鋼板樁圍堰在上海堤防專項(xiàng)維修中的應(yīng)用

楊 瀟

（上海市堤防泵閘建設(shè)運(yùn)行中心，上海市 200080）

0 引言

上海地屬濱江臨海，地勢(shì)低平，擁有26000 余條河道，長(zhǎng)度達(dá)25000 余米。堤防工程在上海市的防汛中十分重要，為確保城市正常運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)安全而必須經(jīng)受各種嚴(yán)峻考驗(yàn)[1]。堤防的新建、改造以及加固的施工過程中，底板的施工需要借助設(shè)置圍堰來確保干法施工。

目前上海市施工圍堰的粗放設(shè)計(jì)暴露出能耗大、效率低、成本高等諸多弊端。施工圍堰不按設(shè)計(jì)圖紙施工會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)自身及人員安全、周邊環(huán)境、工期等產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到整個(gè)項(xiàng)目的順利進(jìn)行[2]。為了減少圍堰建設(shè)的能耗，增加圍堰的安全性，減少圍堰建設(shè)過程對(duì)周邊環(huán)境的影響，本文旨在依據(jù)上海市標(biāo)準(zhǔn)《堤防工程鋼板樁圍堰技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ 08-2341—2020），研究鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)流程及其在上海市堤防專項(xiàng)維修中的應(yīng)用。

1 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)流程

1.1 鋼板樁圍堰的適用性分析

鋼板樁圍堰較傳統(tǒng)圍堰，如木樁圍堰、槽鋼圍堰等有著安全性高、周邊環(huán)境適應(yīng)性好、對(duì)周邊構(gòu)筑物影響小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)單排鋼板樁圍堰不需要在2 排樁之間加入土方來抗?jié)B，不需要有大量土方進(jìn)出，對(duì)周邊環(huán)境的影響更小，更具有推廣性。顯然，使用鋼板樁圍堰而產(chǎn)生的環(huán)境效益和社會(huì)效益更加突出。但是相對(duì)地受制于鋼板樁材質(zhì)特點(diǎn)，鋼板樁圍堰的單位造價(jià)會(huì)略高于同等級(jí)別的傳統(tǒng)圍堰。

因此，鋼板樁圍堰的適用范圍主要為環(huán)境保護(hù)要求高或存在重要保護(hù)對(duì)象、河道過水?dāng)嗝嬗忻鞔_限制束窄要求、文明施工要求較高的工程。

1.2 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)的步驟

（1）確定圍堰級(jí)別及圍堰頂標(biāo)高：根據(jù)圍堰所在岸段確定圍堰級(jí)別和圍堰頂標(biāo)高。

（2）場(chǎng)地及周邊環(huán)境調(diào)查：確定圍堰實(shí)施岸段的場(chǎng)地條件及周邊環(huán)境，明確鋼板樁圍堰是否適用，尤其注意圍堰實(shí)施岸段是否存在管線、硬質(zhì)結(jié)構(gòu)、高壓電線等設(shè)施。

（3）基本資料收集：確定圍堰實(shí)施岸段的邊界條件——地質(zhì)條件、墻前泥面、基坑挖深、擋水高度等。

（4）圍堰選型確定：根據(jù)圍堰臨水側(cè)高度和基坑挖深來確定鋼板樁圍堰的長(zhǎng)度和最小慣性矩，再根據(jù)最小慣性矩確定具體的圍堰型式，如單排圍堰、單排加強(qiáng)圍堰和雙排圍堰等，并選定對(duì)應(yīng)型式下的鋼板樁樁規(guī)格[3]。

（5）圍堰復(fù)核計(jì)算：根據(jù)圍堰所在岸段的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，復(fù)核選定圍堰的安全性，若復(fù)核結(jié)果沒有問題，則繪制圍堰圖紙；若復(fù)核存在問題，則對(duì)圍堰選型進(jìn)行優(yōu)化，繪制圍堰圖紙。

鋼板樁圍堰規(guī)范化設(shè)計(jì)步驟見圖1。

圖1 鋼板樁圍堰規(guī)范化設(shè)計(jì)步驟

2 鋼板樁圍堰在上海市堤防專項(xiàng)維修中的應(yīng)用

本文選取黃浦江右岸專項(xiàng)維修的一公用岸段為例，進(jìn)行分析說明，該路段總長(zhǎng)為1568 m。

2.1 工程等級(jí)和規(guī)范

2.1.1 工程等級(jí)

根據(jù)《上海市防汛指揮部關(guān)于修訂調(diào)整黃浦江防汛墻頂標(biāo)高分界及補(bǔ)充完善黃浦江、蘇州河非汛期臨時(shí)防汛墻設(shè)計(jì)規(guī)定的通知》（滬汛部[2017]1 號(hào)文件），攔路港段、紅旗塘（上海段）、大泖港段（北朱泥涇及向陽(yáng)河向下游至黃浦江干流段）和太浦河（上海段）防汛墻為II 等工程3 級(jí)水工建筑物。新建或永久性防汛墻按2 級(jí)水工建筑物設(shè)計(jì)、按100 a 一遇流域防洪規(guī)范（或歷史最高水位）校核。

2.1.2 設(shè)計(jì)規(guī)范

（1）防洪規(guī)范：根據(jù)《太湖流域防洪規(guī)劃》，青松大控制片外圍涉及流域泄洪干道的黃浦江、蘇州河等邊界按流域50 a 一遇洪水規(guī)范設(shè)計(jì)；遠(yuǎn)期可防御不同降雨典型的100 a 一遇洪水。本工程是太湖流域防洪骨干河道的重要組成部分，因此本工程防洪規(guī)范按50 a 一遇規(guī)范設(shè)計(jì)，100 a 一遇規(guī)范校核，并按上海市米市渡站歷史最高水位復(fù)核。

（2）除澇規(guī)范：上海地區(qū)除澇規(guī)范采用1963年型相當(dāng)于20 a 一遇最大24 h 面降雨量，且采用與降雨過程同步實(shí)測(cè)潮位過程。據(jù)《上海市各分片最大24 h 面雨量頻率分析》，青松大控制片20 a 一遇最大24 h 的面雨量為180.2 mm。

（3）抗震規(guī)范:根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB 35047—2015），本工程位于地震烈度7 度區(qū)，參考《上海市黃浦江防汛墻工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（試行）》（2008年5月）第4.2.2 條，本工程建筑物按地震烈度7 度設(shè)防，地震動(dòng)峰值加速度為0.1g。

2.2 計(jì)算參數(shù)的選擇

根據(jù)《上海市黃浦江防汛墻工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（試行）》中設(shè)計(jì)水位確定，本工程特征水位統(tǒng)計(jì)見表1，表中P 為洪水頻率。

表1 特征水位統(tǒng)計(jì)表

2.3 工程地質(zhì)條件

經(jīng)本次勘察揭露，本工程地基土在25.45 m 深度范圍內(nèi)均為第四紀(jì)松散沉積物，屬第四系河口、濱海、淺海、沼澤相沉積層，主要由飽和黏土、粉性土以及砂土組成，一般具有成層分布特點(diǎn)。

2.4 防汛墻的設(shè)計(jì)方案

本工程防汛墻范圍內(nèi)存在過江管和原水管。為了保護(hù)過江管和原水管，同時(shí)兼顧水閘和橋梁的保護(hù)等要求，本段防汛墻共設(shè)計(jì)4 種結(jié)構(gòu)斷面型式，其中設(shè)置施工圍堰的斷面形式見圖2。

圖2 防汛墻改造斷面（單位：mm）

原有老結(jié)構(gòu)全部拆除，新建鋼筋混凝土“L 型”擋墻。擋墻厚400 mm，墻頂標(biāo)高5.24 m。新建鋼筋混凝土擋墻底板底高程為1.40 m。底板厚600 mm，寬3.20 m。樁基均為φ600×8000@2000 灌注樁。新建砌塊石護(hù)坡，護(hù)坡頂高程2.00 m，護(hù)坡坡比1∶2.5。

2.5 圍堰方案

為了確保防汛墻斷面的順利實(shí)施，本工程需修建臨時(shí)圍堰。臨時(shí)圍堰布置在防汛墻前4 m 的位置；同時(shí)參考本工程地質(zhì)條件，確定所需施工圍堰的長(zhǎng)度c=11.7 m（c=3×（a+b），其中a 為圍堰迎水側(cè)出土高度、b 為圍堰陸域側(cè)基坑挖深）。

2.5.1 圍堰基本形式及參數(shù)

本段施工圍堰采取組合式鋼板樁圍堰。根據(jù)確定的最小慣性矩，單排加強(qiáng)鋼板樁圍堰采用鋼板樁組合H 型鋼，鋼板樁規(guī)格選取S8（1440），H 型鋼選取H85/40B。S8（1440）鋼板樁規(guī)格見表2，H85/40B 鋼板樁規(guī)格見表3。表3 中：B 為高度、C 為寬度、t 為腹板厚、t'為翼緣厚。

表2 S 8（1440）鋼板樁規(guī)格

表3 H85/40B 鋼板樁規(guī)格

鋼板樁和H 型鋼組合后，單排加強(qiáng)鋼板樁圍堰慣性矩258300 cm4/m，滿足最小慣性矩（圍堰使用工況時(shí)抗內(nèi)外水位差所需的最小抗彎剛度）的要求，組合后單排加強(qiáng)鋼板樁圍堰參數(shù)見表4；組合后單排加強(qiáng)鋼板樁圍堰斷面圖見圖3。

表4 組合后單排加強(qiáng)鋼板樁圍堰參數(shù)

圖3 組合后單排加強(qiáng)鋼板樁圍堰斷面圖

2.5.2 圍堰的復(fù)核和驗(yàn)算

根據(jù)前述分析，已經(jīng)確定圍堰的基本型式和參數(shù)。為了確保圍堰的自身安全，建議應(yīng)對(duì)圍堰的抗傾覆和變形進(jìn)行驗(yàn)算。

2.5.2.1 圍堰的抗傾覆驗(yàn)算

圍堰抗傾覆安全復(fù)核計(jì)算結(jié)果見表5。由表5 可知，圍堰抗傾覆計(jì)算的安全系數(shù)滿足《堤防工程鋼板樁圍堰技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

表5 圍堰抗傾覆安全復(fù)核計(jì)算結(jié)果

2.5.2.2 圍堰抗變形和抗彎驗(yàn)算

圍堰抗彎和抗變形安全復(fù)核計(jì)算結(jié)果見表6。由表6 可知，圍堰的抗變形和抗彎能力符合《堤防工程鋼板樁圍堰技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

表6 圍堰抗彎和抗變形安全復(fù)核計(jì)算結(jié)果

2.5.2.3 圍堰的整體穩(wěn)定安全

圍堰整體穩(wěn)定安全復(fù)核計(jì)算結(jié)果見表7。由表7可知，圍堰的整體穩(wěn)定安全系數(shù)滿足《堤防工程鋼板樁圍堰技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

表7 圍堰整體穩(wěn)定安全復(fù)核計(jì)算結(jié)果

2.5.2.4 基坑滲透穩(wěn)定

基坑滲透穩(wěn)定分析復(fù)核結(jié)果見表8。表8 中：a為圍堰迎水側(cè)出土高度；b 為圍堰陸域側(cè)基坑挖深；c為圍堰長(zhǎng)度；GS為坑底土粒比重；ic為坑底土體的臨界水力梯度；γsi為滲流作用分項(xiàng)系數(shù)，i 是方向；γRS為抗?jié)B流分項(xiàng)系數(shù)。由表8 可知，基坑滲透穩(wěn)定性滿足《堤防工程鋼板樁圍堰技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

表8 基坑滲透穩(wěn)定分析復(fù)核結(jié)果

綜合上述分析，設(shè)計(jì)圍堰方案滿足規(guī)范要求，方案合理可行。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)鋼板樁圍堰的適用性以及設(shè)計(jì)流程的分析，并通過鋼板樁圍堰在上海市堤防維修工程中的具體案例，說明了鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)流程。鋼板樁圍堰的應(yīng)用，即減少了建設(shè)能耗，又減弱了建設(shè)過程對(duì)周邊環(huán)境的影響，從而產(chǎn)生了巨大的環(huán)境效益和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。