高壓深水下圍堰裂縫及其處理方案分析

梁廷贊

(廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著高速公路和鐵路的大規(guī)模建設(shè)，越來越多的橋梁需要跨越河流和河道，且跨度越來越大，這極大地促進(jìn)了深水基礎(chǔ)施工技術(shù)的快速發(fā)展。深水基礎(chǔ)一般所處的環(huán)境復(fù)雜，受水下因素影響眾多，施工難度也會隨著水深的加大而加大，且施工質(zhì)量往往難以控制[1]。深水橋梁基礎(chǔ)施工的主要難點在于防水、防土、防沖刷和防邊坡滑坡等[2]。圍堰作為深水橋梁基礎(chǔ)施工的一種擋水結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)安全、工序單一和施工簡單等優(yōu)點，可為周圍施工承重平臺提供無水干燥的施工環(huán)境，在橋梁基礎(chǔ)修建完成之后，更是能夠為基礎(chǔ)提供一個密閉穩(wěn)定的承重環(huán)境[3]。然而，目前圍堰多采用混凝土作為永久圍堰，這種由混凝土澆筑的圍堰在使用過程中，長期受水、土綜合環(huán)境的作用，圍堰所用混凝土極易遭受河水侵蝕產(chǎn)生裂縫，并影響到橋梁主體的穩(wěn)定性及安全使用，且一旦受蝕便難以修復(fù)。目前關(guān)于水下高壓深水圍堰裂縫及其處理的研究并未能滿足實際工程需要，有待進(jìn)一步提升。

張睿[4]通過現(xiàn)場實驗等手段研究了深水圍堰的防滲及加固方法，指出在深水條件下修建圍堰時，圍堰的防滲至關(guān)重要，且高壓旋噴墻加鋼管排樁對深水圍堰的加固效果較好，能夠有效解決深水圍堰的滲漏等問題。陳斌[5]則依托沙坡頭黃河特大橋?qū)嶓w工程，借助有限元數(shù)值軟件，針對最不利施工條件研究了深水圍堰的方案設(shè)計。朱衛(wèi)國等[6]則基于北部灣某沿海碼頭臨時圍堰工程項目，研究了高韌聚丙烯土工管袋在深水圍堰的加固及處治應(yīng)用。韋丘德等[7]結(jié)合廣西某大型橋梁圍堰基礎(chǔ)工程項目，依據(jù)現(xiàn)場情況分析了該深水圍堰工程混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因，并相應(yīng)給出了處治措施。

綜上研究可以發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外關(guān)于深水圍堰工程研究眾多，對深水圍堰的設(shè)計、加固處理研究也眾多，但對于深水圍堰裂縫處理的研究卻少之又少。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，結(jié)合數(shù)值模型實驗，分析了不同手段對高壓環(huán)境下深水圍堰裂縫的處治效果，并針對實際情況給出了裂縫處治方案，相關(guān)研究可為類似工程項目提供方案和借鑒依據(jù)。

1 工程概況

1.1 圍堰設(shè)計基本概況

本文所研究特大橋位于廣西桂林市南部區(qū)域，該橋梁南北向橫跨江河，其左岸有防洪堤，右岸有山區(qū)和泛濫平原，堤壩與山脈之間的距離約為824.0 m。橋址地層巖性為第四系人工填土、平原填土和填土，第四系全新世沖積細(xì)砂、粗圓砂土、卵石土與燕山R52花崗巖結(jié)合。在本工程范圍內(nèi)，施工正常水位為181.0 m，20年一遇洪水位為214.66 m，100年一遇洪水位為220.16 m。最高通航水位為201.14 m，最低通航水位為178.29 m。全橋全長1 024.5 m，共24跨，其中13跨～18跨橫跨區(qū)域內(nèi)河流，13#～17#墩樁基礎(chǔ)、承重平臺、墩體均在水中。主橋基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)，11φ1.5 m鉆孔樁沿橋方向排三排，鉆孔樁為梅花樁。矩形承臺尺寸為14.5 m×9.7 m×3.5 m，承臺底標(biāo)高為+179.22 m。主墩基礎(chǔ)施工采用雙壁混凝土無底鋼套箱圍堰進(jìn)行施工，圍堰封水底板設(shè)計使用C30混凝土材料，底板厚度為2.0 m。由于“樁前堰”方案施工時間長，施工難度大，吊裝鋼圍堰需要大型浮船，場地有限，不易控制圍堰的下沉偏差，因此，施工采用“堰前樁”的方法：(1)基礎(chǔ)清理，安排挖泥船清理橋墩位置的大石塊，平整基礎(chǔ)，回填河砂；(2)棧橋施工和鉆孔平臺；(3)鉆孔樁施工；(4)圍堰、墊層施工。圍堰基本設(shè)計概況如圖1所示，基礎(chǔ)材料如表1、表2所示。

表1 主墩承臺參數(shù)表

表2 主墩圍堰材料參數(shù)表

圖1 深水圍堰基本設(shè)計概況圖(mm)

1.2 圍堰混凝土裂縫基本概況

1.2.1 裂縫情況

經(jīng)水下潛水員掃描觀測發(fā)現(xiàn)，由于該圍堰工程所處環(huán)境復(fù)雜，在河流長期沖刷侵蝕作用下，靠近圍堰底板位置處出現(xiàn)多條縱向裂縫及少量橫向裂縫，裂縫寬度一般在1.0～2.0 mm，但由于混凝土本身原因及外界因素，局部位置最大裂縫寬約為3.2 mm，且多為貫穿性張拉裂縫，嚴(yán)重影響到圍堰及橋墩的安全使用。

1.2.2 裂縫形成原因

由現(xiàn)場觀測及設(shè)計圖紙綜合分析可知，產(chǎn)生裂縫的主要原因包括：(1)圍堰所用混凝土強(qiáng)度不夠，對于高壓環(huán)境下的適應(yīng)力不高；(2)在橋墩基樁與混凝土底板之間，未能設(shè)置相應(yīng)的固定結(jié)構(gòu)，使得兩者粘合度有所欠缺，致使局部強(qiáng)度不一，導(dǎo)致在汛期洪水猛烈沖刷下，產(chǎn)生貫穿裂縫；(3)圍堰使用時，未能對圍堰進(jìn)行定期檢測，長期服役下，使圍堰受化學(xué)腐蝕嚴(yán)重。

1.2.3 裂縫修補(bǔ)特點

根據(jù)相關(guān)質(zhì)檢部門要求，對于圍堰裂縫的修補(bǔ)需嚴(yán)格按照設(shè)計規(guī)范要求執(zhí)行，即在裂縫修補(bǔ)完成之后，需對各圍堰的基樁承載力進(jìn)行檢測。因此，對于圍堰的修補(bǔ)不僅是著手于圍堰的防滲防漏，還應(yīng)加強(qiáng)圍堰本身強(qiáng)度的修補(bǔ)，以確保圍堰修補(bǔ)完成之后具有足夠的承載能力。

2 數(shù)值模型試驗及裂縫修補(bǔ)方案比選

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建及工況設(shè)置

為盡可能完整反映圍堰現(xiàn)場實際情況，合理對該圍堰工程進(jìn)行裂縫修補(bǔ)處理，本文依托室內(nèi)模型實驗，對現(xiàn)場圍堰進(jìn)行比例縮放，按1∶500進(jìn)行模擬。主要模擬該河段內(nèi)汛期洪水對圍堰的沖刷影響，試驗原材料(包括河水及河床)除模型外均取自于該河道，并設(shè)置如表3所示的多種工況。各工況下基礎(chǔ)數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 圍堰數(shù)值計算模型圖

表3 室內(nèi)模型試驗工況設(shè)置表

如表3所示，工況1為現(xiàn)場實際情況，圍堰所用混凝土強(qiáng)度為C20，不適用任何外加劑，橋墩基樁與底板之間無任何連接，并通過河床上移模擬圍堰定期清理情況；工況2用以模擬混凝土強(qiáng)度提高對圍堰裂縫的防治，其余設(shè)置同工況1；工況3用以模擬基樁連接對圍堰裂縫的處治效果；工況4用以模擬外加劑及河床清理對圍堰裂縫的處治效果。為模擬圍堰施工情況，通過設(shè)置數(shù)值模型參數(shù)，模擬時先向圍堰墻內(nèi)注入7.5 m的水，使圍堰沉至開挖基坑底部。此時，圍堰內(nèi)墻應(yīng)承受墻內(nèi)7.5 m水所產(chǎn)生的水壓。圍堰總重量由圍堰井壁提供的浮力平衡、圍堰外墻承受圍堰自重吃水和內(nèi)壁產(chǎn)生的水壓組成。圍堰著床穩(wěn)定后，圍堰井墻施工填充混凝土，泥漿吸入圍堰，圍堰沉至設(shè)計高程。圍堰總吃水為13.7 m。流動力按《港口工程荷載規(guī)范》(JTJ 215-98)計算，計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Cw——流動阻力系數(shù)(Cw=1.45)；

r——水的體積密度；

V——水速度(V=3.0 m/s)；

g——重力加速度；

A——水進(jìn)入垂直于流向的單樁部分的投影面積。

2.2 數(shù)值模型應(yīng)力計算結(jié)果分析

經(jīng)數(shù)值模型計算，各工況下求得的封底混凝土的最大、最小主拉應(yīng)力如下頁圖3所示，各工況下求得的底部封底混凝土的裂縫情況如下頁圖4所示。從圖3可以看出，工況1封底混凝土的最大、最小主拉應(yīng)力值最大，其中最大主拉應(yīng)力可達(dá)1.47 MPa，嚴(yán)重超出該環(huán)境下的圍堰混凝土拉應(yīng)力承受值，最小主拉應(yīng)力也高達(dá)0.92 MPa，樁套管的結(jié)合力為10.41 t/m2，小于結(jié)合力的設(shè)計值，符合設(shè)計要求。工況2通過提高混凝土強(qiáng)度，其封底混凝土的最大、最小主拉應(yīng)力值明顯減小，其中最大主拉應(yīng)力僅為1.12 MPa，接近該環(huán)境下的圍堰混凝土拉應(yīng)力承受值，最小主拉應(yīng)力也僅有0.71 MPa，相比工況1各降低23.81%、22.83%，樁套管的結(jié)合力為12.39 t/m2，提高了19.02%，且高于結(jié)合力的設(shè)計值，符合設(shè)計要求。工況3通過加強(qiáng)基樁與底板的連接強(qiáng)度，得到的最大、最小主拉應(yīng)力值也略有減小，其中最大主拉應(yīng)力相比工況2降低0.17 MPa，最小主拉應(yīng)力值相比工況2降低0.11 MPa，兩者各降低15.17%、15.49%，樁套管的結(jié)合力為15.31 t/m2，提高了23.56%，高于結(jié)合力的設(shè)計值，符合設(shè)計要求。工況4通過調(diào)節(jié)河床高度模擬圍堰檢修狀態(tài)，對比工況3發(fā)現(xiàn)，河床高度對最大、最小主拉應(yīng)力值影響較小，其中最大主拉應(yīng)力相比工況3降低了0.02 MPa，最小主拉應(yīng)力值相比工況2降低了0.01 MPa，樁套管的結(jié)合力基本不發(fā)生改變。

圖3 不同工況條件下圍堰應(yīng)力情況示意圖

2.3 數(shù)值模型裂縫計算結(jié)果分析

各工況下模擬分析求得的圍堰裂縫發(fā)展情況如圖4所示。從圖4中可以看出，工況1無論是橫向裂縫還是豎向裂縫，均明顯高于其他工況條件下的裂縫數(shù)量，其中產(chǎn)生橫向裂縫11條，最大裂縫寬度約為3.2 mm，豎向裂縫9條，最大裂縫寬度約為2.7 mm，與實際圍堰裂縫情況基本一致；工況2次之，產(chǎn)生橫向裂縫7條(最大裂縫寬度約為2.4 mm)，豎向裂縫7條(最大裂縫寬度約為2.1 mm)；工況3及工況4裂縫數(shù)量一致，但橫向裂縫(3條)數(shù)量小于豎向裂縫(5條)。由此可見，上述加固措施均能有效減少圍堰裂縫的發(fā)生，且以提高混凝土強(qiáng)度的方法效果最優(yōu)。同時，通過加強(qiáng)基樁與底板間的連接強(qiáng)度，還能有效降低橫向裂縫的發(fā)展。

圖4 圍堰裂縫發(fā)展情況曲線圖

綜上可知，在高壓深水圍堰中，由于圍堰長期處于深水高壓環(huán)境下，所受外界環(huán)境影響復(fù)雜，導(dǎo)致圍堰產(chǎn)生裂縫的原因也較多。通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，提高混凝土用料強(qiáng)度、加強(qiáng)圍堰基樁與底板的連接，能夠有效加強(qiáng)圍堰的支護(hù)能力，減小圍堰裂縫發(fā)生的幾率。

3 結(jié)語

針對高壓深水環(huán)境下圍堰裂縫問題，本文結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗分析了高壓深水下圍堰裂縫產(chǎn)生的原因，并通過數(shù)值模擬手段，對現(xiàn)場施工進(jìn)行模擬，得出結(jié)論如下：

(1)由于圍堰長期處于深水高壓環(huán)境下，受外界復(fù)雜環(huán)境影響，導(dǎo)致圍堰產(chǎn)生裂縫的原因也較多，包括圍堰所用混凝土材料強(qiáng)度、圍堰結(jié)構(gòu)形式、基樁與圍堰底板連接強(qiáng)度等。

(2)通過對該圍堰工程進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在諸多裂縫發(fā)展影響因素之中，混凝土材料強(qiáng)度的影響較大，故提高混凝土材料強(qiáng)度等級能夠顯著減少圍堰裂縫數(shù)量。

(3)通過加強(qiáng)圍堰基樁與圍堰底板之間的連接，能夠有效降低圍堰裂縫的橫向發(fā)展寬度，進(jìn)而提高圍堰的整體穩(wěn)定性及強(qiáng)度。