庫區(qū)鋼套箱圍堰施工方案分析

黃海強 都興龍 黃振 肖濤 中交二公局第二工程有限公司

為了降低工程難度、消除水位影響通常在涉水區(qū)域采用圍堰法進行施工。在圍堰施工與設計時，需考慮到所處水域水文和地質情況。因為不同的水文、地質情況不僅會影響著施工安全，也對施工工藝和工期有著重大影響。所以，通過分析現(xiàn)場實際情況對鋼圍堰結構設計與施工工藝選擇有著重大意義 。

八大河特大橋于南盤江與清水河匯流部位下游1.3Km處，橫跨于南盤江上。橋位處于天生橋一級水電站庫區(qū)范圍內，水位受下游電站調控，每年排水、蓄水時間段基本固定。但根據(jù)每年降雨量不同，蓄水水位以及水位漲幅略有不同?？菟诤拥缹捈s為76m，水深2～5m，每年五月，主墩承臺區(qū)域將露出水面。本文根據(jù)南盤江施工環(huán)境情況對庫區(qū)鋼圍堰施工方案做簡單分析。

1.工程簡介

1.1 水文情況

云南（曲靖）至廣西（百色）高速公路阿崗至羅平至八大河段是連接曲靖市至滬西高速路與廣西高速路網(wǎng)的重要連接線。其中八大河特大橋是項目工期控制性工程，大橋設計起點樁號為K69+798.000，終點樁號為K70+965.000，橋梁全長1167m，主橋采用125+230+125m預應力混凝土部分斜拉橋。兩岸主墩承臺均位于水中，承臺高5m。

大橋處在天生橋一級電站庫區(qū)，天生橋一級水電站位于紅水河上游南盤江干流上，為珠江水系紅水河梯級電站開發(fā)的第一級水電站。壩址以上流域面積50139km2，多年平均徑流量193億m3，多年平均流量612m3/s。水庫正常蓄水位780m，校核洪水位789.86m，死水位731.0m，總庫容102.57億m3，調節(jié)庫容57.96億m3，為不完全多年調節(jié)水庫。

1.2 地質情況

河谷兩岸坡體表部以黏性土、碎石及大量植物根系組成的植物土為主，該土質結構松散，分布厚度介于0.50～1.50m；江底以軟塑狀態(tài)黏土為主，局部呈流塑狀，間夾0.20～0.40m不等厚度的淤泥質黏土，局部夾薄層角礫、砂礫，標準貫入試驗實測錘擊數(shù)平均值N=2.8擊，一般上部0.50～1.00m呈流塑狀，其下呈軟塑狀，鉆孔揭露厚度介于0.80～10.50m。

1.3 施工計劃

利用樁基施工階段南盤江6-7月份枯水期進行提前清淤，提前開槽以便圍堰下放。鋼圍堰施工計劃與2020年9月18日開始，下放平臺拼裝及多余鋼護筒拆除等準備工作計劃20天完成。2019年10-11月份最高水位標高為765.79m，圍堰首節(jié)下放高度可以參考此數(shù)值估算，再根據(jù)水位實際監(jiān)控情況確定，在保障安全的前提下后續(xù)節(jié)段根據(jù)水位漲跌情況、變化速率進行拼裝，可與承臺施工同步進行。鋼圍堰施工總體計劃見圖1：

2.圍堰施工方案比選

2.1 下放工藝比選

深水鋼套箱圍堰施工一般利用浮吊對鋼圍堰整體進行下放，下沉到位后再進行混凝土封底。本項目圍堰重達1100t，豐水期能滿足大型浮吊進行施工，但枯水期無法使用實施此方案，且利用浮吊進行下放無法充分根據(jù)水文情況對圍堰下放高度進行調整[1]。

如采用連續(xù)千斤頂進行鋼圍堰下放施工可根據(jù)實際水位調整下放和接長高度，施工時也不受南盤江水位影響，施工易于掌控。鋼圍堰在豎向分為7節(jié)段進行加工，考慮現(xiàn)場吊裝能力和安裝方便，每節(jié)分為8個施工塊段。圍堰分塊在加工廠集中加工，完成預拼裝后用平板車運送至現(xiàn)場安裝。下放工藝對照見表1：

表1 下放工藝比選對照表

從表1分析中可以看出，連續(xù)千斤頂分節(jié)段下放比浮吊整體下放較為靈活、可操作性高、安全風險較低，同時經(jīng)濟性較好。圍堰可根據(jù)現(xiàn)場實際水位情況選擇拼裝方案，如拼裝時圍堰范圍河床仍露出水面，則可采用陸地拼裝方案，采用吊車逐塊吊裝并在地面完成連接。如拼裝時河水已經(jīng)淹沒圍堰位置，則采用連續(xù)千斤頂分節(jié)段下放，在護筒上安裝拼裝平臺并拼裝圍堰，然后將圍堰分節(jié)段下放至安裝位置[2]。

2.2 基礎清理工藝比選

圍堰區(qū)域有一部分處在河堤邊坡位置，覆蓋層為植物土，另一部分位于南盤江河底，覆蓋層為黏土。為使圍堰下放后能平穩(wěn)著床，需形成矩形基坑，而傳統(tǒng)清基方式吸泥機難以對河堤側碎石土層進行清基工作，如不采取其他有效措施，則會導致下部整體傾斜，圍堰下放困難。清基時吸泥機在淤泥比重1.2以下工作效率最佳，但本項目河底黏土比重為1.9～2.2，工作效率低?；A清理方案對照見表2：

表2 基礎清理方案比選對照表

根據(jù)現(xiàn)場地質及水文情況，主墩承臺基礎采用采用先成槽后下放的施工工藝，即在枯水期間利用挖機對承臺區(qū)域內淤泥清理，使圍堰范圍內土層與封底混凝土底高程一致；在鋼圍堰壁板正下方投影位置，形成矩形基坑并抄平，讓圍堰刃腳可深入泥層，以滿足鋼圍堰平穩(wěn)著床要求[3]。

圍堰壁板基坑開挖完成后，對基底平整度進行檢測，并在基底拋填部分碎石進行調平，保證圍堰套箱整體平整度。

3.鋼圍堰設計

正常水位下，水位標高與承臺底標高相差超30米，擬采用雙壁鋼套箱圍堰進行施工，設計水流速為20年一遇的橋位平均流速0.5m/s，圍堰頂設計標高為753.010m。

鋼套箱設計平面尺寸為：內壁比承臺尺寸一邊各大5cm，壁厚2.0m，12#墩鋼套箱高35.190m，13#墩鋼套箱高35.890m。內外殼板厚度為10mm，刃腳鋼板厚18mm；水平加勁板為□12×300 mm，豎向加勁角鋼為∠90×56×8mm；水平桁架斜桿分為∠125×10mm、∠125×12mm、∠140×16mm、∠160×16mm及∠200×24mm五種；桁架間距為800、1000、1250、1500四種；隔艙板厚度δ=10mm。鋼套箱豎向分成七節(jié)，從下至上依次為3.5＋6.0+6.4+5.0+5.0+6.0+3.290（3.990）＝35.190（35.890）m。

4.鋼圍堰驗算

4.1 鋼套箱整體抗傾覆驗算

鋼套箱整體抗傾覆驗算即在鋼圍堰下沉到設計高程時，圍堰在自重、土層摩阻力、水浮力、流水壓力、波浪力等作用下圍堰抗傾覆穩(wěn)定性是否滿要求[4]。

縱橋向圍堰整體抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)：

式中G1、G2為鋼圍堰自重、配重；Ffk為土層摩阻力合力；FW為水浮力；F1d為流水壓力；F2d為縱橋向波浪力。

圍堰兩側靜水壓力相等，整體抗傾覆可以不考慮靜水壓力影響，求得整體縱橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K=3.1＞1.5，滿足規(guī)范要求。

用同樣方法可以求得橫橋向圍堰整體抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K=2.6＞1.5，滿足規(guī)范要求。

4.2 封底混凝土抗浮驗算

鋼圍堰封底混凝土抗浮驗算，根據(jù)實際可能出現(xiàn)的最高水，鋼圍堰封底混凝土抗浮驗算，根據(jù)實際可能出現(xiàn)的最高水位，按下列公式計算：

式中GC+F1+F2為鋼圍堰所有豎直向下的作用力，GC為封底混凝土自身重力；F2為鋼圍堰與封底混凝土之間的粘接力；F1為護筒與封底混凝土之間的粘接力，當設置抗浮樁后，應包括封底混凝土與抗浮樁之間的粘接力，且該粘接力應考慮取抗浮樁與土層之間、抗浮樁與封底混凝土之間粘接力的較小值。按照《鋼圍堰設計標準》，式中Kf應大于1.15，根據(jù)鋼圍堰設計情況，當圍堰底部不設置抗浮樁時，圍堰抗浮安全系數(shù)為1.25，滿足規(guī)范要求。

當樁基自重大于封底混凝土與護筒之間的粘接力時，式中GC、F1和F2取值均與封底混凝土厚度呈正相關，因此，當設置抗浮樁后，可利用抗浮安全系數(shù)對圍堰封底混凝土厚度進行反算，從而推導封底混凝土滿足抗浮安全系數(shù)的最小厚度。

當鋼材與混凝土之間的粘接系數(shù)取值100～200KPa時，反算出圍堰封底混凝土最小厚度為見下表3。

表3 粘結系數(shù)與封底厚度對應表

根據(jù)計算結果可知，當增設抗拔樁時，對于圍堰整體抗浮影響不大。如在封底混凝土內增設鋼筋，將鋼筋在護筒及圍堰內壁處彎起并與護筒、圍堰之間采用焊接連接。如此可充分利用鋼圍堰自重和樁基自重平衡水浮力，混凝土與護筒、鋼圍堰壁板之間的粘接力遠小于樁基、鋼圍堰自身重力，若采用封底混凝土內配筋與護筒、圍堰焊接遠優(yōu)勝于僅依靠鋼材與混凝土之間的粘接力平衡水浮力的效果。

5.結語

根據(jù)不同的地理位置和地質情況，對兩個主墩承臺施工選擇多臺連續(xù)千斤頂分節(jié)段拼裝并采取提前清淤措施是一個合適的施工方案，在一定程度上降低施工難度，節(jié)約施工費用，縮短施工工期。庫區(qū)超深水淺埋承臺采用鋼套箱圍堰施工，通過本項目進一步掌握驗證此類庫區(qū)深水圍堰的相關理論數(shù)據(jù)，可為類似項目提供寶貴的施工依據(jù)。