深水围堰混凝土封底方案选择与优化探讨

水 晶 明

(中铁二十五局集团有限公司，广东 广州 510600)



深水围堰混凝土封底方案选择与优化探讨

水 晶 明

(中铁二十五局集团有限公司，广东 广州 510600)

介绍了深水基础钢围堰混凝土封底方案选择思路，探讨了充分利用水文地质条件、基础设计及围堰结构设计资料对封底方案进行优化设计的方法，并结合实例作了说明，实现了减少封底混凝土厚度、加快施工进度、节约施工成本的目标。

围堰封底，深水基础，混凝土，水头压力

1 概述

混凝土封底施工是深水桥梁基础施工过程的关建环节之一，混凝土封底成功与否直接关系到桥梁基础承台施工的质量、工期和安全。目前国内对深水围堰封底方案尚未有明确的规范条文规定，在设计及施工方案制定过程中基本按照最不利工况进行封底厚度检算，封底混凝土方量大，施工时间长，甚至需要分块、分层多次浇筑，封底质量难以控制，经常出现封底不良、漏水严重等不利情况。

柳江双线特大桥主墩基础地质为白云岩，强度为500 kPa～700 kPa，河床覆盖层为1 m～2 m厚的河卵石，设计水深为6.5 m，采用双壁钢围堰，设计承台底紧贴河床面，设计封底混凝土厚度为2 m。按照设计要求，需对1.5 m左右的白云岩河床进行爆破清底，工程量大，工期长，难度高，为了赶在汛期来临前完成承台和墩身施工，必须对封底方案进行优化。本文通过柳江双线特大桥封底施工的总结分析，对混凝土封底方案如何选择和优化进行探讨，为类似工程项目提供有益参考。

2 深水基础封底混凝土检算方法

2.1 封底混凝土主要受力工况

围堰封底的主要目的是为承台及墩身施工提供无水施工环境。透水性河床，在承台施工时，内外水头差会对封底混凝土产生巨大的向上的浮力；不透水性河床，封底混凝土基础承受浮力很小，可不封底或抽水后简单硬化，只对围堰四周用混凝土封堵，但要充分考虑围堰整体在水流冲击下的抗倾覆和抗滑移能力。

工况一：透水性河床围堰内抽水工况，主要受浮力(主)+水流冲击力。

工况二：不透水性床围堰内抽水工况，主要受水流冲击力(主)+水头压力。

2.2 封底混凝土检算方法

1)工况一简单受力检算：完全由封底混凝土及围堰结构自重抵抗浮力，不利用封底的抗弯能力，计算简单。该方法设计的封底方案最安全，混凝土方量最大。

2)工况一充分受力检算：充分考虑混凝土自重、钢围堰自重、桩基础抗拔能力及封底混凝土的抗剪、抗弯能力。计算步骤为：抽水工况下围堰的整体最大浮力计算→围堰自重及桩基础钢护筒的抗拔力计算→确定最小封底厚度→检算封底抗弯、抗剪能力→检算围堰整体的抗倾覆能力→调整并确定封底混凝土厚度。可采用该方法进行方案的优化设计。

3)工况二检算：浮力与钢围堰沉到位后的浮力大小相同，由围堰本身的自重和双壁钢围堰仓内水的自重即可满足抗浮力要求。需要验算的主要是围堰总体的抗倾覆、抗滑移和抗渗能力。计算步骤为：承台施工时流水冲击力计算→围堰自身抗倾覆、抗滑移力计算→确定围堰四周埋深和封堵混凝土宽度、厚度→检算封堵混凝土的抗渗性能→调整并确定围堰埋深和封堵混凝土尺寸。可结合现场实测数据对封底方案进行深度优化。

3 封底方案优化

3.1 封底混凝土方案优化思路

在确保封底混凝土封底效果和受力安全的条件下，充分利用现场水文地质条件及各抗力条件可最大程度的减少封底混凝土的厚度，主要从以下几个方面进行优化：

1)充分利用双壁钢围堰结构自重，提高整体抗浮能力。

2)充分利用桩基础的抗拔能力，与桩基形成整体。

3)充分利用基岩完整性好，透水性差的特点，与基础密贴成整体。

3.2 封底方案选择与优化

封底方案的选择主要是根据水文和地质条件确定，如表1所示。

表1 围堰封底方案选择与优化对比表

3.3 封底优化方案技术保障措施

1)加强水头压力监测，为方案优化提供可靠依据。对于不透水的完整硬质岩河床和致密粘土层河床，可利用不透性特点进一步降低封底混凝土厚度，但为了保障封底的安全、可靠，必须对所采用的封底工艺可靠性进行监测、分析，具体步骤如下：

a.做好首件工程，选取具有代表性的墩台，采用保守方案先行施工，施工过程中监测围堰四周及中心在抽水后封底混凝土底部的水头压力。

b.根据监测的水头压力数据，作为后续围堰封底混凝土优化的依据，进行深度优化。

c.加强对后续围堰封底混凝土底部水头压力的监测，作为持续优化和封底可靠性评价的依据。

2)合理安排工期，尽量安排在枯水季节进行承台施工，提高封底安全系数。

a.首先采用保守封底方案，尽快完成水中墩首件工程，收集相关参数。

b.根据工期计划，严密组织，合理调整各个墩位的施工水位，逐个设计围堰及封底方案。

c.承台施工过程中提高水位观测频率，应对突发状况。水位快速提升时可暂停施工，向围堰内回水，确保结构安全。

4 柳江双线特大桥封底方案优化措施

根据柳江桥实际情况，围堰采用双壁钢围堰，先进行围堰、钢护筒定位和封底，后施工桩基承台。封底优化过程如下。4.1 选择合适的墩位进行首件工程施工，采集相关数据

1)首件选择与探测管布置。岸边31号墩覆盖层达到2 m，采用采砂船清理河床卵石后，即可按原设计方案提前在雨期安排钢围堰定位和封底施工，并采集相关数据。水头差探测管布置如图1所示。

2)水头差数据采集。封底28 d后，进行抽水试验，测量并记录连续7 d的水头数据，水头稳定后的测量数据如表2所示。

表2 水头差测试数据表 m

3)数据分析。水头差对封底混凝土浮力为：F=ρ水gh水A混凝土；封底混凝土自重：G=ρ混凝土V=ρ混凝土HA=2.4gH混凝土A混凝土；封底混凝土自重浮力平衡时：F=G即H混凝土=h水/2.4=0.42h水，围堰内水头每降低1 m，可减少0.42 m的封底混凝土。

根据采集的数据，为保证安全，取探测管内最高水头75.4 m为设计水头，封底厚度可减少0.882 m。

4.2 后续墩围堰封底方案

1)封底优化设计。

考虑围堰和封底混凝土自重、桩基础抗拔及封底后围堰内的水头下降等因素，最大程度减小封底厚度。

a.基本参数见表3。

表3 封底施工基本参数表

b.封底厚度计算。按封底后围堰内水头75.52进行封底厚度计算，由于封底混凝土需水下灌注，不宜小于1 m，取1.2 m厚进行检算，则：

总浮力为F=3.14×(9.32-10)×(75.4-71.304+1.2)×104=12 719.8 kN。

封底混凝土重力:3.14×(9.32-10)×1.2×2.4×104=6 917.1 kN。

围堰及仓内水重:161.364+3.14×(9.32-8.52)×8.25×104=2 075.2 kN。

桩基础的抗拔力(为安全考虑，桩基础抗拔力只考虑桩基础自重部分，不考虑桩周摩擦力):3.14×10×12×2.4×104=8 827 kN。

总抗浮力大小P=6 917.1+2 075.2+8 827=17 819.3 kN>F=12 719.8 kN,钢围堰结构总体满足抗浮要求。

c.封底混凝土强度检算。封底混凝土强度检算采用Ansys有限元分析软件进行建模计算，分析结果见图2。

由Ansys结果云图可知:

封底混凝土底部主要受压，其中钢护筒四周混凝土受拉，拉应力最大值为第一主应力最大值σt=309 679 Pa=0.31 MPa；封底混凝土顶部主要受拉，其中钢护筒四周混凝土受压，压应力最大值为第一主应力最小值σc=47 219 Pa=0.04 MPa。

根据《混凝土结构设计规范》，σt<[ft]，抗拉强度满足混凝土抗裂要求；σc<[fc]，抗压强度满足要求。

2)施工方案与工艺优化技术措施。

a.加大围堰四周封底厚度，增强堵水性能。河床处理如图3所示。

b.加强河床清理，清除河床表松散卵石，增强封底混凝土与河床间的粘结。

c.优化封底混凝土性能，改善浇筑工艺，连续成型。封底混凝土可采用水下不分散的NDC混凝土，该封底具有不分散、自流平、自密实等特点，可减小浇筑过程中拔管次数，提高封底混凝土完整性。浇筑过程从下游向上游全断面推进，一次浇筑成型。

d.对埋入封底混凝土中的钢护筒进行处理，增焊钢筋环箍，增强封底混凝土与钢护筒间的摩阻力。

e.加强封底过程中测量控制。在围堰的操作平台上布置多个测量位置，标示其高程，安排专人每小时测量一次，以便掌握封底混凝土的流动情况，控制导管埋深并及时移管。

4.3 封底混凝土施工效果

31号墩封底施工28 d后，进行抽水，并测试钢护筒内及监测管的水头升降情况表明，优化后的封底方案及工艺措施能满足要求。抽水结束后，围堰底部无渗漏水现象，封底平面平整，封底后监测管内的水头低于设计水头，进一步提高了封底的安全系数。

5 结语

通过充分利用设计水文地质条件、结构自重及桩基础抗拔力等条件，优化河床处理及封底混凝土浇筑工艺，可有效的降低封底混凝土厚度，减少河床清理工程量。通过柳江双线特大桥水中墩封底施工的优化实践，证明对封底方案进行深度优化可以在保证安全的前提下，加快施工进度，提高经济效益。

[1] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[2] 徐 伟，吕凤梧.深水区域特大型施工平台与钢吊箱结构分析方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

Discussion on the scheme selection and optimization of deep water cofferdam concrete bottom sealing

Shui Jingming

(ChinaRailway25thBureauGroupLimitedCompany,Guangzhou510600,China)

This paper introduced the scheme selection idea of deep water cofferdam concrete bottom sealing, discussed the method making full use of the hydrology geology conditions, basic design and cofferdam structure design data to bottom sealing optimization design, and combining with instance made explains, achieved the goal of reduce the thickness of the concrete bottom sealing, speed up the construction progress, saving construction cost.

cofferdam bottom sealing, deep water foundation, concrete, head pressure

1009-6825(2016)10-0164-03

2016-01-29

水晶明(1984- )，男，工程师

U445

A