宋 力,季 榮,楊從倫,許 祥
(1.江蘇省水利科學(xué)研究院 材料結(jié)構(gòu)所,江蘇 揚州 225002; 2.上??睖y設(shè)計研究院有限公司,上海 200335; 3.灌南縣水利建筑工程有限公司,江蘇 灌南 222502)
施工圍堰是水利工程重要的臨時設(shè)施,形式主要有土石圍堰、草土圍堰、木板樁圍堰、鋼板樁圍堰等。上述圍堰各有其適用范圍及優(yōu)點[1],但針對沿海感潮河段均適用性不強。
沿海地區(qū)受海水漲落潮影響顯著,感潮河段內(nèi)涌河水位隨海水漲落潮變化。在感潮河段進行施工圍堰填筑具有地質(zhì)條件復(fù)雜、河水位受潮水位影響變化頻繁、施工難度大等特點[2-3]。
本文針對傳統(tǒng)土石圍堰填筑結(jié)合鋼板樁圍堰施工工藝,總結(jié)提煉了感潮河段鋼管樁拉錨組合式圍堰施工工藝,并成功應(yīng)用于連云港鹽東控制工程武障河閘擴建工程中。
連云港鹽東控制工程武障河閘擴建工程位于灌南縣境內(nèi)武障河與鹽河交匯處東側(cè),主要施工內(nèi)容為拆除原武障河老閘,新建1 座13孔節(jié)制閘(每孔凈寬10 m),上、下游引河及老河槽拓浚 2.74 km。武障河閘設(shè)計排澇流量 849 m3/s,工程等別為Ⅱ等[4]。
新建武障河閘下游側(cè)為灌河,灌河通海,為典型感潮河流,圍堰平面總布置見圖1。下游側(cè)圍堰施工難點如下。
(1) 武障河閘下游圍堰設(shè)計堰頂標(biāo)高6.0 m,灌河側(cè)10 a一遇最高潮水位3.87 m,最低潮水位-0.5 m,臨閘室側(cè)河底高程約為-3.5 m,施工期圍堰內(nèi)外側(cè)水位落差大。
圖1 圍堰平面總布置Fig.1 General layout of cofferdam
(2) 河底高程以下 4 m深度范圍內(nèi)均為淤泥質(zhì)黏土,承載力差。地質(zhì)資料顯示:下游圍堰基礎(chǔ)為灰黑淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土、灰白中粉質(zhì)壤土及粉質(zhì)黏土,土中夾雜腐殖質(zhì),有腥臭味,呈流塑-軟塑態(tài);高含水量,高孔隙比,高觸變性,強度低,性質(zhì)極差,土層分布高程為 1.64~-2.08 m和-0.57~-3.80 m。
(3) 圍堰施工受潮汐影響大,因土方作業(yè)受潮汐時間限制,工作效率低,施工期長[5-6]。
武障河下游側(cè)圍堰(灌河側(cè))外河道是潮汐河道,地質(zhì)條件差,攔截灌河潮水,1 d兩潮,水位變化大,施工期最大潮位差約4 m,最小潮位差約2 m,潮漲潮落時間短(平均為6 h 12 min),對下游圍堰邊坡穩(wěn)定影響大?;谏鲜鍪┕l件,采用鋼管樁拉錨組合式圍堰施工工藝:在土質(zhì)圍堰基礎(chǔ)上增設(shè)兩排鋼管樁,鋼管樁內(nèi)側(cè)插入1.50 m×12.00 m×0.01 m(高×長×厚)鋼板,樁頂外側(cè)設(shè)雙拼工字鋼圍囹,上下游圍囹用精軋螺紋對拉,雙鋼管樁樁位距壩軸線上下游各 20 m,樁間距2 m,并在樁內(nèi)側(cè)土方填筑到最低水位時鋪設(shè)帶肋鋼筋網(wǎng)片,增強壩體整體性。下游圍堰斷面示意詳見圖2。
圖2 下游圍堰斷面示意(單位:m)Fig.2 Schematic diagram of downstream cofferdam cross section
鋼管樁拉錨組合式圍堰施工工藝流程見圖3。
圖3 鋼管樁拉錨組合式圍堰施工工藝流程Fig.3 Construction process flow chart of steel pipe pile pull-anchor combined cofferdam
根據(jù)下游圍堰設(shè)計圖進行實地放樣,測放圍堰的軸線位置以及雙排鋼管垂直水流的軸線位置,并在岸邊釘立控制樁。
4.2.1 沉 樁
鋼管樁沉樁前,進行鋼管樁工藝性試驗,根據(jù)工藝性試驗結(jié)果選擇鋼管樁的進尺速度、振動頻率等施工參數(shù)。
鋼管樁沉樁主要采用在河床內(nèi)浮吊船上放置簡易振動錘高頻率振動施打的方式,施打過程需拉線定位。工程船將鋼管樁運到樁位后,浮吊船吊起 60 型振拔錘(帶液壓鉗)插入至鋼管樁頂口,利用液壓鉗鉗緊鋼管樁端口后附帶振動錘整體起吊,就位至放樣樁位后,保證鋼管樁方向準(zhǔn)確及位置垂直。
鋼管樁按從邊岸向河中間的次序進行施打,首先每間隔10 m施打定位樁,以利于圍堰初步定位和確定圍堰底寬,然后在定位樁間每隔2 m中心距按管樁設(shè)計根數(shù)進行間距內(nèi)插鋼管樁[7]。
管樁施打前,要求浮吊船只泊位穩(wěn)定牢靠不移位。施打過程中,通過移動浮吊船上的移位導(dǎo)架,調(diào)整好鋼管樁樁位和垂直度,滿足要求后進行管樁施打,振動錘一邊振動,一邊插打下沉。每根管樁施工完畢后檢測平面位置和垂直度,滿足要求后依次施打其余鋼管樁。施工過程中應(yīng)加強對鋼管樁傾斜度的監(jiān)測,確保每根樁的傾斜度不大于2%。
4.2.2 橫向聯(lián)結(jié)及加固
雙排鋼管樁沉樁結(jié)束后,在其外側(cè)垂直水流方向雙拼28工字鋼連接系梁。工字鋼采用浮吊船吊裝就位后,通過焊接與鋼管樁間連接,形成抵抗圍堰土體滑動及側(cè)向土壓力的整體結(jié)構(gòu)。
鋼管樁施打完成、橫向聯(lián)接加固后,垂直水流方向,在鋼管樁內(nèi)側(cè)采用浮吊船進行1.50 m×12.00 m×0.01 m(高×長×厚)鋼板安裝,鋼板底部插入河床中,相鄰兩塊鋼板相互搭接2 m,在鋼板上部增設(shè)高2.2 mΦ8 mm@10 cm冷軋帶肋鋼筋網(wǎng)片,網(wǎng)片內(nèi)側(cè)綁扎模袋布,與鋼管樁綁扎牢固。
下游圍堰土體填筑施工順序分為:最低潮位以下,最高潮位至最低潮位之間和最高潮位以上。
(1) 最低潮位以下部分土體填筑。采用進占法施工,當(dāng)潮水退到最低潮位之上 50 cm 時,采用15 t自卸汽車水中倒土,1 m3挖掘機結(jié)合推土機整平碾壓。當(dāng)潮水漲到填土前則停止施工,對填筑堰體表面再次進行整平、壓實,堰頂中間比兩側(cè)略高,便于壩頂排水;最低潮位以下堰體填筑,堰頂允許過水。填筑完成后,鋪設(shè)模袋布及Φ8 mm@10 cm冷軋帶肋鋼筋網(wǎng)片,鋼筋網(wǎng)片尺寸為12.0 m×2.3 m和6.0 m×2.3 m兩種規(guī)格,長邊順?biāo)鞣较蜾佋O(shè),縱橫錯縫留50 cm鋪設(shè),以增強堰體整體穩(wěn)定性。
(2) 圍堰拉錨穩(wěn)固。模袋布及鋼筋網(wǎng)片鋪設(shè)完成后,繼續(xù)趁低潮位平層回填堰體至高程1.0 m后,對圍堰上下游鋼管樁進行拉錨穩(wěn)固,利用鋼管樁外側(cè)的雙拼工字鋼作圍囹,安裝精軋螺紋對拉,增強堰體整體性。
(3) 高潮位至低潮位之間土體填筑。精軋螺紋對拉完成后,進行最高潮位至最低潮位之間堰體土方填筑。這部分堰體填筑是下游圍堰填筑的關(guān)健。采用分層填筑,為確保圍堰壓實度,嚴(yán)格控制分層鋪土厚度≤50 cm,每一個落漲潮時間填筑完一層、壓實一層,漲潮時允許壩頂全斷面過水。因全斷面過水流速相對較小,水流對堰頂沖刷影響較小。
(4) 高潮位以上部分的堰體填筑。對高潮位以上部分的堰體填筑釆用分層填筑、分層壓實施工。在圍堰筑岀最高潮位后,繼續(xù)用15 t自卸汽車外運土,挖機結(jié)合大推土機壓實整平,分層加高填筑,直至達(dá)到設(shè)計高程。
圍堰迎水坡面采用復(fù)合防滲土工膜防護,土工膜鋪設(shè)時,應(yīng)相互搭接大于50 cm,坡腳向堰底外側(cè)延伸大于2 m。土工膜鋪設(shè)后,采用塊石壓重防風(fēng)浪沖刷,塊石由機械裝船后,運到指定位置,船載挖掘機在船上拋投。拋投過程中應(yīng)實時參照圍堰斷面尺寸均勻拋壓,圍堰迎水面頂部采用人工疊實袋裝土防護。
計算施工期最不利工況,基坑側(cè)邊坡整體穩(wěn)定計算工況及水位組合詳見表1。采用地勘鉆孔土層直接快剪參數(shù),各土層采用的指標(biāo)參數(shù)見表2。
表1 工況及水位組合
表2 邊坡整體穩(wěn)定驗算參數(shù)
圍堰作用荷載主要有自重、水壓力和堰頂人群荷載。施工期工況堰頂荷載按10 kN/m2考慮,分布寬度為堤頂寬度。
采用“理正邊坡穩(wěn)定分析”軟件,運用瑞典圓弧滑動法進行抗滑穩(wěn)定計算(圖4)。圓弧滑動法計算公式如下:
K=
W=W1+W2
上式中:W為條塊重,kN;W1為壩坡外水位以上的條塊濕重,kN;W2為壩坡外水位以下的條塊浮重,kN;Q,V分別為水平和垂直地震慣性力,kN(向上為負(fù),向下為正);u為作用于土條底面的孔隙壓力,kPa,取0;b為土條寬度,m;α為條塊重力線與通過此條塊底面重點的半徑之間的夾角,(°);cu,φu為土條底面的直剪快剪指標(biāo);Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩,kN·m;R為圓弧半徑,m。
注:Z為坡外水位至條塊底的高差。圖4 圓弧滑動條分法示意Fig.4 Schematic diagram of the arc sliding bar division method
計算簡圖見圖5。
圖5 邊坡整體穩(wěn)定計算簡圖(單位:m)Fig.5 Simplified diagram of the overall stability calculation of the slope
根據(jù)GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》得出邊坡安全系數(shù)允許值KS。由表3可知,施工期基坑側(cè)邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求,滑弧位置上限見圖5。
表3 基坑側(cè)邊坡穩(wěn)定計算成果
鋼管樁深入河底高程以下深度與河床面以上懸挑長度比考慮為1∶(1~1.5),參照拉錨板樁結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性復(fù)核。下游圍鋼管底端高程-9.8 m,經(jīng)復(fù)核,圍堰整體穩(wěn)定性及抗滑能夠滿足要求。
圍堰需考慮預(yù)留沉降量,主要由圍堰所處地基沉降和圍堰自身沉降量2個部分組成。工程下游圍堰使用期為11個月,預(yù)留沉降15 cm。
以連云港鹽東控制工程武障河閘擴建工程下游40.0 m×180.0 m×9.5 m(圍堰底寬×圍堰長度×圍堰高度)圍堰為例,選取江蘇省連云港市2021年第一季度物價指數(shù),對鋼管樁拉錨組合式圍堰施工方案與原招標(biāo)文件常規(guī)進占堆土圍堰方案進行比較測算。測算結(jié)果表明:與傳統(tǒng)土方圍堰進占合龍施工工藝相比,感潮河段鋼管樁拉錨組合式圍堰施工工期可以壓縮60%,綜合施工費用可以節(jié)約18.9%[8]。
武障河閘擴建工程下游灌河側(cè)感潮河段鋼管樁拉錨組合式圍堰于2021年1月14日開始施工,于1月20日填筑至設(shè)計高程發(fā)揮擋水功能。工程于2021年7月17日晚開壩放水行洪,下游側(cè)圍堰為水下主體工程施工的順利實施提供了有力保障。
感潮河段鋼管樁拉錨組合式圍堰施工技術(shù)較傳統(tǒng)圍堰進占合龍施工工藝可以解決潮汐河道填土施工時間受限、填筑土體流失量大、圍堰合龍困難等問題,可提高填筑效率,且具有鋼管樁吊裝設(shè)備簡單、施工便捷、縮短工期、節(jié)約成本、節(jié)能環(huán)保等特點,經(jīng)濟效益、生態(tài)環(huán)保效益及社會效益顯著,可為類似感潮河段圍堰施工提供借鑒。