海島復雜條件下船塢圍堰設計

李智波 中國鐵建港航局集團有限公司

1.緒論

近年來，隨著我國海洋貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，遠洋貨輪的數(shù)量逐漸增多，與之相應的大型船塢工程也日趨增多。在實際工程中，船塢圍堰建設的地質(zhì)條件和海洋工況越來越復雜，這便使得船塢圍堰在施工過程中會遇到相當大的挑戰(zhàn)。因此，特定復雜條件下大型船塢圍堰的關鍵技術設計以及成本評估成為重要的研究方向。

目前國內(nèi)外船塢圍堰結(jié)構(gòu)一般是板樁式結(jié)構(gòu)或重力式結(jié)構(gòu)，其中板樁式結(jié)構(gòu)有單排鋼板樁、雙排鋼板樁和格型鋼板樁等結(jié)構(gòu)形式，而重力式結(jié)構(gòu)有土石壩、預制沉箱等結(jié)構(gòu)形式，除上述兩種結(jié)構(gòu)形式外，近年來還出現(xiàn)了取代圍堰施工塢口的新工藝—鋼殼沉箱法。Buhan等從靜力學角度出發(fā)，將回填土視為三維連續(xù)體，將板樁視為圓柱殼體，計算在回填土的線性變化壓力分布作用下的板樁的極限載荷，重點討論了殼體厚度對結(jié)果的影響；劉幼如等通過從施工情況和經(jīng)濟技術方面對比鋼板樁圍堰和傳統(tǒng)的鋼筋混凝土圍堰，結(jié)果表明，在滿足結(jié)構(gòu)強度的前提下，鋼板樁作為圍堰時工期更短，施工更加簡單；黃碧珊等通過對黃石長江公路大橋進行模擬實驗，結(jié)果表明，隨著圍堰下沉深度的增加和周圍流速的增大，圍堰處沖刷深度以及沖坑大小均相應增加，并且最后對圍堰的布置形式給出了合理的建議。可以看出，近年來對于圍堰結(jié)構(gòu)的研究，主要集中于滲流以及一般地質(zhì)和環(huán)境條件圍堰的分析，而對于特定地質(zhì)和環(huán)境條件之下的圍堰設計則需要專門設計。

本文以圍堰支擋結(jié)構(gòu)為研究對象，對其進行重力、水土壓力聯(lián)合作用下的整體結(jié)構(gòu)載荷數(shù)值模擬仿真，研究支擋結(jié)構(gòu)在各種載荷作用下其強度和穩(wěn)定性；在此基礎之上，開展結(jié)構(gòu)靜動態(tài)性能研究，對于圍堰結(jié)構(gòu)在未來港口船塢建造中的應用，推進船塢圍堰高質(zhì)量發(fā)展具有重要實踐意義。

2.工程概況

以浙江六橫船塢工程為依托開展研究，工程臨海建設，塢口及西側(cè)部分塢墻處在水中，需采用臨時圍堰圍護確保干作業(yè)施工。

2.1 水文環(huán)境條件

工程區(qū)域淺海風潮不大，潮汐屬規(guī)則半日潮，一天之中潮位兩漲兩落，潮流運動形式呈現(xiàn)出不規(guī)則往復流，工程水域?qū)崪y漲潮流垂線平均流速在0.5～0.6m/s之間、流向為285°～295°，落潮流垂線平均流速在0.6～0.79m/s之間、流向為100°～110°。潮差屬浙江沿海低潮差區(qū)，平均漲潮歷時5小時55分，平均落潮歷時6小時30分。通過分析水文站長期漲潮資料，得到極端高水位為3.48m，極端低水位為-2.56m，設計高水位為2.12m，設計低水位為-1.51m。

2.2 工程場地地質(zhì)情況

擬建場地位于舟山六橫島西側(cè)的開闊海域，場地北側(cè)為大海，西側(cè)為低矮丘陵，南側(cè)為空地，東側(cè)為廠房。工程場地屬于山前沖海積平原地貌，海域洋面寬闊，主水道潮流較急，水下地形起伏較大，海底地質(zhì)類型基本為泥沙，表部土層較簡單，性質(zhì)較穩(wěn)定。

圖1 圍堰平面布置圖

圖2 船塢圍堰支護結(jié)構(gòu)圖

圖3 止水帷幕平面示意圖

該區(qū)域位于浙閩粵燕山期火山活動帶，場地下伏基巖破碎。鉆孔資料揭示場地土層分布從上往下為素填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、含粘性土礫砂、粘土、粘土、含粘性土礫砂、強風化凝灰?guī)r、中風化凝灰?guī)r。

3.圍堰方案設計

3.1 原始方案設計

經(jīng)過現(xiàn)場勘察，結(jié)合當?shù)氐牡刭|(zhì)情況以及環(huán)境氣候條件，擬采用一種新型復合圍堰結(jié)構(gòu)，采用73根直徑為1200mm鉆孔嵌巖灌注樁和43根直徑為1000mm鉆孔嵌巖灌注樁進行支護。北圍堰和西圍堰中間兩排架部位處，其鉆孔嵌巖灌注樁基之間的樁間焊接兩排擋土鋼板，兩排鋼板之間采用雙管高壓旋噴樁作為臨時止水帷幕墻，樁頂采用現(xiàn)澆縱橫梁連成一體，北圍堰排架南側(cè)共設置8根鋼結(jié)構(gòu)斜撐，作為圍堰支撐。

3.2 圍堰設計方案優(yōu)化

3.2.1 樁基礎優(yōu)化

該區(qū)域水深達10m以上，滿足打樁船沉樁吃水要求，且該工程1km以內(nèi)有高樁碼頭一座，樁基多數(shù)為預制PHC樁和鋼管樁，打樁船調(diào)遣方便，為降低施工成本、加快施工進度，故將圍堰外側(cè)第一排摩擦樁優(yōu)化為PHC樁。

3.2.2 止水帷幕優(yōu)化

原地基在兩排擋土鋼板之間從下往上依次為含砂性黏土、淤泥質(zhì)黏土，泥面以上為海水，因該止水帷幕需要滿足致密性要求，能夠有效阻隔海水滲透，而袋裝黃泥就可以滿足要求，且袋裝黃泥造價比高壓旋噴樁低，施工十分簡便，可提明顯高施工進度，節(jié)約施工成本。

圍堰基礎和止水帷幕優(yōu)化之后，整個工程進度顯著提高，成本也有大幅度降低，但是整個結(jié)構(gòu)的強度也相應發(fā)生了變化，優(yōu)化之后圍堰的強度能否滿足實際的要求還需得進一步計算。

4.荷載分析

4.1 荷載類型

整個圍堰結(jié)構(gòu)所受載荷主要有恒載和水土壓力兩部分。恒載主要為結(jié)構(gòu)的自重，地基基礎及回填土質(zhì)為粘性土，按照規(guī)范采用水土合算。

圖6 灌注樁彎矩（KN·m）

4.2 鋼管應力計算

查現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范表格，得到鋼管的長細比和軸壓穩(wěn)壓系數(shù)φ，鋼管的軸壓穩(wěn)定按下列公式進行計算

式中：

F——鋼管的最大軸力；

A——鋼管橫截面積。

4.3 灌注樁承載力計算

混凝土樁彎矩與軸力共同作用下的配筋復核采用現(xiàn)行混凝土設計規(guī)范中的圓形截面偏心受壓計算公式進行反復迭代驗算，圓形截面偏心受壓計算公式如下式所示：

式中：

N——受壓承載力設計值；

f——混凝土軸心抗壓強度設計值；

f——縱向普通鋼筋抗壓強度設計值；

η——偏心受壓構(gòu)件考慮二階彎矩影響的軸向壓力偏心距增大系數(shù)；

A——圓形截面面積；

A——全部縱向鋼筋的截面面積；

r——圓形截面的半徑；

r——縱向鋼筋重心所在圓周的半徑；

e——軸向壓力對截面重心的偏心距；

e——附加偏心距；

a——縱向受拉鋼筋截面面積與全部縱向鋼筋截面面積的比值；

a——混凝土強度修正系數(shù)。

5.模型建立

5.1 建立有限元模型

圍堰支擋結(jié)構(gòu)主要由樁基、縱橫梁系、砼面板、鋼管斜撐組成。使用ANSYS建立有限元模型，相關的單元類型與截面形狀見表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)ANSYS有限元模型主要參數(shù)果

圍堰支擋結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖4所示。

圖4 圍堰支檔結(jié)構(gòu)有限元模型

5.2 模型邊界條件

樁底與土壤之間采用彈簧單元模擬，并且約束整個樁底的位移，采用豎向彈性地基梁法進行計算。

6.結(jié)果分析

6.1 斜撐承載力分析

鋼管斜撐直徑為500 mm，壁厚為6 mm，材質(zhì)為Q235 B 鋼，橫截面積為0.00 9312 m，慣性矩為0.000284m。經(jīng)ANSYS計算的鋼管軸力如圖5所示，折算相當應力為193MPa，小于極限應力215MPa，鋼管滿足承載力要求。

圖5 鋼管斜撐軸力（KN）

6.2 灌注樁承載力分析

混凝土樁彎矩與軸力共同作用下的配筋復核采用現(xiàn)行混凝土設計規(guī)范中的圓形截面偏心受壓計算公式進行反復迭代驗算。

式中：

N——受壓承載力設計值（N）；

a——系數(shù)；

f——混凝土軸心抗壓強度設計值（N/mm）；

f——縱向普通鋼筋抗壓強度設計值（N/mm）；

η——偏心受壓構(gòu)件考慮二階彎矩影響的軸向壓力偏心距增大系數(shù)；

A——圓形截面面積（mm）；

A——全部縱向鋼筋的截面面積（mm）；

r——圓形截面的半徑（mm）；

圖7 PHC樁彎矩(KN·m)

圖8 圍堰支擋結(jié)構(gòu)位移(mm)

r——縱向鋼筋重心所在圓周的半徑（mm）；

e——軸向壓力對截面重心的偏心距（mm）；

e——附加偏心距（mm）；

α ——對應于受壓區(qū)混凝土截面面積的圓心角弧度值與2π的比值；

α——縱向受拉鋼筋截面面積與全部縱向鋼筋截面面積的比值。

將灌注樁各參數(shù)及內(nèi)力計算結(jié)果代入迭算公式，配直徑為32mm三級鋼筋20根可滿足承載力要求，在實際中，配備同直徑鋼筋數(shù)量為28根，滿足強度要求。

6.3 PHC管樁承載力分析

PHC樁最大彎矩值為796 KN·m，根據(jù)產(chǎn)品手冊，直徑為1200mmPHC樁抗裂彎矩為1580 KN·m，承載能力滿足要求。

6.4 圍堰計算

經(jīng)計算，圍堰支擋結(jié)構(gòu)位移為0.033m，滿足實際要求，且與監(jiān)測位移值范圍（0～0.0 4m）基本相符。圍堰施工完成后，在圍堰頂部布置了7個點，現(xiàn)場測得各點的最大位移為0.027m，比計算值小，說明該計算模型的參數(shù)取值是可行的，是偏于安全的。

7.結(jié)論

浙江六橫船塢工程施工區(qū)域地質(zhì)條件復雜，設計了一種新型的復合圍堰，并對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，無論從成本還是施工進度都有大幅度的提升。在優(yōu)化之后結(jié)構(gòu)的強度依然滿足要求，說明設計是可行的，在具備良好安全性的同時兼具良好的經(jīng)濟性能，為以后復雜環(huán)境條件船塢圍堰設計具有重要參考意義。