体设计和施工方案是可行的。现场监测结果表明，支护结构变形得到了有效控制，结构受力十分合理，基坑开挖时止水效果明显，基本实现干开挖，基坑周边土体基本无沉降。与国内同类特大型桥梁相比有较大的优化，经济效益明显。3通过墙下压浆等措施，取得了高水位、临江地区、无坑外灌浆帷幕条件下超大深基坑周边地表基本无沉降的良好效果。参考文献1.珠江黄埔大桥南汊桥施工图设计.中交公路规划设计院有限公司.20062.广州珠江黄埔大桥悬索桥锚锭地连墙施工图设计补充咨询报告. 北京远通达科技有限责任公司.20053. 广