陳 瑋 汪 森 江 巍 王彥海 張 啟

(1. 三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002； 2. 國網(wǎng)湖北省電力公司 羅田供電公司， 湖北 羅田 438600； 3. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

在河網(wǎng)區(qū)域的特高壓線路工程施工中，時(shí)常需要在水域中修建大型承臺，此時(shí)臨時(shí)圍堰的實(shí)施必不可少．采用傳統(tǒng)材料的草土圍堰[1]、土石圍堰[2]、混凝土圍堰[3]等圍堰形式工程量較大，在水利水電工程建設(shè)中使用較多，用作修建水域承臺的臨時(shí)圍堰并不適合．鋼板樁圍堰可適用于流速較大的砂類土、碎石土及風(fēng)化巖等堅(jiān)硬河床，可滿足河網(wǎng)區(qū)域大部分情況下的地質(zhì)條件要求，防水性能好，經(jīng)過多年的運(yùn)用已經(jīng)取得了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，與鋼吊(套)箱圍堰[4]等高強(qiáng)圍堰形式相比其工程造價(jià)相對較低，施工工藝也更為成熟，因此在進(jìn)行河網(wǎng)區(qū)域的特高壓線路承臺施工時(shí)，成為施工單位的首選圍堰形式．

鋼板樁圍堰[5]其形式屬于板樁圍堰：鋼板樁是一種帶有鎖口的型鋼，其截面形式、尺寸及聯(lián)鎖方式多種多樣，樁長可根據(jù)需要接長以用于深水區(qū)施工，圍堰內(nèi)部可加各種內(nèi)支撐提高整體穩(wěn)定性，重復(fù)使用性較強(qiáng)．目前，鋼板樁圍堰已被廣泛的用于橋梁工程[6]、水利工程[7]等領(lǐng)域的臨時(shí)圍堰布置，經(jīng)過國內(nèi)多年的施工實(shí)踐，鋼板樁圍堰從布置方案[8]、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9]到施工工藝[10]等都取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)．但針對河網(wǎng)區(qū)域特高壓輸變電線路水域承臺這一特殊對象，在鋼板樁圍堰布置時(shí)，如何根據(jù)工程對象的特點(diǎn)確立合適的鋼板樁圍堰布置方案，并考慮河網(wǎng)區(qū)域?qū)κ┕l件的限制采用恰當(dāng)?shù)氖┕し椒?，目前仍然缺乏深入的分析和研究．本文以湖北河網(wǎng)區(qū)域特高壓線路承臺施工為工程對象，對鋼板樁圍堰進(jìn)行初步布置之后，采用傳統(tǒng)力學(xué)計(jì)算確定鋼板樁的入土深度，然后采用ANSYS有限元軟件分析鋼板樁圍堰的應(yīng)力和變形情況，從強(qiáng)度條件和剛度條件兩方面檢驗(yàn)布置方案的安全性；在得到合理的布置方案之后，根據(jù)河網(wǎng)區(qū)域的施工局限性，選擇適合的封底方法．

1 基于工程對象特點(diǎn)的鋼板樁圍堰基本布置形式

1.1 鋼板樁圍堰用于河網(wǎng)區(qū)域水域承臺施工臨時(shí)圍堰的優(yōu)勢

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的發(fā)電量、用電量高速增長，特高壓輸電線路(電壓等級達(dá)到750 kV以上)在減少輸電損耗，充分利用線路走廊等方面的優(yōu)勢突出，因此逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用．特高壓線路建設(shè)經(jīng)過河網(wǎng)區(qū)域時(shí)，鋼板樁圍堰常用作水域承臺工程的臨時(shí)圍堰，與橋梁工程、水利工程相比，河網(wǎng)區(qū)域的鋼板樁圍堰具體實(shí)施具備自身的優(yōu)勢，下面以湖北河網(wǎng)區(qū)域的情況為例進(jìn)行闡述．

河網(wǎng)區(qū)域的水文條件相對簡單、地質(zhì)條件相對較好．與江河湖海等大型水域相比，湖北河網(wǎng)區(qū)域的特高壓輸電線路承臺鋼板樁圍堰施工一般在魚塘、藕塘等位置進(jìn)行，水域一般水深僅在1.5～2.0 m范圍內(nèi)，且水位一般穩(wěn)定、流速很小可視為靜水，此種情況下鋼板樁圍堰布置時(shí)本身承受較小的水壓力，而且無需考慮水位變化和流水壓力問題．地質(zhì)條件方面河網(wǎng)區(qū)域地表組成物質(zhì)以近代河流沖積物和湖泊淤積物為主，主要包括細(xì)砂、粉砂及粘土等，以所知的勘察資料為例，其水體以下地層按上下順序?yàn)椋?.2～1.5 m深的淤泥，6.3～9.2 m厚的粉質(zhì)粘土，往下則為厚層的粘土、粉土、細(xì)砂等分布，少有厚卵石層、基巖等堅(jiān)硬地層分布，易于鋼板樁圍堰的實(shí)施．

1.2 鋼板樁圍堰布置的基本形式

通過對國內(nèi)成功實(shí)施的鋼板樁圍堰案例的搜集和查閱相關(guān)手冊，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，并結(jié)合河網(wǎng)區(qū)域水域承臺的施工特點(diǎn)，項(xiàng)目中的鋼板樁圍堰布置的基本形式確定如下：

1)鋼板樁圍堰頂?shù)母叨瓤刂圃谑┕て谒灰陨?.5～1.0 m左右；

2)鋼板樁圍堰的外形按矩形布置，為單層鋼板樁圍堰，樁型采用拉森Ⅳ型或者Ⅵ型，鋼板樁的長度應(yīng)根據(jù)入土深度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行取整；

3)鋼板樁圍堰的平面尺寸以水域承臺的尺寸為基礎(chǔ)，四周各預(yù)留1.0～1.5 m后取整數(shù)，根據(jù)本項(xiàng)目中的水域承臺尺寸情況，鋼板樁圍堰的平面單邊長度約在20 m至25 m之間；

4)鋼板樁圍堰內(nèi)支撐設(shè)置1～2道，第一道支撐與施工期間水位齊平，第二道支撐與第一道支撐的高差為2.0 m或2.5 m，支撐著力點(diǎn)的間距在3.0～3.6 m之間(支撐布置形式如圖1所示)．

圖1 項(xiàng)目中擬采用的支撐平面布置形式

2 鋼板樁的入土深度計(jì)算

2.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)湖北輸變電工程公司提供的勘察資料，河網(wǎng)區(qū)域水域水深一般在1.5～2.0 m范圍內(nèi)，水下地層按上下順序?yàn)椋?.2～1.5 m深的淤泥，6.3～9.2 m厚的粉質(zhì)粘土，往下則為厚層的粘土、粉土、細(xì)砂等分布．基于水域承臺的相關(guān)設(shè)計(jì)資料，可明確本項(xiàng)目中的鋼板樁圍堰其樁底應(yīng)位于粉質(zhì)粘土層中，因此進(jìn)行入土深度的計(jì)算主要涉及的土層為淤泥和粉質(zhì)粘土．根據(jù)勘察結(jié)果，兩種土層的物理力學(xué)指標(biāo)見表1．

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 計(jì)算方法

鋼板樁入土深度的計(jì)算采用傳統(tǒng)的公式計(jì)算方法，過程一般為：首先計(jì)算各項(xiàng)荷載(水壓力，主動(dòng)土壓力，被動(dòng)土壓力等)；設(shè)定支撐安裝點(diǎn)，根據(jù)力矩平衡的安全系數(shù)要求確定入土深度．

規(guī)范要求，鋼板樁的入土深度應(yīng)使得力矩平衡的安全系數(shù)滿足下式要求：

(1)

式中，Ks為力矩平衡的安全系數(shù)，Mw，Ma，Mp分別為水壓力、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力對第一道支撐安裝點(diǎn)的總彎矩．當(dāng)預(yù)設(shè)的入土深度使得上述彎矩滿足式(1)的要求時(shí)，預(yù)設(shè)入土深度即可確定為最終入土深度．

2.3 計(jì)算結(jié)果

為保證鋼板樁圍堰的整體安全性，進(jìn)行入土深度的計(jì)算時(shí)，取水深為2.0、2.1、2.2、2.3、2.4和2.5 m六種情形，淤泥厚度為1.1、1.2、1.3、1.4和1.5 m五種情形，逐個(gè)組合為初始條件進(jìn)行入土深度計(jì)算，計(jì)算時(shí)忽略水流速度，得到的鋼板樁入土深度結(jié)果見表2．

表2 河網(wǎng)區(qū)域鋼板樁入粉質(zhì)粘土深度計(jì)算結(jié)果(單位：m)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：在河網(wǎng)區(qū)域的地質(zhì)條件和水文特性下，鋼板樁入土深度與水深和淤泥厚度呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，當(dāng)淤泥厚度每增加0.1 m，入土深度需要增加0.3～0.4 m，當(dāng)水深每增加0.1 m，入土深度需要增加0.7～0.9 m，水深的變化對入土深度的影響相對更大．為方便施工人員進(jìn)行統(tǒng)一操作，給予足夠的安全保障，可以認(rèn)為在類似水文地質(zhì)條件的河網(wǎng)區(qū)域進(jìn)行鋼板樁圍堰的布置實(shí)施時(shí)，鋼板樁進(jìn)入粉質(zhì)粘土層深度取2 m，是完全可以滿足最小入土深度的規(guī)定的．

3 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算

3.1 計(jì)算參數(shù)

鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)中的鋼板樁和內(nèi)支撐均為鋼質(zhì)，根據(jù)規(guī)范推薦，鋼材彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3．鋼板樁采用拉森Ⅳ型，材質(zhì)Q345，設(shè)計(jì)容許應(yīng)力值200 MPa，進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)等效為平面鋼板，按照模量等效原則，等效后鋼板厚度為116 mm．支撐采用I32a和H400×400兩種規(guī)格型鋼制作，材質(zhì)為Q235，設(shè)計(jì)容許抗彎應(yīng)力值145 MPa，容許抗拉壓應(yīng)力值135 MPa．

3.2 計(jì)算模型

根據(jù)前節(jié)鋼板樁圍堰形式的初步布置，鋼板樁圍堰的單邊平面尺寸在20～25 m范圍內(nèi)，支撐著力點(diǎn)的間距在3.0～3.6 m之間，為簡化計(jì)算內(nèi)容，選取20 m×20 m、20 m×25 m、25 m×25 m三種平面尺寸進(jìn)行計(jì)算，以20 m×20 m的平面尺寸為例，細(xì)化之后支撐布置尺寸和規(guī)格如圖2所示．

圖2 20 m×20 m平面尺寸的鋼板樁圍堰支撐布置細(xì)化圖

3.3 計(jì)算工況

針對每一種平面尺寸，分別選擇(a)水深2.0 m，淤泥厚1.0 m；(b)水深2.0 m，淤泥厚1.5 m；(c)水深2.5 m，淤泥厚1.0 m；(d)水深2.5 m，淤泥厚1.5 m這4種情況進(jìn)行計(jì)算，鋼板樁進(jìn)入黏土層深度基于前節(jié)的結(jié)果均取2.0 m，樁長根據(jù)取整的原則進(jìn)行確定，最終的鋼板樁計(jì)算工況見表3．

由于河網(wǎng)區(qū)域的水文地質(zhì)條件很好，水深不大，因此暫按一道支撐進(jìn)行考慮．考慮鋼板樁圍堰施工最危險(xiǎn)的情況：圍堰內(nèi)部抽水完畢，淤泥清理完成，準(zhǔn)備進(jìn)行混凝土墊層澆筑作業(yè)，此時(shí)圍堰外作用有水壓力、淤泥和粉質(zhì)粘土層的主動(dòng)土壓力，圍堰內(nèi)作用有粉質(zhì)粘土層的被動(dòng)土壓力．對每一種計(jì)算工況，將上述壓力計(jì)算后施加至有限元模型上，計(jì)算鋼板樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況．

表3 鋼板樁有限元計(jì)算工況(單位：m)

注：以鋼板樁樁底為0 m位置點(diǎn)，第一道支撐安裝位置設(shè)置為與水面齊平．

3.4 計(jì)算結(jié)果

以20 m×20 m的平面尺寸，水深2.0 m，淤泥厚1.0 m的荷載情況為例，采用ANSYS有限元軟件得到的計(jì)算結(jié)果如圖3所示．

圖3 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果

通過有限元計(jì)算得出鋼板樁自身的等效應(yīng)力最大值為31.8 N/mm2<200 N/mm2，內(nèi)支撐的等效應(yīng)力最大值為44.2 N/mm2<145 N/mm2，鋼板樁和內(nèi)支撐滿足強(qiáng)度要求．

鋼板樁的總位移量最大值為2.8 mm<6 000/250=24 mm，內(nèi)支撐的總位移量最大值為3.1 mm<3 600/250=14.4 mm，因此鋼板樁和內(nèi)支撐亦滿足剛度要求．

同樣的，各工況下鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和變形的校核，計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)樁長達(dá)到7 m時(shí)，僅采用一道支撐則鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)在剛度方面不滿足要求，在第一道支撐以下2.5 m處增設(shè)一道支撐后，鋼板樁圍堰的強(qiáng)度和剛度均可以滿足要求．具體計(jì)算結(jié)果見表4．

表4 3種平面尺寸、4種地質(zhì)條件下鋼板樁圍堰有限元計(jì)算結(jié)果

注：表中地質(zhì)條件編號d情況下樁長7 m，設(shè)置有2道內(nèi)支撐．

4 鋼板樁圍堰干法封底施工安全性分析

當(dāng)鋼板樁圍堰基底覆蓋層的為普通黏土、亞砂土等地層時(shí)，采用干法封底是存在很大的可行性的，普通黏土、亞砂土等地層雖然沒有硬塑狀粘土堅(jiān)硬可靠，但是在水深不大的情況下抽水之后一般可以依靠自身滿足基本的抗隆起、抗管涌等要求．采用干法封底，在進(jìn)行鋼板樁圍堰布置設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行相應(yīng)的抗管涌和抗隆起驗(yàn)算．

4.1 抗管涌驗(yàn)算

根據(jù)鋼板樁工程相關(guān)規(guī)范，抗管涌的安全系數(shù)應(yīng)該滿足下式要求：

(2)

根據(jù)前面進(jìn)行的相關(guān)計(jì)算，最不利的水文地質(zhì)條件下，圍堰外水面至基坑坑底的距離可取4.0 m，則水力梯度i=4.0/(4.0+2×2.0)=0.5，那么抗管涌安全系數(shù)為：

抗管涌安全系數(shù)滿足要求．

4.2 抗隆起驗(yàn)算

抗隆起驗(yàn)算采用普朗德爾和太沙基的地基承載力公式，并將鋼板樁圍堰基坑底面作為極限承載力的基準(zhǔn)面，對于粘性土需考慮c和φ兩個(gè)因素，驗(yàn)算公式如式(3)：

(3)

式中，Nc，Nq按普朗特爾公式分別計(jì)算：

進(jìn)行計(jì)算，γ1和γ2分別為淤泥和粉質(zhì)粘土的飽和重度(分別為17 kN/m3和18 kN/m3)，h1和h2分別為鋼板樁圍堰外自樁底向上淤泥和粉質(zhì)粘土的厚度．

考慮以下兩種最不利的水文地質(zhì)條件進(jìn)行相關(guān)計(jì)算：

1)淤泥厚度1.0 m，水深3.0 m．

2)淤泥厚度1.5 m，水深2.5 m．

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，抗隆起安全系數(shù)滿足要求，且安全儲(chǔ)備較高．

5 結(jié) 論

根據(jù)本文的研究結(jié)果，在進(jìn)行河網(wǎng)區(qū)域特高壓線路承臺工程建設(shè)過程中，一般的水文地質(zhì)條件下鋼板樁打入淤泥以下粉質(zhì)粘土層2 m即可滿足入土深度的安全性要求，鋼板樁圍堰采用單層拉森Ⅳ型樁結(jié)合1～2道內(nèi)支撐布設(shè)即可滿足鋼板樁圍堰的強(qiáng)度和剛度要求，第一道內(nèi)支撐與圍堰外水面齊平，第二道比第一道低2.5 m．鋼板樁圍堰封底可采用干法封底方案，一般情況下其抗管涌和抗隆起安全系數(shù)均可滿足要求．本文的研究結(jié)論是基于湖北河網(wǎng)區(qū)域特高壓輸變電線路的水域勘察資料得到的，可供其他河網(wǎng)區(qū)域的特高壓線路工程建設(shè)參考．

(致謝：本項(xiàng)研究成果得到了“國網(wǎng)湖北省電力公司1 000 kV特高壓輸電線路工程湖北河網(wǎng)區(qū)域施工技術(shù)研究及應(yīng)用—標(biāo)段10：深水區(qū)、大范圍新型鋼板樁臨時(shí)圍堰施工方法研究”的支持．)

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