李智波 中國鐵建港航局集團有限公司

1.緒論

近年來，隨著我國海洋貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，遠(yuǎn)洋貨輪的數(shù)量逐漸增多，與之相應(yīng)的大型船塢工程也日趨增多。在實際工程中，船塢圍堰建設(shè)的地質(zhì)條件和海洋工況越來越復(fù)雜，這便使得船塢圍堰在施工過程中會遇到相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。因此，特定復(fù)雜條件下大型船塢圍堰的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計以及成本評估成為重要的研究方向。

目前國內(nèi)外船塢圍堰結(jié)構(gòu)一般是板樁式結(jié)構(gòu)或重力式結(jié)構(gòu)，其中板樁式結(jié)構(gòu)有單排鋼板樁、雙排鋼板樁和格型鋼板樁等結(jié)構(gòu)形式，而重力式結(jié)構(gòu)有土石壩、預(yù)制沉箱等結(jié)構(gòu)形式，除上述兩種結(jié)構(gòu)形式外，近年來還出現(xiàn)了取代圍堰施工塢口的新工藝—鋼殼沉箱法。Buhan等從靜力學(xué)角度出發(fā)，將回填土視為三維連續(xù)體，將板樁視為圓柱殼體，計算在回填土的線性變化壓力分布作用下的板樁的極限載荷，重點討論了殼體厚度對結(jié)果的影響；劉幼如等通過從施工情況和經(jīng)濟技術(shù)方面對比鋼板樁圍堰和傳統(tǒng)的鋼筋混凝土圍堰，結(jié)果表明，在滿足結(jié)構(gòu)強度的前提下，鋼板樁作為圍堰時工期更短，施工更加簡單；黃碧珊等通過對黃石長江公路大橋進行模擬實驗，結(jié)果表明，隨著圍堰下沉深度的增加和周圍流速的增大，圍堰處沖刷深度以及沖坑大小均相應(yīng)增加，并且最后對圍堰的布置形式給出了合理的建議。可以看出，近年來對于圍堰結(jié)構(gòu)的研究，主要集中于滲流以及一般地質(zhì)和環(huán)境條件圍堰的分析，而對于特定地質(zhì)和環(huán)境條件之下的圍堰設(shè)計則需要專門設(shè)計。

本文以圍堰支擋結(jié)構(gòu)為研究對象，對其進行重力、水土壓力聯(lián)合作用下的整體結(jié)構(gòu)載荷數(shù)值模擬仿真，研究支擋結(jié)構(gòu)在各種載荷作用下其強度和穩(wěn)定性；在此基礎(chǔ)之上，開展結(jié)構(gòu)靜動態(tài)性能研究，對于圍堰結(jié)構(gòu)在未來港口船塢建造中的應(yīng)用，推進船塢圍堰高質(zhì)量發(fā)展具有重要實踐意義。

2.工程概況

以浙江六橫船塢工程為依托開展研究，工程臨海建設(shè)，塢口及西側(cè)部分塢墻處在水中，需采用臨時圍堰圍護確保干作業(yè)施工。

2.1 水文環(huán)境條件

工程區(qū)域淺海風(fēng)潮不大，潮汐屬規(guī)則半日潮，一天之中潮位兩漲兩落，潮流運動形式呈現(xiàn)出不規(guī)則往復(fù)流，工程水域?qū)崪y漲潮流垂線平均流速在0.5～0.6m/s之間、流向為285°～295°，落潮流垂線平均流速在0.6～0.79m/s之間、流向為100°～110°。潮差屬浙江沿海低潮差區(qū)，平均漲潮歷時5小時55分，平均落潮歷時6小時30分。通過分析水文站長期漲潮資料，得到極端高水位為3.48m，極端低水位為-2.56m，設(shè)計高水位為2.12m，設(shè)計低水位為-1.51m。

2.2 工程場地地質(zhì)情況

擬建場地位于舟山六橫島西側(cè)的開闊海域，場地北側(cè)為大海，西側(cè)為低矮丘陵，南側(cè)為空地，東側(cè)為廠房。工程場地屬于山前沖海積平原地貌，海域洋面寬闊，主水道潮流較急，水下地形起伏較大，海底地質(zhì)類型基本為泥沙，表部土層較簡單，性質(zhì)較穩(wěn)定。

圖1 圍堰平面布置圖

圖2 船塢圍堰支護結(jié)構(gòu)圖

圖3 止水帷幕平面示意圖

該區(qū)域位于浙閩粵燕山期火山活動帶，場地下伏基巖破碎。鉆孔資料揭示場地土層分布從上往下為素填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、含粘性土礫砂、粘土、粘土、含粘性土礫砂、強風(fēng)化凝灰?guī)r、中風(fēng)化凝灰?guī)r。

3.圍堰方案設(shè)計

3.1 原始方案設(shè)計

經(jīng)過現(xiàn)場勘察，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況以及環(huán)境氣候條件，擬采用一種新型復(fù)合圍堰結(jié)構(gòu)，采用73根直徑為1200mm鉆孔嵌巖灌注樁和43根直徑為1000mm鉆孔嵌巖灌注樁進行支護。北圍堰和西圍堰中間兩排架部位處，其鉆孔嵌巖灌注樁基之間的樁間焊接兩排擋土鋼板，兩排鋼板之間采用雙管高壓旋噴樁作為臨時止水帷幕墻，樁頂采用現(xiàn)澆縱橫梁連成一體，北圍堰排架南側(cè)共設(shè)置8根鋼結(jié)構(gòu)斜撐，作為圍堰支撐。

3.2 圍堰設(shè)計方案優(yōu)化

3.2.1 樁基礎(chǔ)優(yōu)化

該區(qū)域水深達(dá)10m以上，滿足打樁船沉樁吃水要求，且該工程1km以內(nèi)有高樁碼頭一座，樁基多數(shù)為預(yù)制PHC樁和鋼管樁，打樁船調(diào)遣方便，為降低施工成本、加快施工進度，故將圍堰外側(cè)第一排摩擦樁優(yōu)化為PHC樁。

3.2.2 止水帷幕優(yōu)化

原地基在兩排擋土鋼板之間從下往上依次為含砂性黏土、淤泥質(zhì)黏土，泥面以上為海水，因該止水帷幕需要滿足致密性要求，能夠有效阻隔海水滲透，而袋裝黃泥就可以滿足要求，且袋裝黃泥造價比高壓旋噴樁低，施工十分簡便，可提明顯高施工進度，節(jié)約施工成本。

圍堰基礎(chǔ)和止水帷幕優(yōu)化之后，整個工程進度顯著提高，成本也有大幅度降低，但是整個結(jié)構(gòu)的強度也相應(yīng)發(fā)生了變化，優(yōu)化之后圍堰的強度能否滿足實際的要求還需得進一步計算。

4.荷載分析

4.1 荷載類型

整個圍堰結(jié)構(gòu)所受載荷主要有恒載和水土壓力兩部分。恒載主要為結(jié)構(gòu)的自重，地基基礎(chǔ)及回填土質(zhì)為粘性土，按照規(guī)范采用水土合算。

圖6 灌注樁彎矩（KN·m）

4.2 鋼管應(yīng)力計算

查現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范表格，得到鋼管的長細(xì)比和軸壓穩(wěn)壓系數(shù)φ，鋼管的軸壓穩(wěn)定按下列公式進行計算

式中：

F——鋼管的最大軸力；

A——鋼管橫截面積。

4.3 灌注樁承載力計算

混凝土樁彎矩與軸力共同作用下的配筋復(fù)核采用現(xiàn)行混凝土設(shè)計規(guī)范中的圓形截面偏心受壓計算公式進行反復(fù)迭代驗算，圓形截面偏心受壓計算公式如下式所示：

式中：

N——受壓承載力設(shè)計值；

f——混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；

f——縱向普通鋼筋抗壓強度設(shè)計值；

η——偏心受壓構(gòu)件考慮二階彎矩影響的軸向壓力偏心距增大系數(shù)；

A——圓形截面面積；

A——全部縱向鋼筋的截面面積；

r——圓形截面的半徑；

r——縱向鋼筋重心所在圓周的半徑；

e——軸向壓力對截面重心的偏心距；

e——附加偏心距；

a——縱向受拉鋼筋截面面積與全部縱向鋼筋截面面積的比值；

a——混凝土強度修正系數(shù)。

5.模型建立

5.1 建立有限元模型

圍堰支擋結(jié)構(gòu)主要由樁基、縱橫梁系、砼面板、鋼管斜撐組成。使用ANSYS建立有限元模型，相關(guān)的單元類型與截面形狀見表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)ANSYS有限元模型主要參數(shù)果

圍堰支擋結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖4所示。

圖4 圍堰支檔結(jié)構(gòu)有限元模型

5.2 模型邊界條件

樁底與土壤之間采用彈簧單元模擬，并且約束整個樁底的位移，采用豎向彈性地基梁法進行計算。

6.結(jié)果分析

6.1 斜撐承載力分析

鋼管斜撐直徑為500 mm，壁厚為6 mm，材質(zhì)為Q235 B 鋼，橫截面積為0.00 9312 m，慣性矩為0.000284m。經(jīng)ANSYS計算的鋼管軸力如圖5所示，折算相當(dāng)應(yīng)力為193MPa，小于極限應(yīng)力215MPa，鋼管滿足承載力要求。

圖5 鋼管斜撐軸力（KN）

6.2 灌注樁承載力分析

混凝土樁彎矩與軸力共同作用下的配筋復(fù)核采用現(xiàn)行混凝土設(shè)計規(guī)范中的圓形截面偏心受壓計算公式進行反復(fù)迭代驗算。

式中：

N——受壓承載力設(shè)計值（N）；

a——系數(shù)；

f——混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值（N/mm）；

f——縱向普通鋼筋抗壓強度設(shè)計值（N/mm）；

η——偏心受壓構(gòu)件考慮二階彎矩影響的軸向壓力偏心距增大系數(shù)；

A——圓形截面面積（mm）；

A——全部縱向鋼筋的截面面積（mm）；

r——圓形截面的半徑（mm）；

圖7 PHC樁彎矩(KN·m)

圖8 圍堰支擋結(jié)構(gòu)位移(mm)

r——縱向鋼筋重心所在圓周的半徑（mm）；

e——軸向壓力對截面重心的偏心距（mm）；

e——附加偏心距（mm）；

α ——對應(yīng)于受壓區(qū)混凝土截面面積的圓心角弧度值與2π的比值；

α——縱向受拉鋼筋截面面積與全部縱向鋼筋截面面積的比值。

將灌注樁各參數(shù)及內(nèi)力計算結(jié)果代入迭算公式，配直徑為32mm三級鋼筋20根可滿足承載力要求，在實際中，配備同直徑鋼筋數(shù)量為28根，滿足強度要求。

6.3 PHC管樁承載力分析

PHC樁最大彎矩值為796 KN·m，根據(jù)產(chǎn)品手冊，直徑為1200mmPHC樁抗裂彎矩為1580 KN·m，承載能力滿足要求。

6.4 圍堰計算

經(jīng)計算，圍堰支擋結(jié)構(gòu)位移為0.033m，滿足實際要求，且與監(jiān)測位移值范圍（0～0.0 4m）基本相符。圍堰施工完成后，在圍堰頂部布置了7個點，現(xiàn)場測得各點的最大位移為0.027m，比計算值小，說明該計算模型的參數(shù)取值是可行的，是偏于安全的。

7.結(jié)論

浙江六橫船塢工程施工區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，設(shè)計了一種新型的復(fù)合圍堰，并對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，無論從成本還是施工進度都有大幅度的提升。在優(yōu)化之后結(jié)構(gòu)的強度依然滿足要求，說明設(shè)計是可行的，在具備良好安全性的同時兼具良好的經(jīng)濟性能，為以后復(fù)雜環(huán)境條件船塢圍堰設(shè)計具有重要參考意義。