鋼板樁防波堤在港口工程中的應(yīng)用

郭東 張燕鵬

【摘 要】論文主要介紹了鋼板樁防波堤在唐山某項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用，通過設(shè)置鋼板樁防波堤，減小了圍堰結(jié)構(gòu)斷面以及港池回淤，從而降低了項(xiàng)目的整體造價(jià)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，為施工提供了方便，降低了生產(chǎn)成本，為類似工程提供了借鑒。

【Abstract】This paper mainly introduces the application of steel sheet pile breakwater in a project in Tangshan， by setting the steel sheet pile breakwater， the cofferdam structure section and harbor siltation is reduced， thereby the overall cost of the project is reduced， and achieves good economic benefits， and provides convenience for construction， reduces the production cost， which provides a reference for similar projects.

【關(guān)鍵詞】鋼板樁防波堤；圍堰結(jié)構(gòu)；港池回淤；經(jīng)濟(jì)效益

【Keywords】steel sheet pile breakwater ；cofferdam structure； port pool siltation； economic benefits

【中圖分類號(hào)】U653 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）03-0149-03

1 引言

鋼板樁是一種帶有鎖口、邊緣帶有聯(lián)動(dòng)裝置的冷彎型鋼，截面包括U形、Z形和Ω形等多種形式。其主要靠相鄰的鋼板樁鎖口相互咬合連接、嵌入土體的彎矩、墻后的主動(dòng)土壓力以及樁體的拉伸作用，形成連續(xù)的墻體，起到止水、擋土以及消浪的作用。主要優(yōu)點(diǎn)有：強(qiáng)度高，自身重量輕，容易打入堅(jiān)硬土層，形成的連續(xù)墻體具有很高的強(qiáng)度和剛性；防水性能好，鋼板樁連接處鎖口結(jié)合緊密，可自然防滲，能按需要組成各種外形的圍埝，并可多次重復(fù)使用[1]。因此，它的用途廣泛。

2 概況簡(jiǎn)介及背景

京唐港某項(xiàng)目位于唐山港京唐港區(qū)漁碼頭東南側(cè)，臨近祥云灣旅游區(qū)，與已建的京唐港三期擋砂堤距離200m。項(xiàng)目共建設(shè)9個(gè)海監(jiān)船泊位，分別位于港池北側(cè)、西側(cè)、南側(cè)，依次建設(shè)3個(gè)1000GT泊位（水工建筑物為北側(cè)碼頭）、3個(gè)1000GT泊位及1個(gè)3000GT泊位（西側(cè)碼頭）、2個(gè)3000GT泊位（南側(cè)碼頭）。為形成碼頭陸域，在碼頭前方建設(shè)施工臨時(shí)圍堰，并待完成吹填造陸、地基處理后，進(jìn)行碼頭主體結(jié)構(gòu)施工。

唐山港港務(wù)局已建的三期擋砂堤與本項(xiàng)目的內(nèi)外護(hù)岸、臨時(shí)圍堰形成半封閉區(qū)域，圍堰位于碼頭前沿線外側(cè)15m，三者對(duì)港池區(qū)域形成有效掩護(hù)，在本項(xiàng)目南側(cè)外護(hù)岸與三期擋砂堤間預(yù)留主航道口門，口門寬度約為225m，詳見圖1項(xiàng)目總平面布置圖。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)波浪要素見表1。

根據(jù)該項(xiàng)目區(qū)域設(shè)計(jì)條件，臨時(shí)圍堰最初設(shè)計(jì)方案為：按臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮允許越浪。堤身采用充填袋結(jié)構(gòu)，堤外坡比為1：2。護(hù)面結(jié)構(gòu)采用兩層300～400kg塊石，坡下方為300cm厚袋裝碎石及土工布，堤腳處為60～100kg護(hù)底塊石，其下鋪設(shè)土工布軟體排。最初圍堰結(jié)構(gòu)斷面圖見圖2。

這種圍堰結(jié)構(gòu)形式經(jīng)專家探討后，認(rèn)為該方案雖然技術(shù)較成熟，但施工起來難度較大，尤其是項(xiàng)目東圍堰位置，因靠近主航道口門，波浪的波高較大，水流走向較復(fù)雜，水流較急，極易形成水流漩渦，必須在圍堰外側(cè)大型護(hù)面塊石上增加3T扭王字塊，不僅造價(jià)較高，同時(shí)也為后期拆除增加了困難，如果圍堰位置塊石清理不干凈，會(huì)對(duì)后期港池內(nèi)疏浚增加極大困難，同時(shí)對(duì)進(jìn)港來往船只造成安全隱患，因此有必要調(diào)整最初設(shè)計(jì)方案。

3 調(diào)整后設(shè)計(jì)方案

2016年設(shè)計(jì)單位發(fā)送了修改后的圍堰施工圖，改后的設(shè)計(jì)說明書在設(shè)計(jì)波浪要素中提到由于本項(xiàng)目外護(hù)岸與項(xiàng)目續(xù)期工程鋼板樁防波堤的建設(shè)，與京唐港三期擋砂堤之間形成封閉水域，外海波浪得到有效掩護(hù)，本項(xiàng)目圍堰及隔堰結(jié)構(gòu)全部位于該水域內(nèi)，故不考慮波浪作用。修改后的圍堰方案：圍堰仍按臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，堤身采用充填袋結(jié)構(gòu)，頂寬為2.0m，頂標(biāo)高為4.5m，外坡坡比為1：1.5，內(nèi)坡坡比為1：1。堤身外鋪300g/m2土工布，堤外側(cè)土工布鋪設(shè)范圍為0.0m標(biāo)高至堤頂，堤內(nèi)側(cè)為3.0m標(biāo)高至堤頂。同時(shí)在主航道口門處增加一道鋼板樁防波堤。調(diào)整后圍堰結(jié)構(gòu)斷面圖見圖3。

此種方案與最初方案相比，取消了圍堰海側(cè)的護(hù)面塊石、袋裝碎石、護(hù)底塊石以及頂部的混凝土擋塊等，僅保留了圍堰海側(cè)設(shè)計(jì)低水位以上的300g/m2的防老化土工布，用以保護(hù)圍堰堤身，以防止日曬風(fēng)吹老化。

4 鋼板樁防波堤結(jié)構(gòu)形式

因封閉水域內(nèi)圍堰臨時(shí)結(jié)構(gòu)取消了護(hù)面、護(hù)坡措施，須在主航道口門位置增加封堵設(shè)施，經(jīng)設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位以及相關(guān)專家反復(fù)討論研究，最終決定采用造價(jià)較低的鋼板樁防波堤進(jìn)行封堵，防波堤前后兩側(cè)使用圍堰堤身進(jìn)行防護(hù)和支撐。待港池內(nèi)碼頭施工完成，臨時(shí)圍堰失去防護(hù)作用后，將鋼板樁拔除。

根據(jù)設(shè)計(jì)單位計(jì)算結(jié)果，防波堤也為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為III級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=0.9。確定的鋼板樁防波堤結(jié)構(gòu)形式如下：鋼板樁形式采用進(jìn)口冷彎U型拉森4w（SP-Ⅳw型），單根樁長(zhǎng)度為18m，頂標(biāo)高4.0m，樁間上部使用鋼導(dǎo)梁連接增加聯(lián)鎖作用[2]。單根樁寬度600mm，此種鋼板樁滿足設(shè)計(jì)最小截面模量和最小慣性矩的要求。鋼板樁上部鋼導(dǎo)梁兩側(cè)采用36b工字鋼，通過M24螺栓與鋼板樁連成一個(gè)整體，加強(qiáng)鋼板樁的整體性和強(qiáng)度。鋼板樁及緊固件材質(zhì)均為Q345[3]。

由于南外護(hù)岸與鋼板樁防波堤合攏過程中及鋼板樁防波堤與已建京唐港三期擋砂堤合攏過程中由于泥面處流速增大，可能會(huì)造成鋼板樁底部泥面處沖刷。為防止沖刷，在鋼板樁防波堤兩端采取了相應(yīng)的防護(hù)措施，同時(shí)與本項(xiàng)目港池在同一航道的還有大唐電廠取水通道口，所以有必要在鋼板樁的端頭段設(shè)置過水通道。

鋼板樁兩側(cè)圍堰堤底鋪設(shè)土工布砂肋軟體排，外側(cè)緊貼鋼板樁的軟體排頂部鋪設(shè)1m厚充填袋，寬度10m，內(nèi)側(cè)緊貼鋼板樁排頂鋪設(shè)充填袋至0.0m，寬度6m；兩側(cè)充填袋外側(cè)坡比均為1：1.5。見圖4鋼板樁防波堤結(jié)構(gòu)斷面圖。

鋼板樁內(nèi)側(cè)的圍堰充填袋施工至+0.0m，起到增加樁后被動(dòng)土壓力的作用，海側(cè)施工兩層充填袋，同時(shí)鋼板樁兩側(cè)的圍堰充填袋還起到防止波流對(duì)原泥面的沖刷作用。

鋼板樁與已建京唐港三期擋砂堤銜接處拋填3T扭王字塊體，其頂面寬度為6.0m，頂高程為3.5m，內(nèi)、外側(cè)坡坡比均為1：1.5，西側(cè)與鋼板樁東端相接，東側(cè)與京唐港三期擋砂堤扭王字塊體護(hù)面垂直相接。鋼板樁東端向西10m范圍內(nèi)，內(nèi)側(cè)及外側(cè)均設(shè)置充填袋，充填袋在鋼板樁兩側(cè)結(jié)構(gòu)相同，頂標(biāo)高為3.5m，寬度為3m，外坡坡比為1：1.5，內(nèi)側(cè)緊貼鋼板樁設(shè)置。扭王字塊間的縫隙由于具有透水性能，完全能夠滿足后方大唐電廠取水用量。

鋼板樁防波堤施工順序：

①鋪設(shè)土工布砂肋軟體排；

②打設(shè)鋼板樁；

③鋼板樁兩側(cè)充填袋施工；

④拋填鋼板樁東側(cè)3T扭王字塊。

鋼板樁打設(shè)過程中，應(yīng)隨時(shí)做好監(jiān)測(cè)，確保底部土工布砂肋軟體排保持平整；鋼板樁應(yīng)隨打隨支護(hù)，即及時(shí)進(jìn)行兩側(cè)充填袋防護(hù)和上部鋼導(dǎo)梁的安裝，并保證充填袋與鋼板樁連接緊密。同時(shí)，特別注意鋼板樁泥面處的沖刷，如沖刷嚴(yán)重，須及時(shí)采取修復(fù)措施如在泥面上方增加高強(qiáng)度土工格柵等。

5 取得的經(jīng)濟(jì)效益

如果按照最初的設(shè)計(jì)方案施工，圍堰臨時(shí)結(jié)構(gòu)相對(duì)于調(diào)整后方案每延米增加護(hù)面塊石14.3m3、護(hù)坦、護(hù)腳塊石5m3、土工布軟體排15m2、漿砌塊石擋土墻0.8m3、拆除方量3.8m3。從下表中我們可以直觀地看出取得的經(jīng)濟(jì)效益。

從表2中可以看出，調(diào)整后的設(shè)計(jì)方案比最初的設(shè)計(jì)方案節(jié)省了近287萬元，經(jīng)濟(jì)效益比較客觀。調(diào)整后的設(shè)計(jì)方案中待圍堰臨時(shí)結(jié)構(gòu)拆除后，港池內(nèi)可直接采用大型絞吸船進(jìn)行港池挖泥，無須采用最初計(jì)劃的抓斗船，從二者的工作效率比較，絞吸船明顯高于抓斗船，單此一項(xiàng)可節(jié)約投資近30萬元。最初的設(shè)計(jì)方案中因主航道口門沒有封堵，根據(jù)渤海灣淤泥質(zhì)粉砂海岸的回淤規(guī)律，調(diào)整后的設(shè)計(jì)方案可減少港池回淤工程量近12.5萬方，節(jié)省投資近206萬元，從此可以看出鋼板樁防波堤有良好的擋土作用。項(xiàng)目總體投資節(jié)省近287萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。與此同時(shí)，施工工期提前近2個(gè)月，節(jié)約了施工單位生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目采用鋼板樁防波堤與內(nèi)外護(hù)岸、三期擋砂堤形成全封閉區(qū)域，從而減少圍堰的斷面結(jié)構(gòu)形式是一次大膽創(chuàng)新，不僅減少了工程造價(jià)，而且推進(jìn)了鋼板樁在水運(yùn)工程港口項(xiàng)目中的應(yīng)用，同時(shí)為施工帶來了極大的方便，降低了生產(chǎn)成本，在類似的工程項(xiàng)目中可以借鑒。

【參考文獻(xiàn)】

【1】史景光.鋼板樁施工技術(shù)[J].工程技術(shù)（文摘版），2015（08）：2.

【2】GB/T 29654-2013 冷彎鋼板樁[S] .

【3】陸寬.鋼板樁擋浪結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)水運(yùn)，2016，16（2）：261-263.