秦清波 尹邦武 周濤

摘要：在急流河道中建設(shè)大型橋梁基礎(chǔ)工程時(shí)常用深水基礎(chǔ)，其施工鋼圍堰平臺(tái)存在定位和下沉困難、水流沖擊變形大、造價(jià)高等施工難點(diǎn)。依托烏東德水電站庫(kù)區(qū)雅礱江上的若水大橋工程，研究了急流條件下橋梁深水基礎(chǔ)圍堰選型，提出了戧堤進(jìn)占筑島圍堰設(shè)計(jì)方案。該方案分區(qū)采用不同材料填筑圍堰平臺(tái)，墩位處設(shè)置混凝土咬合樁支護(hù)進(jìn)行基坑開(kāi)挖，有效解決了急流條件下橋梁深水基礎(chǔ)施工難題，可作為同類橋梁施工平臺(tái)設(shè)計(jì)的參考。

關(guān)鍵詞：橋梁基礎(chǔ)； 急流條件； 筑島圍堰； 混凝土咬合樁； 若水大橋

中圖法分類號(hào)： U442.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.026

0引 言

在水流急、水位變幅大、地質(zhì)條件復(fù)雜的急流河道中，建設(shè)大型橋梁深水基礎(chǔ)需搭建深水施工平臺(tái)。國(guó)內(nèi)常用的深水施工平臺(tái)主要有鋼吊（套）箱圍堰、鋼板樁圍堰和土石筑島圍堰［1-4］。急流條件下，鋼吊（套）箱圍堰需大型設(shè)備輔助定位和下沉，且施工難度和風(fēng)險(xiǎn)極大，工程造價(jià)高［5-6］；鋼板樁圍堰在急速水流沖擊下易出現(xiàn)變形和漏水；土石筑島圍堰受水流流態(tài)變化和拋投材料水中性能的影響較大，需進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)后才能投入應(yīng)用［7-8］。本文依托若水大橋工程，借鑒大型水利工程截流過(guò)程中應(yīng)用的“戧堤進(jìn)占”工藝，進(jìn)行了截流龍口水力特性計(jì)算，增設(shè)混凝土咬合樁基坑支護(hù)，設(shè)計(jì)出的土石筑島圍堰方案成功完成了急流河道中的橋梁深水基礎(chǔ)施工，與鋼圍堰平臺(tái)相比，該方案具有工期短、難度小、風(fēng)險(xiǎn)和造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)。

1工程概況

若水大橋是烏東德水電站庫(kù)區(qū)橫跨雅礱江的一座大橋，橋梁跨徑布置為（65+115+65）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，大橋1～2號(hào)橋墩位于雅礱江主河道上，橋墩承臺(tái)埋置于河床線以下，承臺(tái)尺寸為16.0 m（橫橋向）×9.2 m（順橋向）×4.0 m（高），下設(shè)6根φ2.5 m樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)25 m和36 m。橋址處枯水期（12月至次年5月）橋位處水面寬度175～190 m，施工最大水深約6～8 m。

1號(hào)橋墩處覆蓋層為8.5 m厚卵礫石夾漂石，下伏基巖為砂巖夾頁(yè)巖；2號(hào)橋墩覆蓋層為1.5 m厚卵礫石夾漂石+28.7 m厚粉質(zhì)黏土和碎石夾土及卵石層，下伏基巖為三疊系寶鼎組砂巖夾頁(yè)巖，兩個(gè)墩位處河床地形較平緩，傾坡約5°。

橋址上游約5.2 km處為桐子林水電站，電站總裝機(jī)容量為4×150 MW，單臺(tái)機(jī)組滿發(fā)額定下泄流量為868 m3/s。受電站發(fā)電影響，橋址處河道水流湍急，最大流速5.70 m/s（根據(jù)近5 a實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)）。

2施工平臺(tái)方案選擇

該工程施工平臺(tái)方案選擇時(shí)主要考慮以下外部環(huán)境因素及其影響：① 水流流速大，施工平臺(tái)受流速影響定位和著床難度大，結(jié)構(gòu)抗水流沖擊能力要求高。② 地質(zhì)條件復(fù)雜。墩位處覆蓋層主要為卵礫石夾漂石，且厚度較大，不利于平臺(tái)下沉施工。③ 橋位處河道不通航，兩岸地勢(shì)陡峭，不利于架設(shè)和使用大型設(shè)備。④ 根據(jù)河道行洪要求，施工平臺(tái)在汛前需拆除。⑤ 該工程為烏東德水電站移民工程，資金緊張，在保證工程質(zhì)量和安全前提下，需盡量選擇造價(jià)低的施工平臺(tái)方案。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，參照國(guó)內(nèi)深水橋梁施工常用的方法，擬定鋼套箱圍堰、鋼板樁圍堰和土石筑島圍堰進(jìn)行比較分析［2］，具體比較如表1所列。

經(jīng)綜合多因素比較，若水大橋借鑒大型水利工程截流采用“戧堤進(jìn)占”的工藝，采用改造后的土石筑島圍堰作為最優(yōu)施工平臺(tái)方案。

3筑島圍堰設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

該工程橋墩深水基礎(chǔ)施工時(shí)段安排在雅礱江枯水期，橋址處枯水期河道洪水流量主要受上游桐子林水電站發(fā)電下泄流量控制。根據(jù)橋址附近水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，近5 a枯水期實(shí)測(cè)最大流量為2 541 m3/s，相當(dāng)于桐子林水電站3臺(tái)機(jī)組滿發(fā)下泄流量?？紤]到橋梁深水基礎(chǔ)施工時(shí)間為12月至次年5月，筑島圍堰施工平臺(tái)頂高程及裹頭防護(hù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按電站3臺(tái)機(jī)組滿發(fā)考慮，相應(yīng)洪峰流量為2 604 m3/s；戧堤進(jìn)占筑島施工時(shí)間較短，與桐子林水電站協(xié)調(diào)后，按電站2臺(tái)機(jī)組滿發(fā)考慮，相應(yīng)洪峰流量為1 736 m3/s。

3.2水力學(xué)計(jì)算

為研究施工過(guò)程中橋址處河道的泄流量、流速、落差、上游水位等指標(biāo)隨龍口束窄寬度的變化規(guī)律及對(duì)應(yīng)工況所需的拋填材料粒徑，進(jìn)行了相應(yīng)水力學(xué)計(jì)算［9-13］。

（1） 束窄口門泄水能力計(jì)算。

視戧堤束窄口門為梯形斷面的寬頂堰，其泄水能力按式（1）、（2）計(jì)算［1］。

非淹沒(méi)流：Qg=mBcp2gh1.5u（1）

淹沒(méi)流：Qg=σnmBcp2gh1.5u（2）

式中：Qg為龍口泄流量；σn為淹沒(méi)系數(shù)；m為流量系數(shù)，考慮側(cè)收縮影響取0.31；Bcp為龍口平均寬度，m；g為重力加速度，m/s2；hu為龍口上游水深，m。

（2） 拋投材料粒徑計(jì)算。

拋投材料粒徑近似按平堵試驗(yàn)提出的伊茲巴什公式計(jì)算［3］。

d=vmaxk2gρm－ρρ2（3）

式中：d為拋投材料折算成圓球體的直徑，m；vmax為龍口平均流速，m/s；k為綜合穩(wěn)定系數(shù)；ρm為拋投材料密度，t/m3；ρ為水的密度，t/m3。

（3） 計(jì)算結(jié)果。

土石筑島圍堰平臺(tái)進(jìn)占工況如圖1所示。

計(jì)算工程中，忽略波狀水面的影響，非淹沒(méi)流時(shí)堰上水深取臨界水深，淹沒(méi)流時(shí)堰上水深取下游水深，不計(jì)回彈落差；不考慮戧堤滲漏量及基礎(chǔ)沖刷對(duì)過(guò)水?dāng)嗝娴挠绊?；設(shè)計(jì)過(guò)流量全部由龍口下泄。土石筑島圍堰平臺(tái)進(jìn)占施工的水力學(xué)成果如表2所列。

3.3筑島圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1總體布置

為保證橋梁深水基礎(chǔ)順利實(shí)施，按最小施工場(chǎng)地要求，土石筑島圍堰施工平臺(tái)填筑后，河道最小頂寬80.0 m，底寬54.0 m，在設(shè)計(jì)洪水工況下，龍口最大計(jì)算流速6.24 m/s，上游水位988.95 m，確定筑島圍堰平臺(tái)頂高程為990.00 m。戧堤兼作施工便道，頂面寬7.0 m，左岸戧堤長(zhǎng)63.7 m，右岸戧堤長(zhǎng)56.8 m，拋填坡比1∶1.3。筑島圍堰綜合考慮樁基礎(chǔ)施工鉆機(jī)作業(yè)面和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)布置，確定筑島圍堰平面尺寸分別為：36.0 m×27.7 m（1號(hào)橋墩）和32.0 m×33.2 m（2號(hào)橋墩）。筑島圍堰平臺(tái)總體布置如圖2所示。

3.3.2進(jìn)占程序

根據(jù)水力學(xué)計(jì)算不同工況下的截流龍口水力特性，兩岸戧堤進(jìn)占各分4個(gè)區(qū)段進(jìn)行填筑，進(jìn)占順序及材料分區(qū)如圖3所示。

為減少戧堤下游側(cè)施工平臺(tái)迎水側(cè)沖刷，兩岸施工平臺(tái)上游側(cè)戧堤均往河床多拋填5.0 m，形成挑流磯頭，并拋投特大塊石形成防沖裹頭。

3.3.3進(jìn)占拋投材料

戧堤進(jìn)占拋投材料選擇石渣料、中石和大石，平臺(tái)裹頭防護(hù)拋投特大石，拋投材料表如表3所列。

拋投材料具體規(guī)格為：① 石渣料，一般粒徑0.2～0.4 m的石渣，其中粒徑20～40 cm塊石含量大于50%，粒徑2 cm以下含量小于20%；② 中石，粒徑0.3～0.7 m，重量40～480 kg的塊石；③ 大石，粒徑0.7～1.3 m，重量0.48～3 t的塊石；④ 特大石，粒徑1.3～1.6 m，重量3～5 t的大塊石，可采用相同重量的鋼筋石籠或合金鋼絲石籠代替。

3.4基坑支護(hù)

橋墩承臺(tái)處由于筑島圍堰傾填約8 m厚碎石土，河床面以下2.0～8.0 m為卵礫石夾漂石，鋼板樁的基坑支護(hù)方案插打施工難度大，經(jīng)比選后選擇混凝土咬合樁作為承臺(tái)施工的基坑支護(hù)方案［14-17］。

咬合樁采用直徑1.5 m的混凝土灌注排樁，樁心間距1.2 m，相交咬合30 cm，由鋼筋混凝土樁（A樁，C35，樁長(zhǎng)15.8 m，28根）和素混凝土樁（B樁，C25，樁長(zhǎng)15.8 m，26根）間隔布置，頂部設(shè)置鋼筋混凝土冠梁和內(nèi)支撐，形成矩形支護(hù)結(jié)構(gòu)（19.1 m×12.3 m），基坑支護(hù)平面布置如圖4所示。

混凝土咬合B樁施工完成后，再施工相鄰A樁，A樁需切割B樁部分混凝土從而形成咬合結(jié)構(gòu)，A樁為支護(hù)受力結(jié)構(gòu)，B樁對(duì)排樁結(jié)構(gòu)形成有效連接，起到止水帷幕的作用。B樁按照常規(guī)鉆孔灌注樁工藝施工，A樁施工會(huì)對(duì)已完成施工的B樁進(jìn)行切割擠壓破壞，為適應(yīng)該施工工藝，B樁可采用緩凝混凝土澆筑［16］。

為實(shí)現(xiàn)橋墩承臺(tái)干地澆筑，基坑底部澆筑 50 cm 厚C25封底混凝土。

4結(jié) 論

若水大橋在雅礱江一個(gè)枯水期內(nèi)（12月～次年5月）完成了土石筑島圍堰、橋梁深水基礎(chǔ)和土石筑島圍堰拆除的全部施工，整個(gè)施工過(guò)程在桐子林電站3臺(tái)機(jī)組發(fā)電工況下，土石筑島圍堰保持完好，確保了大橋工程順利完工。本文對(duì)若水大橋土石筑島圍堰設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)，主要有以下3點(diǎn)結(jié)論：

（1） 戧堤進(jìn)占土石筑島圍堰在急流河道橋梁深水基礎(chǔ)施工時(shí)具有較好的適用性。

（2） 按大型水利工程戧堤截流龍口水力學(xué)特性計(jì)算得到了進(jìn)占順序、平面分區(qū)、拋投材料和粒徑等成果，對(duì)土石筑島圍堰施工具有較好的指導(dǎo)性。

（3） 混凝土咬合樁適用于深厚填石層基坑支護(hù)。

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（編輯：鄭 毅）