文東民

（中國鐵建港航局集團有限公司第三工程分公司，山東 青島 266071）

1 工程概況

1.1 基本情況

該船塢為2萬噸級干船塢，長210m，寬53m，深11.6m。塢口以南22m處利用11個沉箱并排安裝構(gòu)成臨時止水圍堰主體，沉箱長9.3m、寬8.1m高9.4m，單重480t，其底標高-7.0m，頂標高+2.4m，底部為拋石基床，基床上表面覆蓋土工布以防止基床止水注漿過程沉箱與基床石粘連，圍堰上部兩側(cè)漿砌擋浪墻至+5m。圍堰兩側(cè)與原有結(jié)構(gòu)接連處采用預(yù)制異型砼方塊填補，縫間澆筑水下混凝土止水；相鄰沉箱間接縫采用結(jié)合腔間混凝土止水；此外為了防止沉箱塊石基床透水，在沉箱中預(yù)埋了上下貫通的導(dǎo)管，采用低壓雙液升漿法固結(jié)基礎(chǔ)塊石，進而實現(xiàn)圍堰整體止水。

1.2 工程施工特點分析

1.2.1 圍堰是船塢干施工的保證條件，發(fā)揮作用時間較長，貫穿于整個工期（18個月），必須確保其結(jié)構(gòu)安全性。

1.2.2 圍堰拆除為該工程的最后一道工序，根據(jù)驗算，圍堰沉箱在極限條件下抗滑穩(wěn)定處于臨界值，圍堰上部壓載及圍堰內(nèi)側(cè)堆土均是維持圍堰穩(wěn)定的重要因素。因此為了降低圍堰內(nèi)外兩側(cè)水頭差產(chǎn)生的水平力，拆除前須向圍堰內(nèi)注水，這決定了圍堰拆除方案的前提條件。

1.2.3 沉箱圍堰兩端與原結(jié)構(gòu)的接茬處需要爆破方可提供出沉箱拆除的自由面，而爆破部位一側(cè)緊靠原碼頭方塊，另一側(cè)比鄰沉箱（后續(xù)工程需要使用），其間距僅10cm，爆破風(fēng)險較大，一旦造成沉箱壁的破損，將給整個圍堰拆除工作帶來極大的障礙。

1.3 海浪的影響分析

據(jù)海洋觀測站統(tǒng)計，該地區(qū)外海常浪向為NW、NNW，頻率為2.7%、2.6%；涌浪的常浪向為NNW、N向，其累年出現(xiàn)頻率分別為6.6%、6.1%。對本工程有影響的波浪主要為灣內(nèi)SSE、SE及S向，其中SE向波浪影響最大，極端高水位時H13%=1.80m；T=5.4S。

2 圍堰穩(wěn)定性驗算

2.1 圍堰抗傾驗算

2.1.1 計算要素

圖1 沉箱圍堰受力示意圖

沉箱受外海凈水壓力與波浪力，H13%=1.80m=1.61H平均；T=5.4S。

傾覆力分析：沉箱外側(cè)受設(shè)計極端高水位凈水壓力P=ρgh；波浪力；沉箱外側(cè)根部淤泥堆載對沉箱的土壓力。

穩(wěn)定力分析：沉箱僅僅依靠自重及預(yù)留前傾角度提供穩(wěn)定力矩。

2.1.2 波浪力計算

其基床頂標高為-7.0m，與港池內(nèi)標高基本一致，為暗基床。取極端高水位+4.16m，建筑物前沿港池水深d為7+4.16=11.16m,沉箱前沿基床上水深d1為11.16m，d＞2H=2*1.8=3.6m

圖2 波浪力簡圖

且d＞2H

前港池內(nèi)泥面底坡較小，則i<1/10，則根據(jù)《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）波浪力計算選用立波。

查表d/L=0.2635L=42.35

0.2 ＞d/L＞0.5

則根據(jù)《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）P61，波浪力計算選用以波來考慮。

⑴靜水面高度H處波浪壓力強度為0

⑵靜水面處的波浪壓力強度為：P=γH

⑶靜水面以上壓力直線分布

⑷靜水面以下深度Z處波浪壓力強度，按照如下公式

公式中：Pz為靜水面以下Z處波浪壓力強度（KPa）

Z為靜水面以下深度（m）

⑸墻底處波浪壓力強度：

雙曲余弦ch=[e^x+e^（-x）]/2e=2.71828帶入公式

Pb=0.347（KPa）

⑹單位長度前身上的總波浪力按照如下公式：

P=0.5*10.3*1.8^2+（10.3*1.8*11.16/6.28）*0.929526=47.3（KN/m）

式中：

γ 取 10.3KN/m3；H=1.8m；L=42.35m

sinh（x）=[e^x-e^（-x）]/2=0

⑺底面付托力：

2.1.3 傾覆力矩（極端高水位時內(nèi)側(cè)干施工,對沉箱大趾取矩，取1m計算寬度）

凈水壓力：P1max=ρgh=1.03*10^3*10*11.11=114.4（KN/m）

波浪力：P2=47.3（KN）

外側(cè)堆土主動土壓力：P3=（q+Σγh）K0=（0+1.8*5）*0.45

=4.05KN

傾覆力矩M1=ΣP*L

=114.4*11.11*0.5*11.11/3+47.3*8.04+4.05*2.5*5/3=2750KN·m

2.1.4 穩(wěn)定力矩

重心計算（計算過程略），L=5.3855m

每延米沉箱自重：

G1=182*2.4/8.1=53.93t

沉箱上部壓載：

G2=9.3*（5-4.16）*γ干+9.3*（4.16-2.4）*γ浮

=9.3*0.84*1.6+9.3*1.76*0.9=27.23t

回填砂自重：

g=8.92*4*2*1*1.8=128.45t

對稱結(jié)構(gòu)，重心為型心，l2=5.5m穩(wěn)定力矩M2=ΣG*L

=（53.93*5.3855+128.45*5.5+27.23*5.5）*10=11466.8KN·m

穩(wěn)定力矩M2遠大于傾覆力矩M1，安全系數(shù)：11466.8/2750=4.17

2.1.5 結(jié)論：結(jié)構(gòu)滿足抗傾要求。

2.2 抗滑驗算（內(nèi)側(cè)干施工，外側(cè)極端高水位疊加波浪力及堆土壓力）

2.2.1 摩擦系數(shù)的確定

為了確定沉箱與拋石基床上表土工布的摩擦系數(shù)，委托了某工程試驗檢測有限公司進行了模擬實驗，實驗結(jié)果確定了摩擦系數(shù)取值在0.32到0.33之間，計算中取0.32。

2.2.2 外側(cè)對沉箱的水平推力：凈水壓力+波浪力+前沿淤泥主動土壓力

P=114.4*11.11*0.5+47.3+4.05=686.8 KN

2.2.3 沉箱抗滑摩擦力：

2.2.4 結(jié)論：圍堰不滿足抗滑要求。

3 圍堰防護方案

思路：根據(jù)現(xiàn)有條件，利用圍堰內(nèi)側(cè)堆土的方式加以防護，利用其主（被）動土壓力輔助圍堰抗滑。

3.1 圍堰發(fā)揮止水作用期間的內(nèi)側(cè)堆土高度計算

每延米墻上總主動土壓力（KN/m）

Ea=（qKp+γH/2）HKa=18*H/2*0.333＞（686.8-670.75）

式中：

解得：H>5.35m

結(jié)論：本沉箱圍堰抗滑穩(wěn)定則須借助沉箱內(nèi)側(cè)至少5.35m高堆土（即后方堆土頂標高不得小于-1.65m）提供的主動土壓力得以實現(xiàn)。若沉箱發(fā)生向內(nèi)移動趨勢，則沉箱內(nèi)側(cè)堆土立即產(chǎn)生被動土壓力，其被動土壓力系數(shù)：Ka=tan2（45°+30°/2）=3，大大提高了圍堰抗滑穩(wěn)定性。

3.2 圍堰拆除前期內(nèi)側(cè)堆土高度計算

本階段不同于3.1，在沉箱不發(fā)生滑移的前提下盡可能（趁干施工條件）降低圍堰內(nèi)側(cè)堆土高度，此時可采用土體的被動土壓力系數(shù)作為抗滑計算數(shù)據(jù)。

被動土壓力系數(shù)：

解得H>0.6m

結(jié)論：在圍堰拆除前期，其防護土方高度須大于0.6m（此為理論值，施工中須預(yù)留安全系數(shù)）。

4 圍堰拆除方案研討

圍堰內(nèi)外兩側(cè)的水頭差是威脅圍堰整體穩(wěn)定的主要因素，根據(jù)上述計算即可找到圍堰內(nèi)堆土開挖的水陸施工分界點，達到此臨界值后即向圍堰內(nèi)注水，使圍堰內(nèi)外水頭平衡，對剩余部分的堆土改為水上開挖。

結(jié)語

依據(jù)沉箱圍堰的穩(wěn)定性驗算結(jié)論，確定了圍堰防護與拆除方案。采取有效的措施對沉箱的抗滑穩(wěn)定性進行了加強，彌補了設(shè)計的不足，保證了船塢工程在內(nèi)部干施工條件下作業(yè)人員、機械設(shè)備的絕對安全，同時也確定了后續(xù)圍堰拆除方案大方向。

[1]海港水文規(guī)范.JTJ213-98[Z].

[2]圍堰止水工程研究[J].中國水運，2013.