基于水利工程的鋼板樁圍堰施工技術(shù)分析

馬正軍

（峽口鎮(zhèn)人民政府農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合服務(wù)中心,甘肅 臨洮 730518）

1 引言

在水利工程項(xiàng)目中,圍堰技術(shù)有著十分重要的意義,是整個(gè)工程的核心部分,對工程的施工環(huán)境和條件起著保證作用,圍堰質(zhì)量的好壞直接影響水利項(xiàng)目的質(zhì)量和安全,因此國內(nèi)技術(shù)人員和學(xué)者對不同種類圍堰的應(yīng)用效果進(jìn)行了研究[1-2]。沈珠江[3]等人分析了三峽二期土石圍堰的受力情況,結(jié)果表明其結(jié)構(gòu)和防滲性都表現(xiàn)良好。而鋼板樁圍堰作為一種適用范圍廣,圍堰效果好的技術(shù)手段,常常應(yīng)用于各大工程。李迎九[4]對鋼板樁圍堰的發(fā)展趨勢、研究現(xiàn)狀、以及應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了深入分析,對其現(xiàn)場監(jiān)測和結(jié)構(gòu)分析提出了相應(yīng)的建議。李仁民[5]結(jié)合相關(guān)工程實(shí)例,對鋼板樁漏水處理、圓形鋼板樁施工等技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。對于鋼板樁這種大型圍堰來說,安全性和穩(wěn)定性十分重要。但在國內(nèi),鋼板樁圍堰都采用常規(guī)方式進(jìn)行施工,而對于一些大型工程項(xiàng)目來說,常規(guī)的施工方式并不能滿足工程需求,也不能保證圍堰的穩(wěn)定性和安全性,所以技術(shù)人員對其施工順序進(jìn)行了改進(jìn),以此提高其工作性能。但這種改進(jìn)還處于起步階段,技術(shù)人員人仍在不斷的研究和探索,并在實(shí)際工程中驗(yàn)證其可行性。目前我國僅有幾個(gè)工程選用了改進(jìn)工序來進(jìn)行圍堰施工,而關(guān)于鋼板樁改進(jìn)的研究成果,也僅僅是對某個(gè)工程某一部分的計(jì)算和針對施工措施的總結(jié)[6-8],并沒有對工序改變會對鋼板樁工作性能造成何種影響進(jìn)行研究。

本文以某水閘工程為例,通過有限軟件建模并計(jì)算,對比分析了鋼板樁圍堰施工順序改變前后板樁變形的變化規(guī)律,研究了鋼板樁圍堰施工順序的改進(jìn)效果,有助于同類工程參考借鑒。

2 工程概況

本文以某水閘工程為例,此工程通航等級為1 級,水閘寬和閘室長分別為80.5 m 與30 m,主、次要建筑物的等級分別為3 級和4 級。船閘閘室長度為100 m,12 m 為其凈寬,上下游引航道和導(dǎo)航墻長度分別為50 m 和20 m。船閘主要建筑物的結(jié)構(gòu)形式為整體式,閘室段和上下閘首段的基礎(chǔ)選用均為灌注樁,直徑為100 cm,樁底處于強(qiáng)風(fēng)化巖層上。本項(xiàng)目的主要目的是泄洪、擋潮排澇、引清調(diào)水、以及通航等。圖1所示為此項(xiàng)目中所用鋼板樁平面布置圖,平面尺寸為20.5 m×12.76 m。圍堰內(nèi)圍檁、角撐和對撐都選用類型相同的工字鋼。

圖1 圍堰布置平面圖

3 鋼板圍堰工序的改進(jìn)以及建立三維模型

表1 地質(zhì)參數(shù)

3.1 工序的改進(jìn)

通過工程現(xiàn)場地質(zhì)情況的勘查,確定13.5 m 為項(xiàng)目中鋼板樁圍堰的支護(hù)總深,超過了一般工程中的深度（10 m）,所以常規(guī)的圍堰施工順序可能不滿足工程需求,所以選用了改進(jìn)后的施工順序,并對比分析了鋼板樁圍堰的作業(yè)順序改變前后板樁的變形情況。

鋼板樁圍堰經(jīng)常用的施工順序是每將圍堰內(nèi)的水抽出一部分后,就做好下層的支撐,所以變形會發(fā)生在設(shè)置支撐之前,這種順序會使變形量累加,導(dǎo)致較大彎矩的產(chǎn)生,影響到圍堰的安全性。因?yàn)殇摪鍢兑恢痹谒凶鳂I(yè),所以為了防止變形出現(xiàn),可以先設(shè)支撐,再一次性將水全部抽出。這種施工順序要先將角撐、對撐和圍模焊接好,接著把支撐結(jié)構(gòu)移動到合適位置,并對其水平度進(jìn)行調(diào)整,再施工鋼板樁以及混凝土封底,最后把水一次性全部抽出。由于先設(shè)支撐,所以抽水并不會給圍堰造成較大的變形,大大降低了彎矩,提高了其安全性。

3.2 建立三維模型

本文所使用的有限元軟件可以設(shè)置工程的施工順序,基于此,建立了工序改進(jìn)前后的兩種有限元模型,以此對施工過程中圍堰的變形規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析,將兩種工序下鋼板樁變形規(guī)律進(jìn)行比較和分析,研究施工工序?qū)ζ渥冃蔚挠绊?。在施工過程中,抽水是造成鋼板樁圍堰發(fā)生變形的主要因素,當(dāng)圍堰內(nèi)持續(xù)抽水并挖泥到底部時(shí),土水作用在圍堰上的壓力為最大,因此圍堰在此時(shí)的累計(jì)變形量也達(dá)到峰值,所以主要選取抽水挖泥到底部的工程情況,作為模型分析計(jì)算的對比條件。圍堰內(nèi)部的最初水位和外部的設(shè)計(jì)水位保持相同。同時(shí),隨著變形的提升,鋼板樁的剛度慢慢從單根板樁剛度提高到理想樁墻剛度。通常情況下,正常工序施工鋼板樁圍堰時(shí),其鋼板樁剛度取值為理想樁墻剛度的一半,在對工序進(jìn)行改進(jìn)之后,由于內(nèi)支撐的存在,會抑制鋼板樁的變形,使其剛度達(dá)不到理想剛度的一半,所以取值為理想剛度的30%。此次鋼板樁平面是一個(gè)長20.5 m,寬12.76 m 的矩形,深度達(dá)到13.5 m。在計(jì)算模型時(shí),將圍堰原開挖面以下以及四周,分別擴(kuò)大了一個(gè)數(shù)值,此數(shù)值等于圍堰深度的3 倍,即圍堰長、寬、深變?yōu)?01.5 m、93.76 m、54 m。對于內(nèi)支撐、圍檁、和鋼板樁選取線彈性模型；選用MC 彈性模型為土體本構(gòu)模型進(jìn)；利用有限元軟件自身功能自動劃分模型網(wǎng)格。對于正常工序,模型里設(shè)置分為五步：第一步先安裝第一層的圍檁和支撐,施工鋼板樁,將水抽到第二層撐以下0.5 m；第二步做第二層圍檁和支撐,施工鋼板樁,將水抽到第三層以下0.5 m；第三步做第三層圍檁和支撐,施工鋼板樁,將水抽到第四層以下0.5 m；第四步做第四層圍檁和支撐,施工鋼板樁,將水抽到第五層以下0.5 m；第五步做第五層圍檁和支撐,將水抽干,挖出底泥直至封底混凝土最上部。因?yàn)楦倪M(jìn)工序是將支撐設(shè)置好,然后將水抽出,所以為了更好地與正常工序的變形做對比,在建立的模型中的抽水順序同樣分為五步,具體為：第一步將水抽到第二層撐以下0.5 m；第二步將水抽到第三層撐以下0.5 m；第三步將水抽到第四層撐以下0.5 m；第四步將水抽到第五層撐以下0.5 m；第五步將水全部抽干,挖出底泥直至封底混凝土最上部。

4 工序改進(jìn)前后的位移分析

4.1 位移分析

以圍堰長邊計(jì)算得出的位移進(jìn)行比較和分析,正常和改進(jìn)工序模型的位移峰值都出現(xiàn)在工序第五步,水被全部抽出的時(shí)候,圖2所示即為位移結(jié)果。經(jīng)過有限元分析后,取出圍堰中位移最大邊中點(diǎn)位置各標(biāo)高的位移,繪制如圖3,即為工序改變前后在不同抽水次數(shù)下位移的變化規(guī)律。

圖2 抽水完成后板樁位移云圖

圖3 工序改進(jìn)前后位移變化規(guī)律

從圖2有限元計(jì)算得出的鋼板樁位移云圖能夠看出,對工序改進(jìn)后,與正常工序相比,其鋼板樁的位移有明顯的降低,工序的改變導(dǎo)致位移峰值出現(xiàn)的位置和位移的大小發(fā)生了較大的改變。從圖2和圖3都可看出,正常工序下鋼板樁主要在上部（初始抽水時(shí)期）,在抽水后期變形量較小。通過分析圖3（a）可以看出,對于一般正常的作業(yè)順序而言,隨著抽水次數(shù)（深度）的增加,圍堰內(nèi)部水量減少,外部水壓對圍堰產(chǎn)生擠壓作用,迫使其發(fā)生變形,板樁出現(xiàn)位移,并且位移量都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,位移量不斷累積,在中上部點(diǎn)處達(dá)到峰值,隨之減小。最大位移量高達(dá)164.7 mm,發(fā)生在最后一次抽水的過程中。因?yàn)檎９ば蚴窍瘸樗?再設(shè)置內(nèi)支撐,所以在支撐設(shè)置前板樁就已經(jīng)發(fā)生了變形,尤其是第一次抽水時(shí),圍堰內(nèi)無支撐,變形較大,隨著繼續(xù)抽水,板樁產(chǎn)生的變形量逐步累計(jì),并對上一層的支撐產(chǎn)生壓縮,所以位移峰值的位置會出現(xiàn)略微下沉。隨著工序的進(jìn)行,最后一層支撐與封底混凝土間的距離逐漸縮小,所以距離封底混凝土越近,混凝土對板樁的約束力就越大,板樁的變形位移就越小。反觀圖3（b）,改變作業(yè)順序后的最大位移雖然也是發(fā)生在最后一次抽水的過程中,但位移量最高也僅有6.97 mm,僅僅有一般工序最高位移量的4.2%,并且鋼板樁的變形較為均勻,不會出現(xiàn)在抽水初期變形較大且集中的情況。圖3（b）反映出,對于每次抽水,鋼板樁變形增加量大致相同,并且位移峰值出現(xiàn)的位置基本一致,不會像正常工序一樣出現(xiàn)下沉。

改進(jìn)工序的優(yōu)勢在于,每次抽水時(shí)圍堰都已設(shè)置好了五層內(nèi)支撐,共同抵抗變形。且正常工序下支撐和混凝土的間距最大值（第一次設(shè)置支撐）遠(yuǎn)大于改進(jìn)工序下封底混凝土和支撐的間距。改進(jìn)工序在抽水前就設(shè)置好全部內(nèi)支撐,支撐與抽水同步工作。這也表明改進(jìn)工序能夠避免正常工序某處支撐只能抑制此支撐位置以下板樁變形的缺點(diǎn),其支撐不僅可以對支撐點(diǎn)以下板樁起到作用,對支撐點(diǎn)以上的板樁同樣能發(fā)揮作用,能夠大大提高圍堰內(nèi)支撐相互配合能力,能夠共同發(fā)揮作用,使圍堰支撐系統(tǒng)整體性更強(qiáng),有更大的優(yōu)勢。除此之外,改進(jìn)工序某處支撐的剛度、高程等參數(shù)的確定也更容易對鋼板樁和其他支撐的變形造成影響,需要格外注意；同時(shí),正常工序和改進(jìn)工序的變形曲線有所差異,要在設(shè)計(jì)、監(jiān)測和施工時(shí)重點(diǎn)關(guān)注。

4.2 比較改進(jìn)后的監(jiān)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果

將正常工序下不同抽水次數(shù)（深度）時(shí)鋼板樁位移的計(jì)算結(jié)果和改進(jìn)后的計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測值進(jìn)行了對比,結(jié)果見圖4。

圖4 抽水完成后監(jiān)測值與計(jì)算值的對比

對圖4進(jìn)行分析可知,改變作業(yè)順序后,對于位移量的變化規(guī)律,監(jiān)測值與計(jì)算值都沒有太大差別,雖然兩者的最大位移沒有保持高度一致,但差距不大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般工序下最大位移與監(jiān)測值的差值。這也說明與一般工序而言,改進(jìn)鋼板樁圍堰作業(yè)順序之后,能夠減小板樁的變形,提高其整體穩(wěn)定性和安全性,有很大的發(fā)展空間。

4 結(jié)論

對于一些大型工程,普通的鋼板樁圍堰施工方式并不能滿足工程需求,因此技術(shù)人員對其施工順序進(jìn)行了改進(jìn)。但目前國內(nèi)關(guān)于工序改變對鋼板樁變形影響的研究較少,本文以實(shí)際工程為例,通過有限元模擬,對比分析了鋼板樁圍堰施工順序改變前后板樁變形的變化規(guī)律,并得到如下結(jié)論：

（1）改進(jìn)工序的變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般工序,前者僅有后者的4.2%,表明改變鋼板樁圍堰作業(yè)順序,大大提高了板樁圍堰的穩(wěn)定性。

（2）改進(jìn)工序能夠大大提高圍堰內(nèi)支撐相互配合能力,能夠共同發(fā)揮作用,使圍堰支撐系統(tǒng)整體性更強(qiáng),有更大的優(yōu)勢。

（3）通過對比改進(jìn)工序的監(jiān)測值、計(jì)算值、常規(guī)工序的計(jì)算值發(fā)現(xiàn),對于鋼板樁位移量的變化規(guī)律,改變工序的監(jiān)測值與計(jì)算值都沒有太大差別,與一般工序而言,改進(jìn)鋼板樁圍堰施工順序之后,能夠減小板樁的變形,提高其整體穩(wěn)定性和安全性。