宋 力，季 榮，楊從倫，許 祥

(1.江蘇省水利科學(xué)研究院 材料結(jié)構(gòu)所，江蘇 揚州 225002； 2.上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200335； 3.灌南縣水利建筑工程有限公司，江蘇 灌南 222502)

0 引 言

施工圍堰是水利工程重要的臨時設(shè)施，形式主要有土石圍堰、草土圍堰、木板樁圍堰、鋼板樁圍堰等。上述圍堰各有其適用范圍及優(yōu)點[1]，但針對沿海感潮河段均適用性不強。

沿海地區(qū)受海水漲落潮影響顯著，感潮河段內(nèi)涌河水位隨海水漲落潮變化。在感潮河段進行施工圍堰填筑具有地質(zhì)條件復(fù)雜、河水位受潮水位影響變化頻繁、施工難度大等特點[2-3]。

本文針對傳統(tǒng)土石圍堰填筑結(jié)合鋼板樁圍堰施工工藝，總結(jié)提煉了感潮河段鋼管樁拉錨組合式圍堰施工工藝，并成功應(yīng)用于連云港鹽東控制工程武障河閘擴建工程中。

1 工程概況

連云港鹽東控制工程武障河閘擴建工程位于灌南縣境內(nèi)武障河與鹽河交匯處東側(cè)，主要施工內(nèi)容為拆除原武障河老閘，新建1 座13孔節(jié)制閘(每孔凈寬10 m)，上、下游引河及老河槽拓浚 2.74 km。武障河閘設(shè)計排澇流量 849 m3/s，工程等別為Ⅱ等[4]。

2 感潮河段圍堰施工難點

新建武障河閘下游側(cè)為灌河，灌河通海，為典型感潮河流，圍堰平面總布置見圖1。下游側(cè)圍堰施工難點如下。

(1) 武障河閘下游圍堰設(shè)計堰頂標(biāo)高6.0 m，灌河側(cè)10 a一遇最高潮水位3.87 m，最低潮水位-0.5 m，臨閘室側(cè)河底高程約為-3.5 m，施工期圍堰內(nèi)外側(cè)水位落差大。

圖1 圍堰平面總布置Fig.1 General layout of cofferdam

(2) 河底高程以下 4 m深度范圍內(nèi)均為淤泥質(zhì)黏土，承載力差。地質(zhì)資料顯示：下游圍堰基礎(chǔ)為灰黑淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土、灰白中粉質(zhì)壤土及粉質(zhì)黏土，土中夾雜腐殖質(zhì)，有腥臭味，呈流塑-軟塑態(tài)；高含水量，高孔隙比，高觸變性，強度低，性質(zhì)極差，土層分布高程為 1.64～-2.08 m和-0.57～-3.80 m。

(3) 圍堰施工受潮汐影響大，因土方作業(yè)受潮汐時間限制，工作效率低，施工期長[5-6]。

3 施工工藝

武障河下游側(cè)圍堰(灌河側(cè))外河道是潮汐河道，地質(zhì)條件差，攔截灌河潮水，1 d兩潮，水位變化大，施工期最大潮位差約4 m，最小潮位差約2 m，潮漲潮落時間短(平均為6 h 12 min)，對下游圍堰邊坡穩(wěn)定影響大?；谏鲜鍪┕l件，采用鋼管樁拉錨組合式圍堰施工工藝：在土質(zhì)圍堰基礎(chǔ)上增設(shè)兩排鋼管樁，鋼管樁內(nèi)側(cè)插入1.50 m×12.00 m×0.01 m(高×長×厚)鋼板，樁頂外側(cè)設(shè)雙拼工字鋼圍囹，上下游圍囹用精軋螺紋對拉，雙鋼管樁樁位距壩軸線上下游各 20 m，樁間距2 m，并在樁內(nèi)側(cè)土方填筑到最低水位時鋪設(shè)帶肋鋼筋網(wǎng)片，增強壩體整體性。下游圍堰斷面示意詳見圖2。

圖2 下游圍堰斷面示意(單位：m)Fig.2 Schematic diagram of downstream cofferdam cross section

鋼管樁拉錨組合式圍堰施工工藝流程見圖3。

圖3 鋼管樁拉錨組合式圍堰施工工藝流程Fig.3 Construction process flow chart of steel pipe pile pull-anchor combined cofferdam

4 操作要點

4.1 施工放樣

根據(jù)下游圍堰設(shè)計圖進行實地放樣，測放圍堰的軸線位置以及雙排鋼管垂直水流的軸線位置，并在岸邊釘立控制樁。

4.2 鋼管樁施打及橫向聯(lián)結(jié)

4.2.1 沉 樁

鋼管樁沉樁前，進行鋼管樁工藝性試驗，根據(jù)工藝性試驗結(jié)果選擇鋼管樁的進尺速度、振動頻率等施工參數(shù)。

鋼管樁沉樁主要采用在河床內(nèi)浮吊船上放置簡易振動錘高頻率振動施打的方式，施打過程需拉線定位。工程船將鋼管樁運到樁位后，浮吊船吊起 60 型振拔錘(帶液壓鉗)插入至鋼管樁頂口，利用液壓鉗鉗緊鋼管樁端口后附帶振動錘整體起吊，就位至放樣樁位后，保證鋼管樁方向準(zhǔn)確及位置垂直。

鋼管樁按從邊岸向河中間的次序進行施打，首先每間隔10 m施打定位樁，以利于圍堰初步定位和確定圍堰底寬，然后在定位樁間每隔2 m中心距按管樁設(shè)計根數(shù)進行間距內(nèi)插鋼管樁[7]。

管樁施打前，要求浮吊船只泊位穩(wěn)定牢靠不移位。施打過程中，通過移動浮吊船上的移位導(dǎo)架，調(diào)整好鋼管樁樁位和垂直度，滿足要求后進行管樁施打，振動錘一邊振動，一邊插打下沉。每根管樁施工完畢后檢測平面位置和垂直度，滿足要求后依次施打其余鋼管樁。施工過程中應(yīng)加強對鋼管樁傾斜度的監(jiān)測，確保每根樁的傾斜度不大于2%。

4.2.2 橫向聯(lián)結(jié)及加固

雙排鋼管樁沉樁結(jié)束后，在其外側(cè)垂直水流方向雙拼28工字鋼連接系梁。工字鋼采用浮吊船吊裝就位后，通過焊接與鋼管樁間連接，形成抵抗圍堰土體滑動及側(cè)向土壓力的整體結(jié)構(gòu)。

4.3 安裝擋土鋼板及鋼筋網(wǎng)片

鋼管樁施打完成、橫向聯(lián)接加固后，垂直水流方向，在鋼管樁內(nèi)側(cè)采用浮吊船進行1.50 m×12.00 m×0.01 m(高×長×厚)鋼板安裝，鋼板底部插入河床中，相鄰兩塊鋼板相互搭接2 m，在鋼板上部增設(shè)高2.2 mΦ8 mm@10 cm冷軋帶肋鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片內(nèi)側(cè)綁扎模袋布，與鋼管樁綁扎牢固。

4.4 圍堰土體填筑

下游圍堰土體填筑施工順序分為：最低潮位以下，最高潮位至最低潮位之間和最高潮位以上。

(1) 最低潮位以下部分土體填筑。采用進占法施工，當(dāng)潮水退到最低潮位之上 50 cm 時，采用15 t自卸汽車水中倒土，1 m3挖掘機結(jié)合推土機整平碾壓。當(dāng)潮水漲到填土前則停止施工，對填筑堰體表面再次進行整平、壓實，堰頂中間比兩側(cè)略高，便于壩頂排水；最低潮位以下堰體填筑，堰頂允許過水。填筑完成后，鋪設(shè)模袋布及Φ8 mm@10 cm冷軋帶肋鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片尺寸為12.0 m×2.3 m和6.0 m×2.3 m兩種規(guī)格，長邊順?biāo)鞣较蜾佋O(shè)，縱橫錯縫留50 cm鋪設(shè)，以增強堰體整體穩(wěn)定性。

(2) 圍堰拉錨穩(wěn)固。模袋布及鋼筋網(wǎng)片鋪設(shè)完成后，繼續(xù)趁低潮位平層回填堰體至高程1.0 m后，對圍堰上下游鋼管樁進行拉錨穩(wěn)固，利用鋼管樁外側(cè)的雙拼工字鋼作圍囹，安裝精軋螺紋對拉，增強堰體整體性。

(3) 高潮位至低潮位之間土體填筑。精軋螺紋對拉完成后，進行最高潮位至最低潮位之間堰體土方填筑。這部分堰體填筑是下游圍堰填筑的關(guān)健。采用分層填筑，為確保圍堰壓實度，嚴(yán)格控制分層鋪土厚度≤50 cm，每一個落漲潮時間填筑完一層、壓實一層，漲潮時允許壩頂全斷面過水。因全斷面過水流速相對較小，水流對堰頂沖刷影響較小。

(4) 高潮位以上部分的堰體填筑。對高潮位以上部分的堰體填筑釆用分層填筑、分層壓實施工。在圍堰筑岀最高潮位后，繼續(xù)用15 t自卸汽車外運土，挖機結(jié)合大推土機壓實整平，分層加高填筑，直至達(dá)到設(shè)計高程。

4.5 圍堰迎水面拋石防護

圍堰迎水坡面采用復(fù)合防滲土工膜防護，土工膜鋪設(shè)時，應(yīng)相互搭接大于50 cm，坡腳向堰底外側(cè)延伸大于2 m。土工膜鋪設(shè)后，采用塊石壓重防風(fēng)浪沖刷，塊石由機械裝船后，運到指定位置，船載挖掘機在船上拋投。拋投過程中應(yīng)實時參照圍堰斷面尺寸均勻拋壓，圍堰迎水面頂部采用人工疊實袋裝土防護。

5 圍堰穩(wěn)定性分析

5.1 參數(shù)選取

計算施工期最不利工況，基坑側(cè)邊坡整體穩(wěn)定計算工況及水位組合詳見表1。采用地勘鉆孔土層直接快剪參數(shù)，各土層采用的指標(biāo)參數(shù)見表2。

表1 工況及水位組合

表2 邊坡整體穩(wěn)定驗算參數(shù)

5.2 設(shè)計荷載

圍堰作用荷載主要有自重、水壓力和堰頂人群荷載。施工期工況堰頂荷載按10 kN/m2考慮，分布寬度為堤頂寬度。

5.3 計算方法

采用“理正邊坡穩(wěn)定分析”軟件，運用瑞典圓弧滑動法進行抗滑穩(wěn)定計算(圖4)。圓弧滑動法計算公式如下：

K=

W=W1+W2

上式中：W為條塊重，kN；W1為壩坡外水位以上的條塊濕重，kN；W2為壩坡外水位以下的條塊浮重，kN；Q，V分別為水平和垂直地震慣性力，kN(向上為負(fù)，向下為正)；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kPa，取0；b為土條寬度，m；α為條塊重力線與通過此條塊底面重點的半徑之間的夾角，(°)；cu，φu為土條底面的直剪快剪指標(biāo)；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑，m。

注：Z為坡外水位至條塊底的高差。圖4 圓弧滑動條分法示意Fig.4 Schematic diagram of the arc sliding bar division method

計算簡圖見圖5。

圖5 邊坡整體穩(wěn)定計算簡圖(單位：m)Fig.5 Simplified diagram of the overall stability calculation of the slope

5.4 穩(wěn)定計算結(jié)論分析

根據(jù)GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》得出邊坡安全系數(shù)允許值KS。由表3可知，施工期基坑側(cè)邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，滑弧位置上限見圖5。

表3 基坑側(cè)邊坡穩(wěn)定計算成果

6 鋼管樁深入河底深度與預(yù)留沉降

鋼管樁深入河底高程以下深度與河床面以上懸挑長度比考慮為1∶(1～1.5)，參照拉錨板樁結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性復(fù)核。下游圍鋼管底端高程-9.8 m，經(jīng)復(fù)核，圍堰整體穩(wěn)定性及抗滑能夠滿足要求。

圍堰需考慮預(yù)留沉降量，主要由圍堰所處地基沉降和圍堰自身沉降量2個部分組成。工程下游圍堰使用期為11個月，預(yù)留沉降15 cm。

7 經(jīng)濟性分析

以連云港鹽東控制工程武障河閘擴建工程下游40.0 m×180.0 m×9.5 m(圍堰底寬×圍堰長度×圍堰高度)圍堰為例，選取江蘇省連云港市2021年第一季度物價指數(shù)，對鋼管樁拉錨組合式圍堰施工方案與原招標(biāo)文件常規(guī)進占堆土圍堰方案進行比較測算。測算結(jié)果表明：與傳統(tǒng)土方圍堰進占合龍施工工藝相比，感潮河段鋼管樁拉錨組合式圍堰施工工期可以壓縮60%，綜合施工費用可以節(jié)約18.9%[8]。

8 結(jié) 語

武障河閘擴建工程下游灌河側(cè)感潮河段鋼管樁拉錨組合式圍堰于2021年1月14日開始施工，于1月20日填筑至設(shè)計高程發(fā)揮擋水功能。工程于2021年7月17日晚開壩放水行洪，下游側(cè)圍堰為水下主體工程施工的順利實施提供了有力保障。

感潮河段鋼管樁拉錨組合式圍堰施工技術(shù)較傳統(tǒng)圍堰進占合龍施工工藝可以解決潮汐河道填土施工時間受限、填筑土體流失量大、圍堰合龍困難等問題，可提高填筑效率，且具有鋼管樁吊裝設(shè)備簡單、施工便捷、縮短工期、節(jié)約成本、節(jié)能環(huán)保等特點，經(jīng)濟效益、生態(tài)環(huán)保效益及社會效益顯著，可為類似感潮河段圍堰施工提供借鑒。