基于分项系数法的防洪涝泵站地基稳定性分析

时间：2024-07-28

黎仲佳

（东莞市水务技术中心，广东东莞 523413）

引言

一般而言，泵站泵房地基通常存在较为复杂地质结构[1，2]，其地质缺陷很难被发现[3-5]，若不开展稳定性分析计算，则可能形成难以预知的滑动通道[6，7]，甚至造成严重的水利工程事故[8]。因此，开展泵站工程进行稳定性分析与安全评价具有重要意义。传统的泵站稳定性分析一般均按照规范规定的方法进行简单的计算[9]，而忽略了超载、材料弱化等因素对泵站安全服役的影响[10]。

随着东莞西站的建成通车、站场周边片区城市化进程的加快以及城市硬化面积的增大，一方面，致使片区的蓄水能力下降，城市内降雨形成的径流不仅量增，而且汇流速度加快；另一方面，由于片区内现状雨水管设计暴雨重现期均为0.5～1年一遇，其排水标准偏低，且近年来极端天气呈偏多趋势，使得排水不畅的现象更加严重，极大地影响了当地人民群众的生产生活安全。

鉴于此，本文以片区拟建防洪涝工程泵房为例，综合运用分项系数法及有限单元法，建立了东莞西站站场片区防洪涝泵站仿真模型，开展了复杂条件下基于分项系数法的东莞西站站场片区防洪涝氹涌泵站基础渗漏、侧向滑移分析。由于本方法考虑了超载、材料弱化因素对泵站的影响，使得所提方法含有可靠度的意义，其计算结果更加准确、客观。

1 工程概况

内涝范围主要为东莞西站站场片区，通过新建雨水管道把东莞西站站场片区的雨水排入周边的河道，并新建下漕泵站和氹涌泵站控制下漕排渠和氹涌的水位，使得东莞西站站场片区不受下游水位顶托，能够顺畅自排。设计总涉及面积4.027 km2，其中新建管网控制集水范围0.42 km2。工程总布置图见图1。

图1 工程总布置图

氹涌泵站推荐方案为：在现状氹涌出水口新建氹涌泵站与自排闸的基础上，拆除现状氹涌水闸。根据氹涌村委要求，泵房尽量靠近旧水闸，自排闸布置在靠近旧水闸一侧。

1.1 泵站原址的地质条件

根据工程地质勘探深度范围，场地地层由新至老为第四系填土层（Q4ml）、第四系冲积层（Q4al）、第三系岩层（E）。拟建的泵站建筑物场区淤泥、软可塑粉质黏土、黏质粉土分布较广泛，地基承载力不能满足建（构）筑物变形要求，不宜直接采用天然地基浅基础，可采用冲（钻）孔或旋挖桩型，以中风化泥岩为持力层，施工时应留意桩内情况。其中，风化泥岩：黑灰色，微细粒结构，层状构造，岩芯呈短柱状，风化较严重，为软岩，较破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级；钻孔详细数据情况见于地层统计表，层厚2.20～4.70 m，风化不均匀，层顶深度23.10～33.00 m，埋深变化大，层顶高程-29.50～-21.60 m。

1.2 泵站基础的形式

施工时需对表层的填筑土进行开挖，填土层厚度2.70～3.20 m，均为公路建设堆填组成，密实度较好；沿线均有淤泥分布，厚度0.80～10.00 m，厚度较大，均呈流塑～软塑状态；开挖所形成的基坑边坡稳定性较差，因此采取放坡开挖，填土层坡率宜为1∶1.75～1∶2.00，淤泥及其软弱土层宜用钢板桩支护，并采取其他支护措施。外侧施打密排钢管桩，桩径630 mm，壁厚16 mm，桩中心间距0.83 m，桩间净距0.20 m，桩长27.00 m。后排施打同样规格的钢管桩，桩中心间距1.66 m，桩长19.00 m。排桩顶部均采用双拼槽钢连接形成整体，前后排桩间采用工字钢联系梁结构。前排桩间挂钢筋网，喷10 cm厚混凝土保护，防止土体漏出。

为了减少基础桩顶位移，设置了一道钢管对撑，采用直径609 mm的钢管，中心线高程-1.5 m。集水井深挖部位7.2 m范围内，增加一道钢管支撑。对撑钢管间距5 m，沿基坑中心线设一排立柱，基础采用Φ800 mm钢筋混凝土钻孔灌注桩，在其上插钢结构格构柱。

1.3 泵站的结构

根据水泵选型，氹涌泵站需安装2台1200ZLB-125型轴流泵，考虑到氹涌泵站是西站片区主要排水泵站，而西站作为东莞市四大铁路枢纽之一，需要较高的排涝保证率，因此氹涌泵站增加1台备用机组，总装机为3台。氹涌泵站装机流量为11.79 m3/s，总装机容量为750 kW；自排闸净宽6 m，设计流量31.87 m3/s。其地基处理采用Φ500 mm水泥土搅拌桩。

泵房分主厂房、副厂房、检修间、进口拦污栅、自排闸等部分。主泵房采用湿室型泵房，装3台直径Φ1.20 m轴流泵。主厂房水泵层布置轴流泵。水泵进水口底高程-3.40 m，出口底高程-1.76 m。出口设置拍门，同时设置电动单梁悬挂式起重机作为检修起吊设备。防洪闸共分3孔，每孔净宽3.60 m，总净宽10.80 m，设计闸底高程-1.76 m，设钢闸门3扇。主厂房电机层高程5.00 m，设计起排水位为0.50 m，最高运行水位为1.75 m，最低运行水位为0 m，单机流量为Q=3.93 m3/s。新建位于泵房自排流道的自排闸为1孔，垂直水流方向净宽6.00 m，闸底板面高程-1.76 m。泵氹涌泵站是东莞防洪涝工程的控制性建筑物之一，对其稳定分析具有重要意义。

2 计算原理与方法

由于氹涌泵站属于小型水利建筑物，只需开展单滑面深层侧向滑移计算即可，其安全系数为滑动面上阻滑力与滑动力之比为：

式中，K"为按抗剪断强度计算的泵站侧向滑移安全系数；f"为泵站与泵基接触面的抗剪断摩擦系数；c"为泵站与泵基接触面的抗剪断凝聚力（kPa）；A为泵基接触面截面积（m2）;（ΣW-U）为作用于泵站上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值（kN）；ΣP为作用于泵站上全部荷载对滑动平面的切向分值（kN）。

引入氹涌泵站各荷载及材料分项系数到上式（1）中，求解其安全度Kr的作用效应函数S(g)以及抗力函数R(g)：

式中，γP为泵站荷载分项系数；γW为泵站自重的分项系数；γU为泵站扬压力分项系数；γf"为泵站底部摩擦系数分项系数；γc"为泵站底部凝聚力分项系数。

根据氹涌泵站的重要性与设计状况求出目标安全度[K]，对比安全系数Kr以及[K]便可开展泵站基础渗漏、侧向滑移评价。

该工程位于永康市东南的舟山镇境内，地处杨溪水库上游，流域面积50.71km2。小流域属于水力侵蚀为主的类型区。水土流失面积14.28km2，占土地总面积的28.16%。治理措施主要分生态修复区采取封育治理和管护两项措施；生态治理区采取低丘红壤治理、退耕还林还草、废弃矿山开采裸露面治理、节水灌溉与坡面水系调整工程、垃圾处置、污水处理、农村人居环境整治、生态农业等八项措施；生态保护区采取河道生态护岸、修建拦沙曝气坝、清污清淤等措施；建设人工湿地等措施。

借助有限元分析方法开展氹涌泵站基础渗漏、侧向滑移计算分析时，融合了分项系数法的思想。其基本思想为：①泵站的计算荷载为：泵站各受力荷载均乘以分项系数。②泵站的计算参数为：材料力学参数均除以材料性能分项系数。③渗流稳定计算根据氹涌泵站的实际地质情况，假定水平与垂直方向渗透的效果一致；侧向滑移采用强度储备法，求解得到泵站强度储备系数作为泵站侧向滑移稳定安全度。④将得到基础渗漏、基地应力、侧向滑移安全度Kr与目标安全度[K]作比较，从而判定泵站是否能满足基础渗漏、侧向滑移稳定的要求。

3 计算模型的建立

构建泵站地基计算模型长宽高的尺寸分别为16.00 m、12.00 m、6.00 m，土层边界长度参考行业经验，选定为3倍基坑长度[11]，土层边界定为宽50.00 m，深40.00 m，根据实际的钻孔柱状图，划分不规则的土层，同时确定标准固定边界，下边界任意方向变形均约束为零，将左、右两边限制水平方向的位移。模型如图2所示。在拉森钢板桩周围建立了界面单元，采用基于分项系数有限元法进行泵站计算分析，计算时需对所建模型进行了简化。模型计算坐标：X轴为泵长方向，Y轴为泵宽方向，Z轴为竖向。根据本工程实际，计算时对局部重要结构进行了网格加密。模型建立好之后，关于有限元网格的划分，此次共划分了18 894单元，29 093节点。

图2 模型土层分布

主要计算物理力学参数有：抗剪摩擦系数：f=0.7（分项系数1.15），抗剪断摩擦系数：f"=1.1（分项系数1.05），抗剪断凝聚力：C=1.0 MPa（分项系数1.15），泵站地基排水折减系数0.3（分项系数1.1）。部分计算参数见表1。

表1 部分计算参数

计算荷载组合，作用在泵站地基上的荷载主要有：泵房等自重（分项系数1.0）、模型地下水的渗流压力（分项系数1.05）以及扬压力（分项系数1.1）。

4 计算结果分析

4.1 基础渗漏计算

开展泵站基础渗漏计算时，根据氹涌泵站的实际情况，综合考虑了设计、校核与检修3种不同工况：①设计运行工况：内河起排水位0.50 m，外江设计水位2.98 m；②校核运用工况：内河停机水位0.00 m，外江校核水位3.00 m；③检修运用工况：内河抽干，外江校核水位3.00 m。氹涌泵房地基基础渗漏计算表见表2。

表2 氹涌泵房基础渗漏计算表

由计算结果可知：①传统的规范方法和本文所提的基于分项系数法在各工况下氹涌泵房基础渗漏稳定系数K均大于1，两种方法的计算结果均满足规范要求。②本文所提的基于分项系数法计算的泵房基础渗漏稳定系数值更加保守，不同工况下稳定系数的差值亦较小计算结果更加合理。