葉宇潛

(廣州市黃埔區(qū)河涌管理所，廣東 廣州 510000)

1 工程概況

廣州市黃埔區(qū)長洲島新?lián)克l工程位于黃埔區(qū)長洲島新?lián)?，長洲島是珠江口上的一個江心洲。新?lián)课挥陂L洲島中部，南北連接珠江，將長洲島一分為二。新?lián)楷F(xiàn)狀河口無閘，與外江水域直接連通，屬于外江水域。本次工程將在新?lián)績啥朔謩e興建水閘，即東閘和西閘，東閘擬建于珠江口100m處，該處河涌寬度約140m，水閘管理調控中心布置在北岸，西閘閘址定在深井涌以北，靠近深井涌。防洪(潮)標準為200年一遇，主要建筑物級別為1級，次要建筑為3級，臨時建筑物為4級。東閘水閘共8墩7孔，邊孔單孔凈寬為12.0m，通航中孔凈寬為18.0m，閘孔總凈寬為90.0m。長洲島主要河涌的排澇標準為20年一遇24小時暴雨1天排干不成災。為安全、優(yōu)質、文明、高效地完成施工Ⅰ標工程建設任務，東閘施工前內涌、外江均需修筑圍堰，外江圍堰長度約150m，內涌圍堰長度約140m。圍堰平面位置如圖1所示。

2 圍堰選型及計算工況

圍堰雖為臨時性擋水建筑物，但失事后果嚴重，輕則影響到工程施工，拖延工期、增加造價；重則可能造成人員傷亡和經(jīng)濟損失，圍堰結構型式及所用材料多樣，需滿足穩(wěn)定、防滲、抗沖等多方面的要求[1- 4]。

2.1 圍堰設計標準

本工程水閘為1級建筑物，相應導流工程為Ⅳ級臨時建筑物。按廣東省地方標準DB/T 182—2004《廣東省海堤工程設計導則(試行)》規(guī)定，1、2級建筑物的圍堰施工期度汛潮(洪)標準重現(xiàn)期為5～10年；根據(jù)SL 303—2004《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》，導流標準在10～20年一遇范圍內選擇。結合工程所在地的實際情況，并考慮工程的重要性，外江圍堰設計擬按10年一遇最高洪潮水位2.21m，內涌圍堰設計最高施工水位為1.92m?？紤]安全超高值，外江圍堰堰頂高程確定為2.80m，內涌圍堰堰頂高程確定為2.50m。根據(jù)GB 50286—98《堤防工程設計規(guī)范》，Ⅳ級臨時圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)標準見表1。

表1 圍堰整體穩(wěn)定安全系數(shù)標準

2.2 圍堰型式選定

圍堰型式根據(jù)該項目的自然條件(水文、氣象、地形、地質資料等)和工程條件(水工建筑物設計、導截流方案、導流建筑物設計等)，考慮工期和施工工藝[5- 9]，擬確定采用單排鋼板樁+支撐錨(鋼管樁)圍堰結構形式，鋼管樁支撐錨設在基坑側，鋼管樁直徑600mm，鋼管樁與鋼板樁圍堰之間凈距為3m，兩者之間采用型號HW350x350x12x14工字鋼剛性連接支撐。內涌、外江局部低洼位置在鋼板樁圍堰前后采用回填砂礫石反壓等進行回填擠壓密實。外江圍堰長約150m，內涌圍堰長約140m。原自然河床與相對基坑底點高差2～4.5m。鋼板樁采用拉森式SP-Ⅳ型。外江圍堰樁頂高程為2.80m，內涌圍堰樁頂高程為2.50m。鋼板樁樁底均穿透淤泥質土層，打入淤泥質粉砂層，外江圍堰鋼板樁樁長按15.0m控制，內涌圍堰鋼板樁樁長按12.0m控制。圍堰施工可以結合河床地形實際情況，對河床比較深的區(qū)域回填砂礫石整平后施工鋼板樁，整平后高程可作為選擇對應圍堰剖面的高程。

圖1 內涌和外江圍堰平面位置圖

2.3 圍堰典型斷面及計算工況

根據(jù)鋼板樁圍堰堰體與水閘主體之間的距離、水閘結構開挖深度以及河道地形、地質情況，在內涌和外江圍堰安全性分析過程中各選取了1個剖面進行計算，如圖2所示。外江圍堰設計擬按10年一遇最高洪潮水位2.21m，內涌圍堰設計最高施工水位為1.92m，最低水位均按年最低潮位-1.93m。根據(jù)GB 50286—98，外江和內涌圍堰計算工況見表2。

表2 圍堰穩(wěn)定計算工況

3 優(yōu)化前圍堰安全性分析

3.1 結構受力計算

對比分析地質鉆孔柱狀圖，內涌圍堰與兩岸斜交，最后選用土質更差的ZK1作為典型地質情況，外江圍堰計算時選取ZK18作為典型地質情況，采用理正深基坑軟件計算鋼板樁的內力變形，鋼板樁的應力公式為σ=M/W，其中M為鋼板樁所受的最大彎矩，W為鋼板樁的截面模量MPa。[σ]=210MPa，W=2200cm3/m，鋼板樁的抗彎允許彎矩[M]=210×2.2/1.25=369.6kN·m。鋼板樁結構受力計算結果見表3。鋼板樁的結構受力如圖3所示。

圖2 圍堰典型剖面圖

類型河床高程/m工況鋼板樁長度/m鋼板樁位移最大值鋼板樁彎矩最大值位移/cm所在高程/m/(kN·m)所在程/m計算結果對應圖內涌圍堰-2.5外江圍堰-2.5最高施工水位1.92m低水位-1.93m10年一遇高水位2.21m低水位-1.93m15m11.92.5326.8-4.5圖3a0.12.52.1-4.5圖3b14.62.8377.9-4.0圖3c0.12.82.1-4.0圖3d

由表3和圖3可見，由于內涌典型剖面在高水位(最高施工水位1.92m)工況時鋼板樁彎矩最大值為326.8kN·m，接近于鋼板樁的允許彎矩369.6kN·m，考慮到河道地形、地質情況較為復雜，存在淤泥等軟弱土體，加之圍堰與水閘的距離、水閘結構開挖深度、施工對土體的擾動、鋼板樁存在的差異等復雜因素，為了安全起見，應對內涌圍堰單排鋼板樁+支撐錨(鋼管樁)的結構設計方案采取優(yōu)化加固措施。由于外江典型剖面在高水位(10年一遇高水位2.21m)工況時鋼板樁彎矩最大值為377.9kN·m，超過了鋼板樁的允許彎矩369.6kN·m，且同樣存在河道地形、地質情況復雜，存在淤泥等軟弱土體，施工條件復雜等因素，必須對外江圍堰單排鋼板樁+支撐錨(鋼管樁)的結構設計方案采取優(yōu)化加固措施。

3.2 穩(wěn)定性計算

采用深基坑軟件計算內涌和外江圍堰的整體穩(wěn)定性，計算結果見表4。圍堰整體穩(wěn)定驗算簡圖如圖4所示。

表4 圍堰穩(wěn)定計算結果

圖3 內涌和外江典型剖面鋼板樁結構受力圖

圖4 內涌和外江典型剖面整體穩(wěn)定計算簡圖

由表4和圖4可知：內涌圍堰典型剖面在最高施工水位1.92m時的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為2.891，是規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)的2.5倍左右，在最低潮水位-1.93m時的整體穩(wěn)定安全系數(shù)更是達到了11.508，是規(guī)范規(guī)定的10倍左右；外江圍堰典型剖面在10年一遇高水位2.21m時的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為2.509，是規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)的2.2倍左右，在最低潮水位-1.93m時的整體穩(wěn)定安全系數(shù)更是達到了11.685，是規(guī)范規(guī)定的10.2倍左右；綜上，內涌圍堰和外江圍堰典型剖面的整體穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

4 優(yōu)化后圍堰安全性分析

由于在優(yōu)化前圍堰整體穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，僅鋼板樁的結構應力不滿足要求，故本次優(yōu)化后僅對鋼板樁的結構應力進行分析，不再對優(yōu)化后圍堰的整體穩(wěn)定性進行分析。

4.1 優(yōu)化后設計方案

優(yōu)化后設計方案的加固措施擬在鋼板樁基坑側按一定間距布置三根Φ600mm鋼管樁(壁厚10mm)為一組鋼管樁做支撐體，三根鋼管樁之間采用25b槽鋼連為一體并雙層設置，每組鋼管樁與鋼圍檁之間采用型號HW350x350x12x14工字鋼支撐剛性連接，對鋼板樁提供支撐力，加固示意圖如圖5所示。

采用Midas/GTS大型有限元計算軟件復核鋼管樁的容許水平拉力值，有限元模型如圖6a所示，地層分布采用ZK18，在樁頂施加100kN的水平力，彎矩分布如圖6b所示。

由圖6可知：求得的最大彎矩為660kN·m，樁頂位移為17.5cm，按照材料力學理論計算得出此時的應力為321.8MPa，小于鋼材的屈服應力350MPa，故一根鋼管樁打入持力層后能夠提供100kN的水平拉力。圍堰施工期間，根據(jù)現(xiàn)場實際地質情況進行鋼管樁水平抗力測試。

4.2 結構受力計算

加固時，求解鋼板樁每延米需要的拉力F，假設每根鋼管樁能提供100kN的拉力，則鋼管樁的間距L=100kN/F。經(jīng)分析，內涌圍堰采用鋼板樁+支撐錨(鋼管樁)支護結構，支護結構的內力和鋼管樁間距見表5，計算結果如圖7所示。

由表5和圖7可知：采用優(yōu)化加固措施后的圍堰設計方案，內涌鋼板樁計算時的鋼管樁間距為

圖5 單排鋼板樁圍堰加固措施示意圖

圖6 鋼管樁水平受力分析模型及彎矩分布

類型河床高程/m需要提供的拉力/(kN/m)鋼板樁最大位移/cm鋼板樁彎矩最大值/(kN·m)鋼管樁間距/m計算值建議值內涌圍堰-2.57.210.6295.214.08.0外江圍堰-2.51012.7331.810.06.0

圖7 加固后內涌、外江典型剖面結構受力圖

14m，其典型剖面在最高施工水位1.92m工況時鋼板樁彎矩最大值為295.2kN·m，遠小于鋼板樁的允許彎矩369.6kN·m；外江鋼板樁計算時的鋼管樁間距為10m，其典型剖面在10年一遇高水位2.21m工況時鋼板樁彎矩最大值為331.8kN·m，也小于鋼板樁的允許彎矩369.6kN·m。考慮到一定的安全儲備，建議內涌鋼管樁施工時的間距為8m，外江鋼管樁施工時的間距為6m。

5 結論

采用理正深基坑軟件計算新?lián)克l工程的施工圍堰穩(wěn)定性，優(yōu)化前在高水位時內涌鋼板樁的彎矩接近于其允許彎矩，外江鋼板樁的彎矩更是超過了其允許彎矩，內涌和外江圍堰的整體穩(wěn)定性滿足要求。為此，對外江圍堰單排鋼板樁+支撐錨(鋼管樁)的結構設計方案采取優(yōu)化加固措施，優(yōu)化后內涌和外江鋼板樁的彎矩均小于其允許彎矩，建議內涌鋼管樁施工時的間距為8m，外江鋼管樁施工時的間距為6m。