深基坑技术在大型泵站建设中的应用

沿海地区在海洋环境及河口三角洲的交互作用下形成了砂性土层与含水量较高的软黏土层交互堆积的多层地质构造。随着城市化建设和地下空间利用的发展，基础工程和地下工程的数量越来越多，形式越来越多样化，基坑的规模和深度也越来越大。基坑开挖已涉及这些土层，由此引发了地下水渗流、土体变形和基坑稳定等问题。在地下水丰富的软土地区中进行基坑工程施工时，由于地下水位高，为避免流砂、管涌和坑底突涌等工程事故，防止坑壁土体的坍塌，保证施工安全和减小基坑开挖对周围环境的影响，需要采取合理措施进行降水和止水，防止结构主体开裂。因此，基坑围护工程既涉及地下水的渗流、土体的强度和变形，又涉及基坑工程的安全和稳定性，以及环境保护问题等，是一门兼具实践性和综合性的岩土工程学科。

（1）基坑围护降水设计技术

基坑在开挖过程中受到周围土体、地表荷载和坑底承压水的浮托力等各种荷载的作用，往往产生一定的变形和位移，对周围环境产生不同程度的影响，轻则延缓工期，增加工程造价，重则危及周边建筑设施和人民生命财产安全，造成巨大的损失。常见的基坑破坏包括边坡破坏、坑底隆起、突涌和围护结构破坏等。调查表明基坑工程事故多是由于地下水处理不当造成的。基坑工程中为避免流砂、管涌，保证工程安全，必须对地下水采取控制措施。基坑降水的设计理论方法主要有解析法、模型优化法和数值分析法三类，归纳见表1-2。

表1-2 基坑降水的设计理论方法

（2）基坑结构计算方法(www.xing528.com)

近年来，随着一大批大型原水及输配水工程的建设，泵站大型基坑工程不断涌现，通过这些工程的建设，积累了大型泵站工程设计和建设的经验。大型泵站的底板及流道在几何上是一个复杂的空间结构，各类荷载的分布往往也很复杂，结构体系还必须满足防洪防渗的要求，几何特征和荷载特性均与弹性理论中的平面应变条件有较大的差异。

现行水闸和泵站设计规范推荐使用“截条法”，即沿水流方向截取单位宽度的底板简化为横向弹性基础梁或框架进行计算，实际就是把空间问题简化为平面问题来计算。软土地基上水闸、泵站底板的结构计算采用“截条法”进行，但在计算理论上存在着诸多缺陷：①水闸、泵站的底板在几何上是一个复杂的空间结构，荷载的分布往往也很复杂，几何特征和荷载特性均与弹性理论中的平面应变条件有较大的差别；②“截条法”中引进的不平衡剪力及其分配，只是为了满足结构的静力平衡而采取的一种“补偿”，实际上并不能反映结构真实的受力情况；③“截条法”在计算不平衡剪力的时候假设地基反力顺水流方向直线分布也不符合实际情况。因此，采用“截条法”进行底板结构分析，其计算结果与实际情况会产生较大的误差。这种误差与底板的几何形状和荷载分布有关。对于水闸底板，由于其形状和荷载相对比较匀称和简单，“截条法”的计算结果在某些条件下尚可以接受，而对于大型泵站底板，由于涉及机电设备布置和流道的影响，其几何形状和荷载分布相当复杂，对于这样的空间体系，如果简化为平面问题分析，误差将更显著。按照空间问题进行底板、地基和上部结构的联合受力分析，可以比较精确地求出其应力和变形情况。随着计算机技术的发展和具备强大运算、前后处理功能的大型有限元分析系统的出现，对这样的结构进行比较精确的分析成为可能。

由于大型有限元分析方法工作量巨大，在工程实践中，根据现行水闸和泵站设计规范的推荐，通常还是用“截条法”将其简化为平面问题分析，在这种情况下，如何正确评估这种简化计算所导致的差异，对于保证设计的安全和经济具有重要意义。这种评估应该包括以下几个内容：①从定性的角度比较两种计算方法所求得的应力和变形的分布规律的异同；②从定量的角度对应力和内力进行比较；③比较平面计算中选择不同的计算断面对结果的影响等。

随着数值计算理论的发展，有限单元法已经成为处理各种复杂工程问题的重要分析手段。由于近几年来计算机软件技术的飞速发展，大型通用有限元分析软件ANSYS已经广泛用于钢结构、混凝土房屋建筑、体育场馆、桥梁、大坝、隧洞以及地下工程中。通过ANSYS可以对各种结构在外载作用下的应力、变形、稳定性及动力特性做出分析。有限单元法的应用离不开计算机、有限单元法应用软件。随着有限单元法理论的发展与完善，现已开发了多种大型通用有限元程序，它们一般包括结构的静、动力分析和稳定、非线性分析等功能，有的还包含热传导、热应力、流体分析等功能，有齐全的单元库。利用通用程序，一般的工程问题均可得到解决。有限元分析软件ANSYS可以很容易实现预应力施加和计算、徐变、施工过程模拟、混凝土压溃和开裂计算。上海金茂大厦、国家大剧院、二滩电站、三峡工程都使用了ANSYS软件进行有限元仿真。上海勘测设计研究院在太浦河泵站的设计中就使用了有限元分析，考虑底板、基础、墩墙和顶板的共同作用，应用有限单元法对底板进行了简化的平面二维和空间三维结构分析。