何 勇

(杭州市南排工程建設(shè)管理處，浙江 杭州 311305)

1 工程概況

杭州三堡排澇工程位于京杭運河最南端與錢塘江溝通的咽喉之地三堡二線船閘西側(cè)，是以防洪排澇為主結(jié)合改善水環(huán)境的大型樞紐工程［1］，設(shè)計排澇流量200m3/s，配置4臺單機流量50m3/s斜軸泵，裝機13.2MW。工程主要由進水口、五孔進水箱涵、泵站、四孔排水箱涵等建筑物組成，均為一級建筑物。泵站進水口位于三堡二線船閘上游引航道錨埠區(qū)，與京杭大運河斜交，主要包括導航架、攔污柵交通橋、航道水平和垂直防護等工程，與航道交叉工程施工范圍156m。

進水口施工與進水箱涵、泵站、排水箱涵施工同步，整個工程基坑承長條狀，基底寬度32～102m，長度800m，開挖深度7～18m，基坑安全等級均為一類，圍堰保護范圍約3.5萬m2。進水口位于三堡二線船閘上游引航道錨埠區(qū)，圍堰的選擇和施工受航運限制、周邊環(huán)境影響大。圍堰的設(shè)計、施工必須考慮圍堰自身結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性、實用性，同時做好防撞、防沖刷、防滲透、施工期監(jiān)測措施，確保運河航運和工程施工的安全。

2 圍堰建筑物設(shè)計

2.1 圍堰選型和布置

圍堰的選型和布置除考慮能滿足永久工程施工外，還必須考慮對通航的影響。由于三堡二線船閘的設(shè)計過閘能力約占總過閘能力的60%，作為溝通京杭大運河和錢塘江的重要運輸通道，嚴禁斷航。三堡二線船閘引航道河道寬45.0m，進水口前沿現(xiàn)澆混凝土護底等永久工程占用航道寬度約11.0m，圍堰最大高度約7.6m。若采用普通土石圍堰結(jié)構(gòu)，其圍堰底寬至少大于20.0m。施工工作面、通航安全距離3.0m，三堡船閘過船寬度為12.0m，僅能滿足單向通航。按照航道部門的評估，施工期間通航保證寬度25.0m，圍堰必須采用雙排鋼板樁型式。原有擋墻前沿5.0m范圍經(jīng)高壓旋噴樁和拋石防沖處理過，雙排鋼板樁與原擋墻的銜接采用管袋土圍堰，全長222.3m，其中雙排鋼板樁圍堰軸線長192.0m，管袋土圍堰軸線長30.3m，管袋土與鋼板樁圍堰搭接長度不小于6.0m(見圖1)。

圖1 圍堰布置圖 單位:m

2.2 渡汛水位選擇

進水圍堰為4級建筑物，跨汛期施工，工期7個月，按汛期10a一遇洪水標準設(shè)計。對應(yīng)的水位為3.31m。運河常水位1.50m。

2.3 鋼板樁圍堰斷面設(shè)計

圍堰頂高程3.8m，頂寬6.0m，圍堰內(nèi)外側(cè)鋼板樁樁長15.0m，樁頂高程3.5m，樁底高程-11.5m，樁頂設(shè)圍檁，2排樁間采用φ40鋼拉桿連接，拉桿間距1.6m，鋼板樁間填砂質(zhì)粉土，斷面見圖2。

圖2 雙排鋼板樁圍堰斷面圖 單位:m

2.4 圍堰防撞措施

運河過閘最大船只約800t，必須避免船舶的正面撞擊。按照圍堰布置，發(fā)生船只撞擊圍堰危險區(qū)域為管袋土圍堰區(qū)域，在該區(qū)域布置加強三角鋼管樁。圍堰外側(cè)2m布置1排防撞鋼管樁，樁頂高程3.5m，間距3.0m。鋼管樁長15.0m，直徑500mm鋼管。進入圍堰區(qū)設(shè)警示、提示標志，樁頂安裝警示燈。通過三堡船閘合理調(diào)度，大型船只盡量走一線船閘。

2.5 圍堰防滲措施

圍堰防滲主要是鋼板樁的防滲，圍堰與老擋墻連接段的截滲。鋼板樁本身具備止水性能，為確?？煽慷龋鈧?cè)鋼板樁內(nèi)側(cè)布置1層土工膜防滲。老擋墻前趾存在防沖拋石層，管袋土圍堰底部存在滲透通道，老擋墻后背為填土，也可能存在繞滲通道。在圍堰與擋墻連接處增設(shè)雙排高壓旋噴止水樁，樁徑1.0m，樁 (排)間距0.7m，深度同鋼板樁底高程，高壓旋噴樁嵌入鋼板樁不小于5.0m，并與5孔進水箱涵基坑止水帷幕連成整體，形成防滲、截滲封閉圈。

2.6 圍堰沖刷措施

受船行水波和船閘運行影響，航道刷深比較嚴重，設(shè)計航道底高程-2.27m，航道實際底高程達-3.60m，對圍堰安全非常不利。防沖措施采用拋石保護，外江側(cè)拋石至航道設(shè)計底高程，基坑側(cè)拋石至開挖面，拋石與鋼板樁內(nèi)部填土同步進行。

3 鋼板樁結(jié)構(gòu)安全性分析

3.1 工程地質(zhì)

進水口區(qū)域地層自上而下分4層，分別是砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、含泥細沙，鋼板樁座落在砂質(zhì)粉土層，力學指標見表1。

表1 土層力學性質(zhì)指標表

3.2 鋼板樁選型

根據(jù)市場情況，鋼板樁選用成熟的拉森IV型冷彎鋼板樁，樁長15.0m，鋼材材質(zhì)Q345B。鋼板樁基本參數(shù)見表2。

表2 鋼板樁基本參數(shù)表

3.3 計算工況

雙排鋼板樁最不利工況為進水口施工期間遇設(shè)計洪水，基坑開挖至設(shè)計高程，坑內(nèi)水位下降至-3.17m。

3.4 鋼板樁內(nèi)力計算

鋼板樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析采用豎向彈性地基梁法中的m法。其基本假定是將土體視作彈性變形介質(zhì)，具有沿深度成正比增長的地基系數(shù);樁的位移與樁的長度相比較小;樁處于彈性狀態(tài)，并服從虎克定律。

豎向彈性地基梁法是將板樁入土部分假定為彈性地基上的薄板，采用基床系數(shù)法進行計算。m法的水平地基反力系數(shù) (基床系數(shù))k按下式確定:

式中:k為水平地基反力系數(shù);m為水平地基反力系數(shù)隨深度增大的比例系數(shù);Z為計算點距計算水底泥面的深度(m)。

設(shè)計工況下允許圍堰有少量變位，鋼板樁內(nèi)力計算時，不考慮拉桿作用。鋼板樁單延米最大彎矩為373.40kN·m。

截面抵抗矩Wx=373.40×106kN·m/310MPa×1.35×1.15=1870cm3/m。所選鋼板樁截面抵抗矩為2270cm3/m，滿足要求。

3.5 鋼板樁入土深度復(fù)核

根據(jù)內(nèi)排鋼板樁入土深度，確定主動土壓力、被動土壓力和水壓力對第2道拉桿安裝點的力矩MEa、MEp、MEw，鋼板樁入土深度需滿足以下經(jīng)驗公式:

式中:MEa為主動土壓力對第2道拉桿安裝點的力矩(kN·m);MEp為被動土壓力對第2道拉桿安裝點的力矩(kN·m);MEw為水壓力對第2道拉桿安裝點的力矩(kN·m)。

經(jīng)計算，雙排鋼板樁圍堰入土深度安全系數(shù):基坑側(cè)鋼板樁為1.63，外海側(cè)鋼板樁為1.86，滿足要求。

4 鋼板樁穩(wěn)定性分析

4.1 整體抗滑穩(wěn)定分析

根據(jù)《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》，海堤整體穩(wěn)定采用瑞典條分法，最小安全系數(shù)kmin按非正常運行條件考慮控制在1.10以上。其計算公式如下:

式中:k為抗滑安全系數(shù);Wi為土條的滑弧長、重量(kN);Li為土條的滑弧長(m);Ci為土條滑動面上的凝聚力(kPa)，φi為土條滑動面上的內(nèi)摩擦角(°);αi為滑動面中點的切線與水平線的夾角(°);T為土工織物設(shè)計強度(kN);

鋼板樁整體穩(wěn)定系數(shù)為1.68，滿足要求?；瑒用嬉妶D3。

圖3 雙排鋼板樁圍堰穩(wěn)定計算圖

4.2 抗剪切變形穩(wěn)定分析

雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)作為一個柔性結(jié)構(gòu)，抗剪切變形穩(wěn)定分析采用北島法。其抗剪切變形穩(wěn)定安全系數(shù)計算按下式進行:

式中:Mf為鋼板樁結(jié)構(gòu)所能提供的極限抵抗力矩(kN·m);Ms為鋼板樁所受的變形力矩(kN·m)，指海底面以上的墻前波浪力、墻后土壓力、樁間剩余水壓力以及上部結(jié)構(gòu)所受的外荷載對海底面的力矩。K為抗剪切變形安全系數(shù)，取 1.2。

式中:γ為圍堰內(nèi)填料的計算容重(kN/m2);H0為計算圍堰內(nèi)填料抵抗力矩時的換算壁高(m);V0為相對圍堰寬度，υ0=B/H0，B為雙排鋼板樁間距(m);φ為內(nèi)填料的摩擦角(°)。

經(jīng)計算，雙排鋼板樁圍堰的抗剪切變形穩(wěn)定安全系數(shù)為4.21，滿足要求。

4.3 抗滑穩(wěn)定分析

堰體滑移穩(wěn)定即忽略板樁作用的前提下，在承受水壓荷載的情況下，雙板樁圍堰填充土體的摩擦阻力必須阻止水壓力引起的滑動。參考鋼板樁抗滑穩(wěn)定公式:

式中:G為內(nèi)填土重力(kN);φ為滑動面處淤泥的摩擦角(°);P土、P水、P波為對堰體的土壓力、水壓力、波壓力(kN)。

經(jīng)計算，雙排鋼板樁圍堰抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為5.63，滿足要求。

4.4 抗傾穩(wěn)定分析

參考毛鎧《格形鋼板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計施工手冊》和JTS 167-3—2009《板樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》，鋼板樁抗傾穩(wěn)定需滿足以下公式:

式中:G為圍堰內(nèi)填土重量(kN);B為雙排鋼板樁寬度(m);M水、M波為水壓力、波壓力對基坑側(cè)的板樁樁尖的力矩 (kN·m)。

經(jīng)計算，雙排鋼板樁圍堰抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)為1.88，滿足要求［2-3］。

5 工程監(jiān)測措施

工程監(jiān)測措施采用日常巡查措施和工程監(jiān)測措施。日常巡查定人、定時間、定線路、定巡查內(nèi)容，施工期間每天巡查不少于1次，遇洪水、基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)巡查頻率加倍。工程監(jiān)測措施包括頂部水平位移、深層水平位移、堰體內(nèi)水位［5］。布置、報警值見表5。

表5 鋼板樁圍堰工程監(jiān)測控制指標表

6 結(jié)語

(1)針對靠近運河、涉航運工況、工期緊、安全性要求高的施工圍堰，優(yōu)先采用雙排鋼板樁;

(2)雙排鋼板樁的設(shè)計除滿足結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性要求外，還要結(jié)合防撞、防沖刷、防滲、施工期監(jiān)測措施;

(3)該雙排鋼板樁施工工期1個月，抽水后2個月圍堰位移基本穩(wěn)定，最大深層水平位移發(fā)生在頂部，位移量46～86mm，均超過報警值，但在設(shè)計工況計算最大位移范圍內(nèi)。典型位移成果見圖4，最大位移孔位位于圍堰中部，整體安全。

圖4 5#測斜孔位移累計位移圖

(4)從深層位移觀測成果看出，圍堰發(fā)生2次大的變位，第1次發(fā)生在07月05—15日，主要由于圍堰體內(nèi)存在繞滲，堰內(nèi)水位接近外江水位導致變形突變;第2次發(fā)生在08月05—16日，主要由于堰頂大型車輛通過造成。

(5)雙排鋼板樁施工質(zhì)量重點控制鋼板樁的垂直度，確保雙層止水效果;通過控制堰內(nèi)抽 (降)水速率、控制堰頂超載、堰內(nèi)水位，防止圍堰過大變形，進而影響圍堰安全。

［1］潘衛(wèi)平.擴大杭嘉湖南排杭州三堡排澇工程可行性研究報告［R］.杭州:浙江省水利水電勘測設(shè)計院，2008.

［2］中華人民共和國交通部.JTS 167-3—2009板樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1998.

［3］毛鎧.格形鋼板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計施工手冊［Z］.北京:中國計劃出版社，2010.

［4］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50497—2009建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2009