鋼板樁圍堰技術(shù)在沿海淤泥質(zhì)土中的應(yīng)用

周成洋，袁 聰，林 立

（江蘇省淮沭新河管理處，江蘇淮安223001）

1 工程概況

新沂河?？跇屑~工程位于新沂河出海口，是沂沭泗流域洪水東調(diào)南下工程的重要組成部分，主要包括北深泓閘（設(shè)計流量2 027 m3/s）、中深泓閘（設(shè)計流量3 348 m3/s）、南深泓閘（設(shè)計流量2 425 m3/s）。2018年4月，南、北深泓閘經(jīng)江蘇省水利廳安全鑒定均為三類閘。

2020年12 月，江蘇省發(fā)展改革委員會批復(fù)工程初步設(shè)計；2021 年10 月，工程開工建設(shè)。北深泓閘下游導(dǎo)流墻拆建及閘墩、堰頂防碳化處理施工時，上游截流措施為安裝檢修閘門擋水，下游截流措施為在距閘下游約200 m處施打鋼板樁圍堰。該地區(qū)由地表向下地質(zhì)分布漸次進(jìn)行，依其土質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)特征劃分為7 層，下游圍堰大部位于①層灰黃色黏土上，中部位于③層淤泥質(zhì)重黏土、黏土上，樁底位于⑤層重砂壤土上。

2 圍堰設(shè)計

施工圍堰頂高程取5.5 m，采用雙排鋼板樁圍堰（截面模量不小于3 820 cm3/m），寬度為12 m，鋼板柱頂高程3.6 m，在高程3.0 m及2.5 m分別設(shè)置2道Ф50 mm＠100 cm 鋼拉桿（HRB400），2 排鋼板柱間回填素土，樁底高程-23.4 m，打入⑤層土，3.6~5.5 m堆設(shè)袋裝土子堰，圍堰頂覆蓋彩條布；灘地圍堰采用土圍堰，頂寬4 m，邊坡1∶3，圍堰總長約400 m，其中鋼板樁圍堰長度230 m，兩側(cè)灘地圍封土圍堰長度約170 m［1］。

3 總體施工方案選擇

由于北深泓閘下游河道與外海相通，受潮汐影響，一天2潮，潮漲潮落，且下游河床淤積嚴(yán)重，河底為深厚淤泥土，下游圍堰施工難度大，施工期維護(hù)困難。為確保下游圍堰安全和施工安全，下游河道采用雙排鋼板樁圍堰截流方案。

經(jīng)調(diào)研連云港地區(qū)同類工程深厚淤泥質(zhì)地基鋼板樁圍堰的施工實(shí)踐，如采取先打鋼板樁，后在兩排樁內(nèi)填土，填土高度達(dá)7.6 m，其產(chǎn)生的側(cè)向土壓力，對嵌固在15 m厚淤土中的鋼板樁勢必產(chǎn)生擠壓變形，在圍堰拆除時，很多鋼板樁拔不上來，只能截斷，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。為避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失，擬采取先筑土堤圍堰，后施打鋼板樁的方案，在穩(wěn)定的土體中插打鋼板樁，鋼板樁變形小，回收率高，而且對圍堰運(yùn)行更安全。

根據(jù)新沂河下游河口水文資料，多年平均高潮位1.94 m，多年平均低潮位-1.15 m，平均潮差3.11 m。在鋼板樁施工前，先進(jìn)行土堤圍堰施工，土堤頂高程2.5 m，頂寬6 m，高程0.0 m 以上邊坡1∶3，高程0.0 m以下邊坡1∶10，土堤截面積277.75 m2，北深泓閘下游段土堤土方量約6.4萬m3。為了減少土方在水下攤鋪的范圍，在土圍堰填筑時，在圍堰基面預(yù)先鋪設(shè)土工格柵，增加土體滑動阻力［2］。

鋼板樁圍堰施工流程為：施工測量→灘地土圍堰施工→北深泓段土堤圍堰施工→土堤上下游鋼板樁插打→拉桿、圍檁安裝→鋼板樁內(nèi)圍堰填土→袋裝土擋水子堰施工→圍堰驗收→閘塘排水→圍堰后戧修整。

4 鋼板樁圍堰穩(wěn)定驗算

4.1 工程地質(zhì)及水文

鋼板樁圍堰位置河底土層為③1層淤泥質(zhì)黏性土，直接快剪指標(biāo)Φ=2.9°、C=6.0 kPa。下臥層為③2、③3層淤泥質(zhì)黏土，樁底位于⑤層重砂壤土上，入土深度約2 m。

施工期水位：內(nèi)河側(cè)取正常擋水位2.00 m，外海側(cè)10 年一遇潮位3.73 m，基坑側(cè)無水，河底高程為-4.0 m，計算基準(zhǔn)面高程取-4.0 m。經(jīng)計算，下游圍堰抗滑穩(wěn)定及抗?jié)B穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，計算成果見表1。

表1 圍堰穩(wěn)定計算成果

復(fù)核計算鋼板樁截面模量為2 700 cm3/m，經(jīng)計算鋼板樁樁身最大彎矩為112 kN·m，鋼板樁樁頂位移為12 cm，滿足設(shè)計要求，鋼板樁截面模量滿足要求。

4.2 圍堰復(fù)核計算

根據(jù)上述施工方案，圍堰采用NSP-IVw 鋼板樁，截面模數(shù)不小于2 700 cm3/m，雙排鋼板樁間距12.0 m，中間填土，鋼板樁與填土間鋪設(shè)土工布（其中外海側(cè)為800 g/m2防滲土工布），鋼板樁頂高程3.60 m，鋼板樁底高程-23.40 m。樁頂迎水側(cè)上壓袋裝土覆蓋防護(hù)，袋裝土頂高程5.50 m。鋼圍檁采用H400 mm×400mm×11mm×18mm型鋼。圍堰分別在高程3.50 m及2.50 m 處設(shè)2 道直徑50 mmHRB400@100 cm鋼拉桿；其中上排鋼拉桿材質(zhì)為Q235鋼，下排為Q345鋼。鋼板樁基坑側(cè)先筑土堤頂高程1.00 m，邊坡采用1∶3至高程0.00 m。

圍堰外施工期外海側(cè)10年一遇高潮位為3.73 m，河底高程為-4.00 m，計算填土高程為3.60 m。圍堰內(nèi)素填土考慮擠淤深度1.50 m，即填土底高程-5.50 m，填土采用黏性土，采用指標(biāo)Φ=15°、C=10.0 kPa。河底土層為③1層淤泥質(zhì)黏性土，直接快剪指標(biāo)Φ=2.9°、C=6.0 kPa。③2、③3按地質(zhì)勘探成果取用，樁底位于⑤層重砂壤土上，Φ=23.6°、C=5.4 kPa，鋼板樁入⑤層土深度約3 m。

依據(jù)《水利水電工程鋼板樁圍堰技術(shù)規(guī)范》（T/CWEA 12—2020），鋼板樁圍堰的安全等級，應(yīng)根據(jù)圍堰級別、圍堰周邊環(huán)境、地質(zhì)復(fù)雜程度和圍堰深度，按表2 確定，本圍堰級別為4 級水工建筑物，安全等級為二級。

表2 鋼板樁圍堰安全等級劃分

4.2.1 圍堰整體穩(wěn)定性驗算

依據(jù)《水利水電工程鋼板樁圍堰技術(shù)規(guī)范》（T/CWEA 12—2020）雙排鋼板樁圍堰的整體穩(wěn)定性可采用瑞典圓弧法計算［3］。本次設(shè)計采用autobank程序?qū)︿摪鍢秶呖够M(jìn)行穩(wěn)定計算，計算結(jié)果見圖1。

圖1 鋼板樁圍堰圓弧滑動計算結(jié)果

經(jīng)計算，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.17，本鋼板樁圍堰安全等級為二級，安全系數(shù)要求不低于1.05，計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4.2.2 圍堰抗傾覆穩(wěn)定性驗算

依據(jù)《水利水電工程鋼板樁圍堰技術(shù)規(guī)范》（T/CWEA 12—2020）雙排鋼板樁圍堰的抗傾穩(wěn)定性計算見式（1），計算簡圖見圖2。

圖2 雙排、格形鋼板樁圍堰抗傾覆穩(wěn)定性驗算

式中：Ke為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)，安全等級為一級、二級、三級的鋼板樁圍堰，Ke分別不應(yīng)小于1.25、1.2、1.15；Epk、Eak分別為基坑內(nèi)、外側(cè)荷載合力的標(biāo)準(zhǔn)值，kN；ap、aa分別為基坑內(nèi)、外側(cè)荷載的合力作用點(diǎn)至擋土構(gòu)件底端的距離，m；G為鋼板樁、樁間土的自重之和，kN；aG為鋼板樁、樁間土的重心至前排樁邊緣的水平距離，m。

經(jīng)計算，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為1.51，本鋼板樁圍堰安全等級為二級，安全系數(shù)要求不低于1.2，計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4.2.3 鋼板樁結(jié)構(gòu)驗算

采用SGR計算程序計算鋼板樁結(jié)構(gòu)，鋼板樁內(nèi)外土壓力及水壓力大小錄入計算程序中，從安全角度考慮，圍堰兩側(cè)及鋼板樁內(nèi)土壓力均按被動土壓力計算。

將基坑內(nèi)土視為具有地基系數(shù)隨深度成正比增長的彈性變形介質(zhì)，相應(yīng)于深度y處的基礎(chǔ)側(cè)面土的地基系數(shù)Cy=my，河底土層為③1層淤泥質(zhì)黏性土，m取2 000 kN/m4，樁底位于⑤層重砂壤土m取10 000 kN/m4。計算模型見圖3。

圖3 鋼板樁圍堰計算模型

復(fù)核計算鋼板樁截面模量為2 700 cm3/m，經(jīng)計算鋼板樁樁身最大彎矩為112 kN·m，鋼板樁樁頂位移為12 cm，滿足設(shè)計要求，鋼板樁截面模量滿足要求。鋼板樁彎矩計算、位移計算見圖4、圖5。

圖4 鋼板樁彎矩計算結(jié)果

圖5 鋼板樁圍堰位移計算結(jié)構(gòu)

圍檁選用槽鋼32a雙拼，經(jīng)計算，圍檁選用槽鋼32a雙拼可滿足要求。

5 鋼板樁圍堰施工

5.1 先導(dǎo)土堤施工

5.1.1 預(yù)留龍口位置

先導(dǎo)土堤長230 m，頂高程2.5 m，填筑土方量約6.4萬m3，擬從兩側(cè)向河中間填土擠淤推進(jìn)，龍口預(yù)留在河道中部，由于受潮汐的影響，龍口的合攏時間選定在低潮位進(jìn)行。進(jìn)場后每天觀測記錄下游河道水位變化情況及潮汐規(guī)律，為圍堰合攏提供準(zhǔn)確水文資料。

下游圍堰軸線在閘下200 m 布置，由于北深泓閘檢修門已斷流，堰內(nèi)漲潮時涌入水量為143 060 m3，按經(jīng)驗，退潮時間3~4 h，取3.5 h，則平均退水流量為11.35 m3/s。

退潮時，龍口上游水位在不斷下降，龍口的過水流量也在不斷變化，以高潮位退潮和低潮位退潮2個時間節(jié)點(diǎn)分別計算龍口處的過水流量。

設(shè)高潮位退水時：河寬200 m，龍口寬度20 m，龍口處河底涌高1.5 m，龍口處上游水位1.94 m，下游水位1.84 m，河底高程－4.0 m，龍口水流為淹沒出流，按寬頂堰計算龍口處高潮位最大退水流量。計算公式為

經(jīng)計算：流量系數(shù)m=0.3573；收縮系數(shù)ε=0.861；淹沒系數(shù)σs=0.4；龍口處最大退水流量Q=102 m3/s，不小于平均流量11.35 m3/s；最大退水流速V=1.15 m/s，不大于3 m/s(不沖流速)。

設(shè)低潮位退水時：河寬150 m，龍口寬度20 m，龍口處河底涌高1.0 m，龍口處上游水位-1.15 m，下游水位-1.25 m，河底高程-4.0 m，龍口水流為淹沒出流，按寬頂堰計算龍口處低潮位最小退水流量。計算公式同式（2）。

經(jīng)計算：流量系數(shù)m=0.348；收縮系數(shù)ε=0.89；淹沒系數(shù)σs=0.65；龍口處最大退水流量Q=43 m3/s，不小于平均流量11.35 m3/s。退水流速V=1.23 m/s，不大于3 m/s（不沖流速）。

由此可見，先導(dǎo)土堤預(yù)留20 m 龍口，在退潮時龍口處產(chǎn)生的流速不會對下流河床形成沖刷，在低潮位6 h 內(nèi)，集中機(jī)械，備足土源，一氣呵成完成先導(dǎo)土堤的龍口合攏閉氣。

5.1.2 土方填筑

（1）圍堰填筑施工機(jī)械配備。本工程下游先導(dǎo)土堤及灘地圍堰土方填筑量約7.1 萬m3，土方填筑計劃安排施工時間為20 d。土方施工機(jī)械配備：挖掘機(jī)5臺；自卸汽車13輛。

（2）筑堤施工。①施工前，確定下游圍堰軸線，對灘地段圍堰地基清表清雜，并在兩岸用標(biāo)桿及彩旗標(biāo)明圍堰的軸線和堤頂邊線；②按理論取土量的1.2 倍，規(guī)劃確定取土區(qū)的位置和范圍，并修筑土方運(yùn)輸?shù)难h(huán)車道；③沿圍堰軸線，在下游河道內(nèi)，用水上挖泥船進(jìn)行河道清淤，清除河道積淤；④從兩頭向中間推進(jìn)填筑土堤，先筑灘地段，后筑河道段，最后預(yù)留龍口，擇時封堵合攏；⑤龍口預(yù)留寬度20~25 m，龍口裹頭采用土工材料防護(hù)，底部鋪設(shè)軟體排延伸出土堤邊坡線以外40 m長，避免合攏時水流淘刷河床。

（3）鋼板樁圍檁安裝完成后，即從一側(cè)向另一側(cè)倒土進(jìn)占，直至圍堰成型。

（4）鋼板樁圍堰完成后，可進(jìn)行閘塘內(nèi)積水抽除，水位下降控制在0.5 m/d以內(nèi)，抽水期間加強(qiáng)圍堰沉降、位移觀測，并安排專人巡查，做好檢查記錄。

（5）袋裝土子堰施工可以與堰內(nèi)抽水同期施工，要求15 d 內(nèi)完成子堰的施工和外側(cè)坡面的防護(hù)。在堰內(nèi)集水抽排后，進(jìn)行背水側(cè)后戧臺修整。

5.2 鋼板樁施工

5.2.1 鋼板樁的選用

鋼板樁圍堰選用拉森FSP-Ⅵ鋼板樁，樁長27 m，寬度50 cm，共計920 根。其主要技術(shù)參數(shù)為：W=3 820 cm3，g=120 kg/m。采用18 m 與9 m 型號在現(xiàn)場腹板焊接加工成型。

5.2.2 打樁設(shè)備

投入2 臺套陸上鋼板樁打樁設(shè)備，采用履帶式400 型機(jī)械手，配DZ90 型振動錘打樁，運(yùn)樁船1 艘，25 t 汽車吊1 臺，電焊機(jī)2 臺、其他配合機(jī)械、器具等。

5.2.3 施工過程

打樁首先從一側(cè)岸邊施打向前推進(jìn)，上下游側(cè)采用2臺套機(jī)械錯開安全距離同時進(jìn)行。沉樁時要嚴(yán)格控制板樁的垂直度，以免樁位偏斜造成脫榫。沉樁的位置和垂直度由定位樁和經(jīng)緯儀進(jìn)行控制，沉樁標(biāo)高通過水準(zhǔn)儀控制。

根據(jù)定位尺寸，沿鋼板樁施打方向先打臨時定位樁，每5m布置導(dǎo)向樁一對，在導(dǎo)向樁上焊接槽鋼導(dǎo)梁，用經(jīng)緯儀校驗合格后方可開始鋼板樁施打。在鋼板樁向前施打的同時，導(dǎo)樁和導(dǎo)梁不斷向前設(shè)置［4］。

施工過程中安排專人用垂球線分別觀察樁的軸線和垂線方向的傾斜情況，若發(fā)生傾斜，則通知操作員及時調(diào)整振動錘進(jìn)行糾偏。在施打過程中，質(zhì)量監(jiān)督員堅守崗位，隨時觀察樁的傾斜動態(tài)變化，保持樁的垂直度。

形成雙排板樁后要及時架設(shè)圍檁，安裝對拉桿，使雙排樁形成整體。雙排拉桿高程分別為▽2.5 m和▽3.0 m，采用φ50@100鋼拉桿，圍檁采用32a雙拼槽鋼。拉錨時應(yīng)注意圍檁槽鋼與鋼板樁的連接，如果型鋼安裝后與鋼板樁之間出現(xiàn)較大的間隙，為防止圍堰變形，應(yīng)將槽鋼與鋼板樁之間的間隙全部用槽鋼焊接支撐連接，圍堰的4 個角更應(yīng)加強(qiáng)。拉桿用螺栓固定在圍檁槽鋼上，為保證內(nèi)外鋼板樁對拉牢固，防止螺帽滑牙，應(yīng)采用雙螺帽固定，螺帽與圍檁之間用鐵板并加橡皮墊實(shí)，防止拉桿處滲水［5］。

5.2.4 圍堰的安全維護(hù)

加強(qiáng)監(jiān)測。施工圍堰填筑完成后，在外河側(cè)設(shè)立水尺，并順圍堰方向做好縱向位移觀測點(diǎn)?；优潘爸黧w工程施工期間，需不斷地進(jìn)行圍堰外側(cè)水位觀測和堰體變形觀測，加強(qiáng)圍堰維護(hù)，并制訂應(yīng)急搶險措施。

加強(qiáng)維護(hù)和保養(yǎng)。定期檢查和維護(hù)施工圍堰，發(fā)現(xiàn)透水、松動等及時堵漏、填平、壓實(shí)；同時制定搶險應(yīng)急預(yù)案，備足防汛、搶險應(yīng)急機(jī)械、材料、器具，發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，根據(jù)水位情況對施工圍堰進(jìn)行加寬、加固和加高，確保圍堰安全。

5.2.5 圍堰的拆除

水下工程通過驗收后，向圍堰內(nèi)注水以保持圍堰內(nèi)外水位基本持平后拆除圍堰。拆除前，編制方案報經(jīng)監(jiān)理審批后實(shí)施，先用挖機(jī)將圍堰鋼板樁拉桿以上部位的土方挖出，運(yùn)至指定地點(diǎn)，然后拆除拉桿、圍檁、鋼板樁。

圍堰水下方拆除前先進(jìn)行圍堰鋼板樁拔除。拔樁采用機(jī)械手作業(yè)，選用DZ90 型振動錘，投入2 臺套拔樁設(shè)備，平板車4輛，25 t吊車1臺。拔樁前先解除連接，拆除拉桿，直到圍堰內(nèi)錨桿全部拆除完，方可進(jìn)行拔樁。拔樁施工采用機(jī)械手的夾具夾住鋼板樁，啟動振動錘，借助振動錘的不斷震動，減少樁與土之間的摩擦力，將板樁從圍堰內(nèi)拔出，然后由吊車裝入平板車轉(zhuǎn)運(yùn)出場。

圍堰拆除時，應(yīng)注意輸水過程中引（灌）水方式，嚴(yán)禁因閘塘輸水方式不當(dāng)而造成建筑物基礎(chǔ)的沖刷或淤積現(xiàn)象的發(fā)生，圍堰拆除結(jié)束后，應(yīng)按設(shè)計要求對河道斷面進(jìn)行復(fù)測和驗收［6］。

6 結(jié) 論

通過具體實(shí)例，對在沿海地區(qū)淤泥土質(zhì)環(huán)境中鋼板樁圍堰截流設(shè)計與施工的研究，根據(jù)穩(wěn)定性計算和復(fù)核成果表明，本工程鋼板樁圍堰的設(shè)計和施工方案是成功的，可供同類工程設(shè)計施工參考。